协作机器人提供新的自动化选项

几十年来，机器人一直是工业领域的固定设备，它们执行着对人类来说单调、费力或不安全的任务。机器人可以以比人类更快的速度工作，并在整个换班过程中保持这一速度而不感到疲劳或失去注意力。然而，典型的工业机器人的质量和速度给人类操作者带来了巨大的风险。因此，工业机器人传统上被放置在固定的外壳内。这就带来了限制，以任何方式访问机器人都需要完全关闭和耗时的重启。

虽然旧学校对机器人的方法继续茁壮成长，但是一种新型的机器人使人类可以与机器人密切合作，而无需安全障碍。存在不同的合作级别。在最复杂的情​​况下，协作机器人能够协作操作，这意味着与人类在定义的工作区内的合作。它们倾向于构建以处理较低的力量并移动更慢，使它们能够以安全的方式响应人类运营商。

合作课程
ISO-10218，为大部分协作机器人提供了奠定基础的安全标准，定义了四个协作功能：

Safety-rated停止监控
安全额定受监控的停止用于人工操作员需要偶尔进入机器人的工作空间的应用。通过安全额定受监控的停止功能，机器人在检测到人类运营商已进入工作区时停止动作。机器人通过使用制动器而不是通过切割驱动器来停止。该特征在保持安全环境时速度速度恢复。

速度和分离监测
在速度和分离监测中，机器人监测人类操作员在指定空间内的位置，以调用软件定义的规则。人与机器人之间的距离越大，允许机器人移动的速度就越快。当操作员靠近机器人时，机器人会减速，甚至会停下来，以保持安全状态。

手的指导
即使使用功能库，编程机器人也可以复杂且耗时。手引导提供替代方案。人类操作员可以触摸并移动机器人手臂，教导它一个位置或路径。这些单元可以是常规工业机器人，但需要额外的传感器，例如力扭矩传感器，以使机器人能够“感觉”接触。

力限制/速度有限的性能
这就是被广泛称为协作机器人的模型。通过传感器，机器人能够检测到与人接触时施加的力，并立即停止。ISO-15066定义了在不造成疼痛或损害的情况下，适用于人体各个部位的最大力量。这些信息用于为机器人编程。与其他三种类型的机器人不同，这些类型的机器人不是标准的工业机器人。相反，它们是专门设计来消散力，更平滑和更圆，没有尖锐的边缘，夹点，或暴露的电机。

建立协作的机器人
协作机器人配备了多个传感器，使它们能够感知环境。与传统工业机器人相比，它们的有效载荷更低，移动速度也更慢。它们包括先进的控制系统，使它们能够在更复杂的环境中分析和操作。

在合作中，人工操作员可以从机器人站在桌子的​​另一侧，允许机器人拿起负载，之后人类操作员可以安装需要更多手动灵活性的较小部分。合作概念超越简单的工业应用和制造业，包括从轮椅固定装置到智能外屏的服务机器人。

从运动控制的角度来看，伺服电机、驱动器和传动装置在一般机器人和协作机器人中起着至关重要的作用。最常见的方法是使用一个无框架电机直接建立在关节。这种方法节省了空间，减轻了重量。无框设计通常在中心有钻孔，便于信号和供电。同样，这适用于外骨骼和工业机器人手臂。

“我们看到了小型化的大趋势，”运动控制和电子产品销售总监克里斯蒂安·弗里茨说克森精密电机(加州福斯特城)。他说:“我们需要小型、强大的发动机，使其成为机械结构的一部分。当我们与机器人合作，或与建造、商业化机器人系统的公司合作时，定制是每次都会出现的话题——定制线圈、扁平电机，以便更好地适应机器人的机械系统。”

Fritz指出，集成组件是另一个趋势。齿轮电机集成传感器是一个例子，或智能电机集成控制器驱动器。后一种方法最大限度地减少了布线，从而降低了成本、复杂性和故障点。

当涉及到具有任何协作用例的机器人时，平台的方法是不同的。“现在很多人在合作机器人上所做的基本上只是在传统机器人上添加一堆昂贵的传感器，或者让它们运行得很慢，”精密自动化公司(Precise Automation, Fremont, California)的项目经理吉姆·希马诺(Jim Shimano)说。你需要采取一种不同的方法，真正研究怎样才能让机器人成为机器人，怎样才能让它安全地协同工作，以合理的速度运行。”传统的工业机器人往往使用减速比高的齿轮箱。precision团队则相反，他们降低了齿轮传动比，并努力减少机器人内部的摩擦。“一旦采用较低的齿轮传动比、低摩擦系统，就可以更好地预测运行机器人所需的扭矩，因为扭矩信号与噪声比显著提高。这使得机器人可以通过监测电机扭矩来检测碰撞，而无需额外昂贵的传感器，并且无需产生高传动比/高摩擦驱动所固有的大接触力，就能快速做出反应，因为现在没有那么少的信号噪声。这使得协作机器人即使在周期时间内也能安全地运行，”Shimano说。

该方法还改变了控制技术。“重要的部分是你在控制器的前馈方面依赖于控制器的前一边，而不是在反馈方面，”Shimano说。[摩擦]在许多传统机器人中是如此大，你依赖反馈部分。[在新版本中]，前方的前锋正在做大部分工作和反馈是为了碰撞检测。“该模型必须是动态的，而不是静态，具有微小的前馈调节来扭矩。“我们正在依赖进料前方，因为该模型必须考虑机器人的所有动态特征，”他补充道。

合理和安全
协同机器人的关键问题之一是传感器的部署。对周围环境的综合感知是安全运行的必要条件。传感器可以是昂贵和复杂的集成。部分解决方案是使用运动元素本身固有的传感技术，如驱动器中已经存在的传感器功能。“当涉及到部署时，人们开始简化并希望将尽可能多的功能转移到系统中已经存在的组件中，”Fritz说。“一个简单的例子是电流流过电机绕组。在直流电动机中，电流与输出的转矩成正比。选择能够访问当前数据的驱动器，可以让开发人员根据电机的电气和机械原理，深入了解应用程序中正在发生的事情。例如，你可以利用这些信息来检测是否有什么东西阻碍了机器人的运动，而无需添加额外的传感器。”

安全是协同设计的必要因素。安全额定驱动器和控制器提供基本功能。与所有安全系统一样，冗余和消除共模故障是键。

一种冗余方法是使用安全额定软件。“那种情况的基础是这些协作应用领域的内容是能够拥有自动化集成和部署的安全软件，以便您可以监控人员的存在和缺失，然后相应行动，”Rick Maxwell，Director工程，通用工业和汽车部门，发那科美国．“实际的速度和扭矩监测是在一个独立的处理器上完成的，该处理器总是在检查应用程序。”例如，如果安全软件将旋转接头限制在不超过每秒300度的范围内，那么要求旋转接头以每秒500度的速度移动的应用就会受阻。

对机器人制造商、原始设备制造商和最终用户的最后建议是，安全需要战略性地应用。“这可能是我这篇文章最大的收获，不要害怕看到安全的一面，”新市场开发经理Russ Jones说，发那科美国．“我们都希望我们的客户尽可能高效和有竞争力，所以重要的是他们要评估每种情况，并理解有许多应用程序允许人机交互，有些则不允许。这种理解将在没有不必要停产的情况下维持生产。

随着不断的发展，协作机器人领域还处于早期阶段。在这里，运动供应商可以帮助原始设备制造商为他们的系统找到最优的方法。弗里茨说:“我认为，在不久的将来，我们将看到许多许多不同的机器人系统的出现，正在工作、集成和实现这些系统的人将不得不专注于他们的核心竞争力。”“我认为人们应该接受的是，运动供应商已经准备好帮助他们完成一些任务，提供更集成的系统，并与他们一起在专业电机上工作。有很多技术和组件可以提供更多的旋转和扭矩，而不仅仅是一个小部件。”