机器人安全足迹的缩小

机器人在这个区域。他们巧妙地将他们的运动聚焦到微调的角度，重塑机器人单元，减少其占地面积，并为机器人用户提供更多的创造力和灵活性，以安全自动化新流程。主要使能器是安全级软轴和空间限制技术。

在这方面，机器人并不孤单。结合新的安全标准和先进的安全外围设备，机器人和人类现在能够去以前很少人敢去的地方。他们正在冒险进入高密度、劳动密集型生产的新角落，并沿着新的合作途径前进。

密歇根州安阿伯市机器人工业协会标准发展部主任帕特·戴维森说:“新标准和不同类型的新技术的优势在于，它确实允许一定程度的创造力。”“制造商在技术方面有更多的选择，通过风险评估，最终用户有多种选择来利用，同时仍能保证安全。相比之下，一个说明性的标准基本上是把所有东西都关起来。”

在标准中，“软件定义的机器人运动极限”通过嵌入在最新机器人控制器中的创新软件功能来实现。主要的机器人oem厂商以不同的品牌提供这一功能。这取代了硬件控制的限制，代表了安全运动控制的重大飞跃。好处是很多的。

戴维森说:“这样更快、更便宜，而且占用的空间更少。”“它的效率更高，正常运行时间更长。你在硬件上的花费会减少，需要修补的机械设备也会减少，资本投资也会减少。”

笼子或控制危险
为了符合安全标准，现在必须进行风险评估。虽然这一要求不再是可选的，但该措施允许集成商和最终用户利用新型机器人和安全外围设备中的各种先进技术，以节省宝贵的工厂空间并提高流程效率。

罗克韦尔自动化公司位于威斯康辛州密尔沃基市的安全组件全球营销经理Roberta Nelson Shea说:“随着机器人标准也包括风险评估，并试图真正了解危险和暴露，这意味着你可以制定出超越常规的解决方案。”“有危险，就派人看守。相反，现在是有危险，控制危险。”

Nelson Shea担任R15.06工业机器人安全小组委员会主席超过20年，自1982年第一次委员会会议以来，他就参与了机器人安全标准的制定。她说，ANSI/RIA标准实际上先于ISO和EN机器人标准。R15.06-2012和ISO 10218:2011机器人安全标准现已协调一致。

尼尔森·谢伊说:“这个特定的标准确实试图研究人们如何使用设备，以及如何围绕设计和实施制定限制，以便机器人系统能够高效、可靠和安全地用于预期用途。”

RIA的Davison解释说，在非常基本的层面上，安全等级软轴和空间限制技术取代了硬止动。想想你房子或公寓周围的门挡。这和机器人轴的原理是一样的。

戴维森说:“传统上，为了限制机器人的运动或限制这些轴，你必须在适当的地方放置一个物理块或障碍物。”“一般来说，这是在第1、2和3轴上，或者在底座、肩膀和肘部。”

戴维森解释道:“这样做的好处是，你可以限制每一个轴，而不是限制三个轴，然后你还可以施加动态限制。“想象一下，在受限空间的中间有一根建筑柱子或某种障碍物。你可以告诉机器人总是绕过障碍物，这样它就不会与障碍物相撞。在创建允许空间或限制空间时，您有更大的灵活性。它可以是你想要的最大空间的任何子集。”

第1部分，第5.12.4节，涉及“动态限制装置”是R15.06安全标准的新内容。

罗克韦尔公司的尼尔森·谢伊说:“过去，每个人都把机器人以几何图形的方式放在细胞中心，并在周围放置设备。”“在现实应用中，它只需要移动60度，所以为什么不把机器人放在一个空间里，用安全等级的软轴和空间限制来安全控制它呢?”你瞧，你的足迹要小得多。”

她补充说:“作为工程师，我们需要打破把一切都弄得整齐、整齐和集中的旧习惯。”

空间和速度限制
有了新标准，优点之一是可以在机器人控制器中嵌入更多与安全相关的功能，并且不需要外部夹具或机械设备来提供该功能。一些人认为这是最大的推动者，是完美风暴的催化剂，首先由安全等级的机器人控制器推动。然后通过机器人安全标准和先进的安全外围设备来加强，充分利用这种节省空间的范式。

“经过几年的发展，现在我们可以拥有一个独立的控制计算机系统，可以监控机器人的速度和位置，”吉尔·多明格斯(Gil Dominguez)说，他是密歇根州坎顿市Pilz自动化安全公司的安全顾问。“现在购买的机器人通常都带有安全系统，该系统可以监控机器人的位置，并将其与定义的空间进行比较，因此我们可以限制它们的移动，并使细胞更小。如果机器人不能移动到那里，那么我就不必保护那个地区的人。”

Dominguez还与Davison和Nelson Shea一起在R15.06小组委员会任职。他们都同意安全外围设备的最新趋势是以更聪明的方式使用复杂的保护设备。传统的方法是简单地关闭机器。这些构型是无穷无尽的。

Nelson Shea解释说:“现在我们使用安全设备来降低风险，而不仅仅是停留。”“例如，当你到达危险区域的特定距离时，机器人系统会减速。越靠近，速度越慢。然后你到了某一点，它就停止了。”

她说:“这本身就可以减少总占地面积，因为我们在降低速度的同时减少了停车时间和机器人系统运行的距离。”“但这真正意味着，我们开始以一种更有创意的方式使用安全设备，而在控制器和驱动器中嵌入了更多的安全性，这已经成为可能。”

她引用了最近在IMTS 2014上展示的这种技术耦合的一个例子，即使用罗克韦尔安全传感器的无栅栏FANUC协作机器人系统。

Nelson Shea说:“该系统使用了我们的SafeZone™迷你安全激光扫描仪。“扫描仪安装在靠近地面的地方，水平扫描任何接近系统的地方。当入侵物靠近时，这些扫描仪会告诉机器人系统放慢运行速度。还有额外的安全区域迷你扫描仪隐藏在机器人系统安装。它们的场就像一个看不见的盒子，围绕着机器人系统区域。任何对这个看不见的光盒的入侵都会启动对FANUC机器人系统的保护停止。一旦入侵被清除，操作就可以恢复。”

FANUC的新型Kermit绿色协作原型机，以及其他几家主要机器人制造商的安全嵌入式控制器技术，在最近的报道中得到了介绍关于机器人oem快速跟踪合作机器人的文章．

安全停车距离
从历史上看，当机器人处于紧急停止模式时，伺服电机的电源将被切断。在新的安全标准下，在新的机器人控制器中嵌入了新的功能，在某些情况下，机器人处于安全停止模式，但伺服电机的动力仍然存在。

多明格斯说:“在过去，机器人的设计并不是为了尽快停下来。”“当它在围栏后面时，这不是问题。”

由于机器人过去滑行到一个停止位置的方式不精确，像光幕这样的存在感安全设备可能会消耗大量的地面空间。

多明格斯解释说:“根据安全距离标准的要求，光幕必须放置在足够远的地方，所以当你以正常的接近速度接近机器人时，机器人会在你到达之前停下来。”“由于我们无法从安全可靠的角度保证机器人的速度有多快，我们不得不考虑更坏的情况，有时这意味着将光幕放置在6英尺、8英尺甚至10英尺之外。对于某些应用来说，这就抵消了光幕的好处。”

多明格斯说:“有了这项新技术，如果我们能感觉到有人来了，那么我们就可以命令机器人减速，减少它的速度限制，这样我们就可以把光幕推得更近。”

“现在有可能采取措施将机器人的停止时间缩短到不到十分之一秒，”多明格斯补充道。“这不仅减少了足迹，还可以让人们真正深入到机器人操作的地方。”

Presence-Sensing
光幕、激光扫描仪、安全垫和其他安全外围设备可以以各种方式使用，以减少或消除安全围栏。它们不再是机器人细胞的硬性障碍，现在具有先进的功能，它们在细胞设计和自动化过程中提供了更大的自由。

Pilz SafetyEYE®系统等存在感测设备与嵌入在最新机器人控制器中的安全级软轴和空间限制功能相结合，以定义保护区。多明格斯解释了这个由三部分组成的系统是如何工作的。

“SafetyEYE系统由一个传感设备组成，它由三个具有刻板视觉的摄像头组成。这使它能够确定距离，从而确定深度和体积。传感器可以安装在3到7米高的任何地方。你走得越高，看到的区域就越大。您可以设置不同的几何或体积形状的危险和警告区域。你可以关闭或打开这些开关，允许某人进入空间，在其他时候，限制空间。然后你有一台电脑，读取所有这些摄像头，并将它们与定义的区域进行比较。然后你有了与外部世界的接口，安全控制，它接收安全等级的输入，并发送安全等级的输出，以实现你设计的安全功能。”

他说，这项技术背后的一个重要驱动因素是，由于空间限制或机器人单元的放置，有能力使以前不适合自动化的领域实现自动化。

这视频展示了Pilz安全摄像系统的应用实例。

多明格斯说:“最大的潜力是那些高度劳动密集型的应用，每平方英尺人口密集的地区。”“如果我能减少足迹，我就能打开以前做不到的应用程序。我可以把一个机器人放在一个简单的应用程序中，但我不能失去与它相邻的两三个站。在第一次运行时，大多数机器人将与人共处一室。之后，也许是互动。”

人机协作交互需要更高的技术水平。

“在未来，你会想要查看人接近的速度，并将其与机械臂的实际位置及其速度进行比较(实时)，然后提出算法来决定机器人何时应该停止或执行另一项任务。因此SafetyEYE和外部控制之间的沟通水平必须提高。”

安全合作
人类和机器人的协作工作空间正在突飞猛进地发展。为了确保安全，这项技术必须保持领先。

明尼苏达州明尼阿波利斯市SICK公司的安全应用专家Chris Soranno说:“传统上，每个人都只考虑安全设备的前端。”“我有联锁开关吗?”我有窗帘吗?在很长一段时间里，这就足够了。”

“传统的思维方式是，你有一台机器，如果有危险，你就把人从危险中隔离出来，只有当危险完全锁定或通过安全措施控制时，人才能在该区域进行互动，”索兰诺说，他也参加了R15.06小组委员会。“有了新的机器人标准，就不再是非黑即白了。现在出现了一个新的灰色地带，那就是协作工作空间。”

索兰诺解释说:“只要你知道机器人在空间中的位置，以及它运行的力的速度，你也知道人在同一空间中的位置，现在你就可以增加逻辑和功能。”“现在你可以让机器人和人在同一区域执行某些功能。”

他说，复杂的控制技术正在推动这种人与机器互动的新方法。

索兰诺说:“现在，我们关注的是后端。“我们在前端安装了光幕、扫描仪或其他设备，以检测运行是否安全。然后我们有了这些非常酷的逻辑设备，它们是基于微处理器的、可编程的、拖放式逻辑，你可以在一个设备中控制很多复杂的系统。”

Soranno解释说:“我们的S3000专家安全激光扫描仪有一个我们称之为Sim-4-Safety的功能，允许区域扫描仪用一个设备建立四个独立的保护区。”“通常使用区域扫描仪，你可以有两个保护字段和两个或四个警告字段。这样，我们实际上得到了四个受保护的区域，每个受保护的区域有两个警告字段。”

索兰诺说，该系统可以根据机器人的速度来调整存在探测距离。“我们的S3000技术是由行业发展方向驱动的，这是一个新的灰色区域，允许人员和移动机器在特定条件下共享同一空间。”

这视频显示了SICK激光扫描仪监测轮胎制造中固化压机的典型应用的模拟。

集成的安全
内置的逻辑和安全运动也使系统更易于使用、维护和故障排除。

伊利诺斯州霍夫曼邨欧姆龙自动化和安全公司的安全产品工程师蒂娜·赫尔说:“当某些设备出现故障时，客户不能长时间停机，所以他们需要一种快速的方法来排除故障。”她说欧姆龙区域扫描仪有专门为此目的设计的单独的扇区指示器。

“我们有一个案例，有人在生产间歇倒了一个垃圾桶。当所有人都回来开始生产时，系统不会启动，因为安全人员说该区域有东西。他们花了好几个小时才弄清楚。”

她说，垃圾桶被放置得太靠近检测区域的边缘。使用欧姆龙区域扫描仪，扫描仪上的灯会自动亮起，表明是哪个区域导致关机。

“这将减少他们需要调查的内容，”赫尔说。“大多数工厂把所有的扫描仪和指示灯都放在一个人机界面上，这样它就可以闪烁或显示是哪个安全设备导致了停机。”

赫尔认为，安全方面最大的趋势是将所有东西集成到一个系统中。具有安全运动的集成控制器，以及新的安全激光扫描仪，其尺寸几乎是以前型号的一半，可配置多达70个区域，这些都有助于减小电池的占地面积。

赫尔说:“现在很多时候，安全系统被集成到机器人系统中，然后我们也可以让像传送带线或压力机这样的东西由一个PLC控制，然后集成到安全PLC中成为一个系统。”“这样你就不需要有多个控制器，也不需要进一步扩展。”

Hull引用了一个集成的拾取和放置系统(如图)。“对于具有安全运动或内置安全装置的伺服系统和驱动器，安全连接可直接与安全PLC相连。这减少了安全距离计算所需的停止时间，因为它不再需要力引导接触继电器。”

据赫尔介绍，该系统包括三个delta式机器人、两个输送机和一个视觉系统，全部由欧姆龙NJ机器自动化控制器控制。安全系统由五个紧急停止和一个光幕组成，由欧姆龙NX安全PLC监控。整个系统通过EtherCAT联网，并通过人机界面进行监控。

赫尔解释说:“在内置安全装置之前，他们必须通过力引导继电器触点连接这些机器人，这是两个独立的设备，然后在安全控制器和机器人之间建立最终的开/关开关。”“打开和关闭这些开关还需要一个周期时间，现在你已经大大缩短了时间，因为现在你不需要额外的步骤。”

集成控制不仅使过程更快，他们占用更少的机柜空间。

“占地面积是一种热门商品，”赫尔说。“所以在过去，人们把这些控制器放在系统上方的受保护空间。我曾经去过一些工厂，他们在设备上面建了一个夹层，用来放控制器。当你这样做的时候，你会诱发另一种风险，那就是坠落的风险。这是OSHA最常提到的违规行为之一。”

赫尔还注意到一种尽量减少布线和电缆的做法。她说，在初创企业失败的案例中，线路问题约占95%。更少的布线也占用更少的机柜空间，意味着更小的占地面积。

打开门
为了减少机器人的电池足迹，安全外围设备正在合作，以提供免受电池危害的保护。物理屏障将危险和意外接触拒之门外，而存在感安全设备则密切监视牢房内的居住者。

SICK的Soranno说:“如果你在垂直应用中使用防护设备，无论是光幕还是门，通常都比使用水平传感器(如垫或典型的区域扫描仪)更接近危险。”

“区域扫描仪的好处是，你可以把它安装在角落里，保护一个非常大的区域，然后你可以对它进行编程，”索兰诺解释道。“它不必完全是方的或圆的。有了区域扫描仪，你可以将传感场塑造成细胞所需的形状，而不必强迫细胞适应你的保护装置的形状。”

“很多时候，尤其是在机器人应用中，你会看到一个垂直和一个水平的设备，”索兰诺说。“例如，你使用垂直光幕，这样你就可以减少占地面积。但如果有人可以走过光幕，走在光幕和机器人之间，而不被发现，那么这就是一个新的危险。”

他说，这是指将光幕或门与区域扫描仪结合起来，以检测光幕或门与危险之间是否有人。

RIA的戴维森解释说:“与光幕相比，门的最大优势之一是，人的移动速度可能比控制系统对光幕的反应速度更快。”“我们缓解这种情况的方法是，根据控制系统安全相关部分的反应时间，创造一个安全距离。”

“如果你使用的是光幕，你可能需要在光幕和最近的危险物之间留出很大的空间，以创造安全距离，”他继续说。“将其与门或其他类型的物理屏障进行比较。你可以让门正对着危险，因为没有办法让人越过、从下面、绕过或穿过门去接触危险。”

瑞海特机器防护(原Frommelt Safety Products)和亚萨合莱(ASSA ABLOY)等供应商提供的机器防护门与光电存在感设备相结合，有助于安全地减少机器人的电池足迹。

这视频展示了这些物理屏障的优势。

乔治亚州劳伦斯维尔市ASSA ABLOY入口系统机器保护垂直部门经理Jeff Nedblake说:“如果你看到一个工作单元的入口点只使用了光幕，而没有使用门，那么你的占地面积就会更大，因为光幕必须放置在工作单元前面，以便及时停止机器，防止人员受伤。”“如果你不需要考虑光学设备的安全停止距离要求，你可以有更小的占地面积。除此之外，拥有一个经过批准的物理屏障还有其他好处。”

机器防护门的支持者很快就指出，有很多安全外围设备可以防止东西进入机器人细胞，但门的优点是它们可以防止东西流出来。门包含噪音，焊接飞溅，烟雾，气味，热量，以及任何可能由机器人过程排出的雾或弹丸。

“作为一名安全专业人员，我的工作是确保生产车间的工人在一天结束时回家时的状况与他们进来时一样，”Nedblake说。“这不仅意味着他们没有被机器人击中，而且他们的听力和今天早上来的时候一样好，他们的眼睛没有经历任何电弧闪光，他们没有呼吸任何不必要的污染物。”

Nedblake说，他的门通常用于机器人焊接单元，但也用于材料处理，材料移除和机器人水射流应用。

门有两个版本。一种名为RapidProtect™300的防撕裂门帘(如图)和一种符合激光焊接安全要求的双层铝帘RapidProtect 2000。根据Nedblake的说法，由于使用了变频驱动进行电机控制，这些门能够在一分钟内打开和关闭五次。

Nedblake说:“我们为舱门配备了预运行的照相单元和内置式舱门单元，当舱门关闭时，如果飞机坏了，舱门就会反转窗帘。”

这视频亚萨合莱的铝制门。

跳出框框
由于市场上有一系列先进的安全外围设备，具有嵌入式安全功能的机器人控制器，以及提供一定程度灵活性的机器人标准，专家们鼓励创新。但他们告诫人们不要自满，强调能力。

“不幸的是，我们无法控制人们在机器人附近做危险的事情，”皮尔兹的多明格斯说。“当你在设计一个系统时，你还必须想到当有人有意或无意地与机器人互动时可能发生的场景。你不能说他们不应该站在那个地方，或者不应该把手放在那里。你必须考虑并降低风险。当你开始设计没有围栏的牢房时，更多的问题就会出现。”

无论我们谈论的是一个部分受限的机器人细胞，以便在连续过程之间更容易访问，还是成熟的人机协作交互，所有人都同意，底线是相同的。做一个风险评估。

RIA的戴维森建议:“和你信任的人合作。这里有足够的风险，足够的选择和差异，以及足够的复杂性，在许多情况下，除非你有经验或专业知识，否则你可能无法独自完成。”

SICK的索兰诺说:“对于一个组织来说，额外的生产力和减少的停机时间到底值多少钱，总是需要权衡的。”“为了确保工作正确进行，将会有更高的复杂性和更高的能力水平。”

“这是安全。你不可能完全正确，”他补充道。“错的部分会伤害到人。”

虽然有相当程度的复杂性，但回报可能是值得的。

罗克韦尔公司的尼尔森•谢伊表示:“能力是关键。“你可以让一些人买一个全新的机器人，它有所有可选的功能，而且他们可以用它做所有伟大的事情，以减少占地面积。但如果他们像上一个机器人系统那样实施机器人系统，他们就不会得到这样的好处。如果你现在做你当时做过的事，你不会变得更好。新功能和新功能意味着你必须跳出思维定势。”

本文介绍的RIA成员:
亚萨合莱入口系统
欧姆龙自动化和安全
Pilz Automation Safety, L.P.
罗克韦尔自动化公司
生病了,公司的。