用剪刀奔跑:在你的协作机器人上放上尖利的工具

AMT高级应用工程师David McMillan撰写的技术文章。David已经在机器人行业工作了20多年，是AMT是新技术或不寻常技术的首选。欲了解更多关于AMT在机器人应用方面的专业知识，请访问这个链接．阅读大卫幽默的电子书《提高机器人的准确性》，请点击在这里．

(嗯!)

嗨！我是戴夫，我是一个碰撞测试假人(也是一个自动化工程师，但那不是。有趣的这是故事的一部分)。

哦，还有一点关于在协作机器人(协作机器人)上安装锋利的工具，为什么这可能是一个坏主意，以及如果你别无选择，如何处理它。但你不是来听这种无聊的事的，对吧?

故事开始了

这个故事开始于一个看似简单的客户RFP:一个轻量级的机器人，它可以捡起小螺栓，并将它们驱动到零件的特定孔中，达到指定的扭矩，而不需要我们通常在机器人周围安装的昂贵的安全装置，以保护它们免受那些讨厌的、黏糊糊的人类操作员的伤害。

这看起来很简单:所需的有效载荷和速度完全在轻型协作机器人的能力范围内，而且协作机器人不需要安全围栏、大门、扫描仪等，对吧?好吧，我们开始吧!

(你们中有谁以前跳过这种舞吗?请随意在这里插入您最喜欢的喜剧“交通堵塞”声音特效)

意想不到的障碍

第一个意想不到的障碍是需要施加的实际扭矩。购买一个“智能”扭矩驱动器，既能完成这项任务，又足够轻，可以由协作机器人携带，这是很容易的。直到有人想到问:“可不可以合作机器人。抵制转矩?”

这最终成为一个棘手的问题。从表面上看，这似乎很容易——协作机器人只需要在扭矩驱动器拧下螺栓时保持不动。这能有多难?

相当困难的事实证明。从设计上讲，协作机器人比它们的“大铁”表亲要弱得多。这不仅限制了它们举起和携带有效载荷的能力，也限制了它们抵抗外力的能力。在这种情况下，扭矩驱动器的“后坐力”将足以让协作机器人(即使在最“不敏感”的设置下)将其解读为碰撞并抛出安全故障。这也是经过设计的:为了在人类周围安全工作，协作机器人被设计成对任何东西这可能可能与人接触——即使用一根手指戳一个人，也足以让一个脆弱、敏感的协作机器人停下来大声呼救。

(他们对批评也很敏感——不要对他们大喊大叫，他们的感情很容易受到伤害。别问我怎么知道的。)

幸运的是，我们选择的cobot有一个可用的非协作模式(NCM)，它可以在我们的程序中打开和关闭。在NCM中，机器人足够强大，可以抵抗扭矩驱动器施加的力。但是!我听到观众已经在说:如果你把你的机器人设置成NCM，它就不安全了!

非常正确!因此，协作机器人的第一课:当你的协作机器人没有配置为协作操作时，它就不再是协作机器人了。这可能只是暂时的，但只要你的协作机器人处于NCM状态，你必须把它当作一个“大铁”机器人，否则你就不安全了。安全(不仅仅是“安全”)对机器人来说很重要——人类有一种不好的倾向，如果不安全，就会把自己的黏糊糊的东西放进你整洁的自动化系统里，结果就会一团糟永远清理。所以，保持一切安全是件好事。这也是法律，在很多司法管辖区，我们都不想进监狱，对吧?

进入我们的下一个相关cobot功能:这个特殊的cobot有一个安全模块，其工作原理与它的“大铁”表亲相同。其中一个选项是安全等级的“静止模式”——基本上，它会把机器人固定在一个地方，如果它检测到机器人移动超过几毫米，不管出于什么原因，它会用安全故障杀死机器人。

这个过程

如此!我们现在有了所需要的所有零配件，剩下的就是把它们组装成一个可以工作的整体了。

我们处理扭矩问题的过程如下:
1.机器人处于协作(安全)模式
2.机器人拿起螺栓，并移动到螺栓需要被打入的孔
3.机器人进入静止模式
4.机器人激活NCM(在激活静止模式后执行此操作非常重要!)
5.机器人触发扭矩驱动器，使螺栓向下转动(在这种情况下，没有人能把手指伸到螺栓头下面，所以这没有安全问题)。
6.机器人启动协作模式
7.机器人停用静止模式(同样，这需要在重新激活协作模式之后)
8.转到步骤2

力与面积

那碰撞试验假人的故事呢?我听到观众在问。这就是我们来读的东西!

好吧，好吧，我马上就到。这实际上是从下一个我们遇到了意想不到的问题:力量vs面积。

事情是这样的:协作机器人“本质上是安全的”，因为它们是“力量和能量有限的”(至少在协作模式下)。一个cobot不能施加足够的力量造成严重的伤害，不能建立足够的速度来造成严重的伤害，如果它检测到任何违反这些规则的情况，就会立即停止安全故障，例如，如果它检测到它与某物或某人相撞，其力量超过了一定的安全额定水平。

但受伤不仅仅是由力引起的——它们是由面积上的力引起的。拳击手套用五磅的力量打你都不会造成瘀伤。一个螺丝刀(尖头)用五磅的力打你伤害，甚至造成伤害，因为螺丝刀集中把力放在一个尖尖上。

这就是为什么大多数协作机器人看起来像苹果公司设计的，都是柔和的曲线，没有尖角——避免尖角可以集中力量，有助于确保它们的安全。另一方面，在你的机器人身上绑一把锋利的剪刀只比让一个蹒跚学步的孩子拿着同样的剪刀跑来跑去安全一点点(看!对标题的回调!)。

在我们的案例中，我们拿起并插入孔的螺栓是平的，但它们非常小，m5(大约3/16英寸，对于非公制类型)。虽然RIA 15.06的详细讨论超出了本文的范围，但该规范实际上规定了特定身体部位的力/面积的具体限制。事实证明，手指的极限与手掌、前臂等不同。由于操作者的手由于身体部分最有可能意外地夹在我们的cobot和零件之间，所以RIA规范的“手”表是我们必须寻找极限的地方。并发现对于M5螺栓尖端的小接触面积(约20 mm²，或约0.03 in²)，允许力相当低。

现在，所有协作机器人的一个不太明显的限制是它们可以可靠地检测到的接触力的量有一个下限。协作机器人的额定有效载荷越高，这个限制可能就越高。在我们的案例中，我们的协作机器人无法可靠地检测扭矩驱动器末端低于35牛(约7.8磅)的接触力。或者，更确切地说，如果cobot的灵敏度设置低于这个值，它就会开始出现“误报”，即使在户外移动时也会检测到碰撞。这给了我们一个可以使用的灵敏度的下限。

这就是我用自己做碰撞试验假人的地方。

现在，在我的情况下，重点可能是“笨蛋”，但我不是相当愚蠢到把我的手放在桌子上，让cobot刺我看看会发生什么(这对我的观众来说可能很有趣)。相反，我使用了大多数协作机器人的另一个功能:位置保持模式。在大多数协作机器人上，你可以对机器人进行编程，使其在空间中不受外力的影响保持一定的位置，达到一定的极限——超过这个极限，协作机器人就会让自己被推来推去。

所以，我给我们的协作机器人编程，让它能承受35牛的力，把一个M5螺栓塞进扭矩驱动器，然后继续(小心地!)把我柔软的身体的相关部分压在螺栓的顶端，直到协作机器人移动。然后，我测量了我身体的损伤程度(记住，如果你记录得很好，那就不是在玩，这是科学!)

结果是……虎头蛇尾。没有大出血，甚至没有严重的瘀伤。我的表皮上有一些小的(但是很痛的)酒窝，大概半个小时后才消失。RIA的安全规范原来是保守的一面-颜色我惊讶!

现在，我应该赶紧指出，这个实验不符合安全等级测试的标准，而安全等级测试是合格的不一个忽略这个问题的免费通行证。但它做了为我们所处理的问题提供了一个很好的实践基准，以及对RIA图表中的抽象数字转化为现实世界“哎哟”单位的本能(看到我做了什么吗?)

总结

最后，通过数量，我们能够使我们的系统足够安全，通过了适用的安全标准，并且仍然符合cobot的资格。成功!每个人都有奖金，你说"又一份更辛苦的工作"是什么意思?

虽然这很有趣，但我得回去工作了。但我想以这些想法来结束我的演讲:

1.购买协作机器人是详细的安全评估和分析的开始，而不是结束。
2.协作机器人可能天生安全，但一旦你开始安装尖头钻头、电动工具、高能激光器、喷枪、火焰喷射器、泰瑟枪或其他硬件，要保证它们的安全就像让一个“大铁”机器人安全一样复杂——考虑到使用协作机器人意味着“没有围栏”的期望，可能会更加复杂。
3.协作机器人会让人自满——不仅是集成商，还有终端用户。人们不会像对待(更可怕的)“大铁”机器人那样小心对待协作机器人。在进行安全评估时请记住这一点。
4.使用协作机器人意味着你必须阅读更多的安全标准文件，而不是更少。你的清单也越来越长。
5.让“大铁”机器人安全通常就像“多一些围栏”一样“简单”(嗯哼)。让cobot安全(并证明它是安全的)很容易变得更加复杂，这在很大程度上是因为cobot容易与“黏糊糊的人”进行更直接的互动，因此更有可能出现问题。

现在我已经确定了我亲爱的读者们至少一个星期都睡不着觉，我在这里的工作完成了!cobotting快乐!


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