你不知道的协作机器人会伤害你

2019年10月17日，AMT的ASG Controls Manager Terry Meister在有权国际机器人安全会议上给了90分钟的演讲你不知道的机器人协作安全可能会伤害你。会议由机器人行业协会（RIA）赞助，并在印第安纳州印第安纳波利斯进行。

随着炒作和曝光率的所有增加，承诺降低了成本和整合时间，越来越多的人都假设人们友好的机器人是最好和最安全的选择。协作机器人具有易于使用的声誉，并准备与运营商从架子上使用。这种情况并非总是如此，本文将揭穿共同神话，并为设计师提供如何减轻协作工作环境中的运营商风险。

重要的是要了解协作机器人应用程序如何符合RIA和其他适用的指导，以及与其他设备的合作机器人的集成是否允许设计人员利用其固有的安全功能。

本文中的例子包括除了用于协作模式的传统机器人之外，还包括与Kuka，Fanuc和Universal机器人一起使用，以及利用辅助安全性的协作机器人。

定义

术语“协作机器人”包括许多不同类型的设备，在可能发生有意义的讨论之前需要澄清。

协同机器人在RIA标准RIA R15.06-2012中定义，这是工业机器人安全标准。”合作经营是指机器人“在一个确定的工作空间中与人直接合作”。一个“协同工作区“被定义为”机器人和人类可以执行任务的保障空间“。

图1描述了协作机器人的环境。数字1表示机器人物理能够达到的操作空间，并且第2编号定义了协作机器人和人类操作员将交互的实际协作工作空间。

协作机器人有几种使用方式，并且“转换”是在机器人模式之间改变协作操作和非协作操作之间的变化。RIA标准部分5.4.4决定了该系统的设计，使其在转型期间不会对操作员构成“不可接受的风险”。

的操作模式

协作机器人可以以多种方式运行，每个方法都有不同的安全标准。RIA R15.06-2012标准定义了四类安全功能，用于使用协作机器人，所有协作机器人都属于其中一种类别。

• 安全额定监测停止
• 手工制导教学模式
• 速度和分离监测(SSM)
• 电力和力量有限（PFL），又名“cobots”

安全等级监察停车

通过安全额定受监控的停止模式，当人类进入协作工作空间时，机器人停止

图2描述了机器人如何在安全等级监控停止标准下工作，这取决于机器人在哪里，操作员在哪里，以及机器人是否在移动。如果机器人在协同工作空间之外，无论操作者在内部还是外部，机器人都将继续工作。如果机器人在协同工作空间内，只有当操作者在协同工作空间外时，机器人才会继续工作。如果操作员走进去，机器人就会在监控下停下来。如果机器人在协同工作空间内，并且已经在监控下停止，操作人员可以在不改变机器人功能的情况下在空间内或外部。

手引导教学模式

在手引导教学模式中，操作员使用设备将运动命令发送到机器人系统，该机器人系统具有放置在机器人末端执行器处或附近的手动致动引导装置，如图3所示。

速度和分离监测(SSM)

使用速度和分离监测（SSM）模式的机器人基于机器人和人类进入工作区的人之间的定义分离距离来控制它们的速度。对于SSM，使用外部安全装置（例如区域扫描仪），并且必须执行安全距离计算。图4说明了机器人的速度如何随着操作员进入机器人工作空间附近的区域而减小。

动力和力量限制

通过电源和力限制（PFL）机器人，控制机器人的速度，扭矩和运动，使得如果存在碰撞，人类操作员将没有伤害或疼痛。这些机器人提供了PFL安全功能。

有几个关于PFL机器人的常见误解。一种误解是操作人员可以在同一时间和同一空间工作，与PFL机器人没有保护。这并非总是如此;根据完整的系统，可能还有其他危险，例如捏点，臂末端工具，粉碎危险等。您必须整体看完整的系统，而不仅仅是机器人本身。

另一个误解是PFL机器人将比人类运营商更快地运行并更高效。如果使用PFL机器人，这并不总是如此，机器人的速度有限于安全原因;在某些情况下，操作员可以更快，更高效地工作。

尽管PFL机器人旨在没有伤害，但仍然需要风险评估。一旦设计，需要对完整的系统进行任何潜在的风险。机器人可以或可能不会构成风险，但需要审查系统的所有元素。

有些用户假设由于机器人是协作的，因此它将其集成到中将被定义为协作。这不是这种情况，因为再次，系统需要作为整体进行评估。

额外的安全考虑

对于协作机器人，还有许多其他特定类型的危险需要考虑。除了冲击和挤压危险，操作人员需要保护免受机器人和抓手的危险运动，热表面，夹具和其他机器在细胞内。协作安全法规要求操作者免受以下类型的危害:

• 用夹子的影响
• 影响部分
• 通过机器人手腕增加冲击力
• 增加机器人手臂的冲击力
• 臂之间的粉碎和非支撑结构
• 夹持器和夹具之间的挤压
• 粉碎部分和夹具之间
• 手臂和夹具之间粉碎
• 臂之间的粉碎和非支撑结构
• 手指夹在抓手或部分开口中
• 手指压碎夹具和部分

在与协作机器人一起工作时，始终将操作者的安全放在首位，并考虑机器人与操作者之间的任何潜在接触。采取以下所述的主动和被动降低风险措施。

机器人与操作者的接触

在某些情况下，机器人和操作员之间可能会接触。用户应确定这种联系的条件，并评估每种情况的风险潜力。应设计机器人及其工作区域，以便机器人操作员接触不频繁和避免，并施加风险降低措施以保持低于阈值限制值的接触情况。记得考虑这样的事情：

• 暴露的操作者身体区域
• 发生的可能性
• 联系事件类型
• 联络区
• 速度
• 势力
• 压力

被动风险降低方法

有几种方法可以被动地降低作业人员的风险。设计师可以通过圆角、光滑表面和安装柔顺表面来增加接触面面积。另一种防止操作者受伤的被动方法是安装缓冲或可变形部件等材料来吸收能量。设计师还可以限制系统的运动质量，延长能量传递时间，或通过柔顺关节或连杆减少冲击力。

有效风险减少方法

设计人员有各种技术需要考虑有效风险减少：

• 限制力量或扭矩
• 限制移动部件的速度
• 使用安全等级的软轴和空间限制功能
• 使用安全等级的监控停止功能
• 使用感应来预测或检测与操作者的接触

现实世界应用

本文将讨论协同机器人在汽车工业中的三个应用。

在图5所示的工作单元中，操作者将四个火花塞加入ARM工具（eoat）的末端，然后按下机器人上的按钮启动机器人运动。虽然机器人在发动机插入发动机时，操作员步骤到相邻站。

对火花塞插入程序的分析产生了图6中详细说明的风险。当作业者将火花塞装入EOAT时，他们发现了五个作业风险。对于这些风险中的每一个，图6显示了相应的风险级别、严重程度和避免方法。对于在空间站执行外围任务的操作人员，已经确定了六种风险，以及每种风险的级别、严重程度和避免方法。

最终结果是具有冗余系统的设计，如图7所示。

电控单元(ECU)测试单元

在ECU测试单元中，操作员将变量载波加载到测试台中，然后启动机器人，该机器人测试ECU的旋钮，按钮和CD交换功能，如图8所示。

图9（下图）显示了该站的六个已识别的操作员安全风险，以及每个的严重性，曝光和避免类别。还有一个安全预防措施的清单，以避免这些风险。

最终的结果是一个对操作者来说是安全的站，而不需要外部防护或安全围栏，如图10所示。

总结

你不知道关于合作机器人安全的东西会伤害你，并且在设计系统时有几件事要记住。首先，知道安全性取决于完整的应用，而不仅仅是机器人，并以整体评估系统。接下来，尽管使用合作机器人，进行风险评估仍然至关重要。设计人员还必须了解电力和力量限制机器人增加系统的危险，并保护运营商免受潜在伤害。最后，设计师必须继续学习和工程师被动和主动风险减少方法作为协作机器人，并在未来的应用中使用它们的使用。