萬(wàn)燕英，伍祁林

（1.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，廣州510430；2.深圳市大象機(jī)器人科技有限公司，廣東深圳518055）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，很多繁重、重復(fù)、危險(xiǎn)或流程性的作業(yè)都可由機(jī)器人替代人類完成，從而有效提高產(chǎn)能、產(chǎn)品質(zhì)量，達(dá)到降本增效的目的[1-2]。隨著工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，其安全問(wèn)題也逐漸凸顯。由于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性高、運(yùn)動(dòng)范圍大、且部分機(jī)型在特定工況下運(yùn)動(dòng)速度快、負(fù)載大、剛度強(qiáng)，當(dāng)突發(fā)異常情況時(shí)，機(jī)器人極可能造成嚴(yán)重的安全事故[3-5]。如2015年德國(guó)大眾工廠一名員工在安裝機(jī)器人時(shí)，被機(jī)器人抓起并擠向金屬板，最終不治身亡。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，日本從1987年起累計(jì)十幾人因機(jī)器人安全事故去世，7 000多人致殘[6]。美國(guó)勞工局統(tǒng)計(jì)，自1984年以來(lái)共有4 585名人員喪生于機(jī)器人事故中。

安全已成為機(jī)器人最受關(guān)注、最重要的性能指標(biāo)之一。研究機(jī)器人安全技術(shù)、建立機(jī)器人防護(hù)系統(tǒng)，對(duì)保障工人生命安全、企業(yè)安全生產(chǎn)具有重要意義[7]。國(guó)內(nèi)外工業(yè)界和學(xué)術(shù)界對(duì)機(jī)器人防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并取得了一系列的研究成果[8-11]。

本文從機(jī)器人本體控制、機(jī)器人操作、人機(jī)干涉碰撞3個(gè)方面介紹和歸納了目前機(jī)器人安全防護(hù)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法和特性，為機(jī)器人安全防護(hù)研究工作提供一定的技術(shù)支撐。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)工業(yè)機(jī)器人柔性化人機(jī)協(xié)作、智能化人機(jī)交互的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)基于視覺(jué)和觸覺(jué)多傳感器融合的安全防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了展望。

1 工業(yè)機(jī)器人安全防護(hù)技術(shù)

工業(yè)機(jī)器人安全事故主要表現(xiàn)為機(jī)器人自干涉碰撞、機(jī)器人與周邊人員或物體的碰撞。而導(dǎo)致機(jī)器人安全事故的原因有機(jī)器人本體異常、機(jī)器人操作不當(dāng)和人員非法進(jìn)入等。

機(jī)器人本體異常即機(jī)器人控制系統(tǒng)自身軟硬件故障導(dǎo)致機(jī)器人出現(xiàn)飛車、失控等。比如機(jī)器人控制系統(tǒng)的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法在一些奇異點(diǎn)處理不當(dāng)時(shí)，會(huì)致使機(jī)器人失速。在硬件方面，伺服驅(qū)動(dòng)器丟失相位或編碼器異常也可能引起機(jī)器人關(guān)節(jié)失控。機(jī)器人操作不當(dāng)主要指應(yīng)用程序錯(cuò)誤、參數(shù)設(shè)置不合理、人員使用失誤等，以致機(jī)器人執(zhí)行錯(cuò)誤的指令動(dòng)作。機(jī)器人操作不當(dāng)造成碰撞屬于人為因素，出現(xiàn)概率較大。人員非法進(jìn)入機(jī)器人運(yùn)行空間是引發(fā)機(jī)器人安全事故的主要原因。機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，一般速度較快、運(yùn)動(dòng)范圍較大，尤其是重載機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大。一旦人員進(jìn)入機(jī)器人工作區(qū)域發(fā)生人機(jī)碰撞事故，機(jī)器人的瞬時(shí)沖擊將對(duì)人員造成極大的傷害。

本文針對(duì)機(jī)器人事故原因，從機(jī)器人本體控制、機(jī)器人操作、人機(jī)干涉碰撞3個(gè)方面對(duì)機(jī)器人安全防護(hù)技術(shù)展開(kāi)研究，借助于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、安全隔離技術(shù)等來(lái)提高機(jī)器人的安全防護(hù)等級(jí)。

1.1 機(jī)器人本體控制的安全防護(hù)

基于機(jī)器人本體控制的安全防護(hù)技術(shù)主要從本體自身的軟硬件出發(fā)，解決方式包括多路冗余控制技術(shù)、機(jī)器人運(yùn)行監(jiān)測(cè)技術(shù)、軟件容錯(cuò)技術(shù)等。

多路冗余控制技術(shù)針對(duì)核心邏輯控制單元或通訊鏈路進(jìn)行軟硬件的冗余設(shè)計(jì)?？刹捎媒M合式實(shí)現(xiàn)方式，即由2個(gè)或以上的單元共同執(zhí)行一個(gè)功能，其框架如圖1所示。為避免共因失效，各單元之間相互獨(dú)立，在監(jiān)測(cè)模塊識(shí)別出其中任一單元故障后發(fā)出報(bào)警[12]。例如在急停安全回路單元中，通常采用信號(hào)雙回路和聯(lián)鎖機(jī)制來(lái)提高可靠性。機(jī)器人主從站通訊單元中，將EtherCAT總線設(shè)計(jì)為雙環(huán)路。雙環(huán)路中任何節(jié)點(diǎn)間線路故障時(shí)，都可自動(dòng)切換成冗余鏈路、形成可靠通訊，從而使機(jī)器人能預(yù)警及安全停車。

圖1 組合式冗余控制框圖

機(jī)器人運(yùn)行監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)交叉校驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在硬件上采用雙處理器形成高安全等級(jí)的主控系統(tǒng),一般包括一主一從2個(gè)處理器，主、從處理器對(duì)關(guān)鍵信號(hào)均進(jìn)行采集和驅(qū)動(dòng)控制。為防止共因失效，主、從處理器獨(dú)立運(yùn)行，兩者之間通過(guò)并行或串行總線進(jìn)行通訊且互相校驗(yàn)是否發(fā)生異常,并實(shí)時(shí)處理異常情況,以保障系統(tǒng)的正常工作。在機(jī)器人控制系統(tǒng)中，也可采用符合SIL4（IEC 61508）和PL=d（ISO 13 849.1）或更高安全等級(jí)的控制器作為監(jiān)測(cè)單元。在軟件上采用心跳監(jiān)測(cè)機(jī)制，實(shí)時(shí)檢測(cè)處理器或任務(wù)程序的狀態(tài)，避免宕機(jī)的處理器或任務(wù)程序不能正常控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡或及時(shí)響應(yīng)安全信號(hào)的處理。若主處理器宕機(jī)，從處理器能自動(dòng)接管控制權(quán)限并執(zhí)行安全處理程序，以確保不會(huì)因主處理器宕機(jī)而引發(fā)安全事故。

以工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的安全監(jiān)測(cè)模塊為例，其框架如圖2所示，主要包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)、位姿監(jiān)測(cè)、安全控制執(zhí)行等部分。工作原理是通過(guò)監(jiān)測(cè)機(jī)器人軸關(guān)節(jié)速度、轉(zhuǎn)矩、位姿等信息來(lái)判斷機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并由安全執(zhí)行模塊進(jìn)行安全等級(jí)的劃分和指令執(zhí)行，從而確保機(jī)器人正常運(yùn)行。

圖2 機(jī)器人安全檢測(cè)模塊

軟件容錯(cuò)技術(shù)指在軟件上設(shè)計(jì)容錯(cuò)策略來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性和可靠性。容錯(cuò)策略包括系統(tǒng)故障識(shí)別與診斷、故障處置和恢復(fù)等[13]。在軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，嵌入相應(yīng)的狀態(tài)信息輸出控制模塊。軟件運(yùn)行過(guò)程中控制模塊將動(dòng)態(tài)輸出必要的狀態(tài)信息，該信息經(jīng)故障識(shí)別模塊處理，再由故障診斷模塊判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障。常見(jiàn)的故障識(shí)別方法有基于心跳檢測(cè)和檢查點(diǎn)檢測(cè)結(jié)合、軟件任務(wù)運(yùn)行狀態(tài)自檢測(cè)等。故障處置與恢復(fù)模塊根據(jù)故障類型、發(fā)生區(qū)域進(jìn)行故障處理與恢復(fù)。

1.2 機(jī)器人操作的安全防護(hù)

機(jī)器人操作安全事故一般是工作人員近距離編程、調(diào)試、測(cè)試、故障排查時(shí)因操作失誤引起。針對(duì)該類安全事故，常用的防護(hù)手段包括在軟件層面限制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)、三段式安全開(kāi)關(guān)、安全等級(jí)權(quán)限管理、自碰撞檢測(cè)算法、參數(shù)合法性檢查算法等。

根據(jù)機(jī)器人的工況和應(yīng)用場(chǎng)景，利用軟件限制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間、功率、關(guān)節(jié)速度、關(guān)節(jié)扭矩、TCP速度、TCP力矩、動(dòng)量等，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人安全運(yùn)行。如設(shè)定機(jī)器人的允許工作空間來(lái)約束機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍，當(dāng)操作人員編程失誤或操作不當(dāng)而發(fā)出錯(cuò)誤指令時(shí)，機(jī)器人控制器可依據(jù)空間限制參數(shù)提前報(bào)警或停止運(yùn)行。而設(shè)置機(jī)器人的允許功率、速度、扭矩、動(dòng)量等參數(shù)，能夠?qū)C(jī)器人限定在相對(duì)安全的狀態(tài)下，減少因操作不當(dāng)造成機(jī)器人對(duì)外界的損害。

三段式安全開(kāi)關(guān)為機(jī)器人使能信號(hào)之一，用力握緊或釋放開(kāi)關(guān)均會(huì)切斷機(jī)器人伺服電源。操作人員一直輕握三段式安全開(kāi)關(guān)，機(jī)器人才能被正常操作。若突發(fā)異常情況，操作員因緊張而釋放或緊握三段式安全開(kāi)關(guān)，都會(huì)切斷機(jī)器人伺服電源，從而起到一定的安全防護(hù)作用。

安全等級(jí)權(quán)限管理指根據(jù)操作內(nèi)容的安全級(jí)別和專業(yè)程度設(shè)定不同的操作權(quán)限。如普通用戶權(quán)限僅能使用機(jī)器人基礎(chǔ)功能，工程權(quán)限可編寫、調(diào)試程序等，管理員權(quán)限則可最大限度操控機(jī)器人功能及系統(tǒng)參數(shù)。

自碰撞檢查算法和參數(shù)合法性檢查算法利用軟件算法對(duì)用戶輸入或調(diào)試的參數(shù)進(jìn)行在線檢測(cè)，以提前識(shí)別出錯(cuò)誤、避免機(jī)器人異常運(yùn)行。

1.3 人機(jī)干涉碰撞的安全防護(hù)

大部分機(jī)器人安全事故是由于人員非法闖入機(jī)器人工作空間導(dǎo)致，因此防止人員非法進(jìn)入能有效降低事故率。常見(jiàn)做法是將機(jī)器人與人員物理隔離，劃分各自的活動(dòng)區(qū)域，避免人機(jī)干涉碰撞。隔離手段一般有物理安全護(hù)欄和基于傳感器技術(shù)的防護(hù)。

（1）物理安全護(hù)欄

物理護(hù)欄是目前預(yù)防人機(jī)干涉碰撞的主流手段。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，結(jié)合機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，劃定機(jī)器人安全工作區(qū)域并安裝圍欄使之與外界隔離。物理護(hù)欄能夠保護(hù)機(jī)器人，有效提升安全等級(jí)。護(hù)欄一般采用金屬材料制造，具有成本低、安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，但護(hù)欄本身需要占據(jù)一定的安裝空間，且二次更改靈活性較差。

（2）基于傳感器技術(shù)的防護(hù)

為克服物理護(hù)欄的弊端，可采用傳感器技術(shù)來(lái)檢測(cè)有無(wú)人員非法進(jìn)入機(jī)器人工作區(qū)域。常用的傳感器包括關(guān)節(jié)力矩傳感器[14]、TCP六維力矩傳感器、本體柔性安全衣[15]、激光雷達(dá)、視覺(jué)傳感器[16]、安全光幕[17]、安全地毯[18]等。不同類型傳感器的防護(hù)特性如表1所示。

表1 不同類型傳感器的防護(hù)特性

關(guān)節(jié)力矩傳感器通過(guò)檢測(cè)機(jī)器人關(guān)節(jié)實(shí)際力矩和期望力矩的偏差來(lái)判斷機(jī)器人與外界是否發(fā)生碰撞。關(guān)節(jié)力矩傳感器結(jié)合機(jī)器人動(dòng)力學(xué)算法可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地識(shí)別出機(jī)器人與外界發(fā)生碰撞的關(guān)節(jié)部位，并能根據(jù)機(jī)器人運(yùn)行工況設(shè)定力矩閾值，具有碰撞檢測(cè)可靠、靈敏的特點(diǎn)，但價(jià)格較高、對(duì)傳動(dòng)剛度有損失，故實(shí)際中未能普及應(yīng)用。

TCP六維力矩傳感器安裝于機(jī)器人工具末端，能夠檢測(cè)工具末端6個(gè)維度的力矩。通過(guò)力學(xué)算法，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人工具末端的碰撞檢測(cè)和防護(hù)。六維力矩傳感器只能檢測(cè)由機(jī)器人工具末端傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的碰撞力矩，防護(hù)范圍較小。

本體柔性安全衣由內(nèi)置壓力傳感器和外層柔軟保護(hù)外殼共同構(gòu)成。機(jī)器人本體在觸碰到人時(shí)，會(huì)立即安全地自動(dòng)停止。同時(shí)其柔軟的外罩殼可以緩和沖擊力，保證人員不會(huì)受到傷害。日本發(fā)那科、三菱公司均有推出該類機(jī)器人。這種傳感器對(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行了全包裹防護(hù)，是一種可靠性較高的防護(hù)方式。但因其安裝部署和關(guān)節(jié)走線的不便，在工業(yè)中未能推廣應(yīng)用。

激光雷達(dá)和視覺(jué)傳感器屬于主動(dòng)式檢測(cè)傳感器，在未發(fā)生人機(jī)干涉碰撞之前即可檢測(cè)出人員非法闖入的行為，并可設(shè)定多級(jí)安全報(bào)警區(qū)域。但該類技術(shù)需要過(guò)濾機(jī)器人本身的運(yùn)動(dòng)區(qū)域，算法實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。

安全光幕利用“光幕技術(shù)”模擬物理護(hù)欄，包括激光發(fā)射器和接收器，根據(jù)人機(jī)交互的區(qū)域進(jìn)行安裝。安全地毯與安全光幕類似，人員一旦踩踏到地毯立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，如ABB公司推出的“Safe Move（機(jī)器人安全區(qū)域控制技術(shù)）”。這兩類傳感器安裝簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低，因而應(yīng)用較廣。

2 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

為充分發(fā)揮機(jī)器人的效率和人類的智能，近年來(lái)人機(jī)協(xié)作逐漸成為工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展新趨勢(shì)。在很多機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景下，人們需要間歇或連續(xù)與機(jī)器人緊密合作，例如為機(jī)器人補(bǔ)料、更換程序和檢查運(yùn)行狀態(tài)等。人機(jī)協(xié)作對(duì)于提高制造靈活性以適應(yīng)高混合、小批量、多品種生產(chǎn)至關(guān)重要。而人機(jī)協(xié)作必然要求人類與機(jī)器人共處同一空間，此時(shí)可靠、靈活、智能的人機(jī)安全防護(hù)技術(shù)顯得尤為重要。

賦予工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)和觸覺(jué)，采用基于多傳感器融合的安全防護(hù)系統(tǒng)，將大大提高機(jī)器人安全防護(hù)能力。

基于機(jī)器視覺(jué)的安全防護(hù)技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整監(jiān)控區(qū)域，完成區(qū)域分級(jí)報(bào)警任務(wù)。同時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，智能預(yù)判事故的發(fā)生，并通過(guò)對(duì)機(jī)器人的控制，確保人員和設(shè)備的安全。這種方法克服了傳統(tǒng)安全防護(hù)措施安裝不便、改造困難、靈活性和適應(yīng)性差等問(wèn)題，如若優(yōu)化算法設(shè)計(jì)，則應(yīng)用前景廣闊。

基于新的敏感表面技術(shù)的機(jī)器人觸感系統(tǒng)具有接近、接觸和壓力測(cè)量能力。其表層為柔軟的塑料或軟膠材料且內(nèi)層覆蓋高密度傳感器，可實(shí)現(xiàn)最大20 cm的非接觸式感應(yīng)距離，具有高可靠性和魯棒性的檢測(cè)能力。該技術(shù)不僅可用于干涉物安全檢測(cè)和報(bào)警，還能使機(jī)器人在變化的環(huán)境中實(shí)時(shí)調(diào)整其運(yùn)動(dòng)，以提高操作安全性、適應(yīng)性以及與操作人員的緊密協(xié)作。

視覺(jué)和觸覺(jué)技術(shù)在安全性、靈活性、適應(yīng)性、速度和生產(chǎn)率方面為機(jī)器人提供了卓越的性能，為進(jìn)一步研究提供方向。

3 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)器人安全性是一項(xiàng)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)特性和性能指標(biāo)。本文分析了造成機(jī)器人安全事故的根源，對(duì)國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人安全防護(hù)技術(shù)作了有益探索，并展望了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的不斷深化，工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于各生產(chǎn)領(lǐng)域，而總結(jié)、學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外在機(jī)器人安全防護(hù)方面的研究成果和應(yīng)用案例，有助于提高我國(guó)機(jī)器人的安全水平、推動(dòng)智能制造進(jìn)程。