人机协作安全解决方案

人机协作(HRC)描绘了人与自动化机器共享同一工作区并在其中同时工作的场景。在工业4.0的推动下，该合作模型保证了高度灵活的工作流程、极高的系统可用性与生产力及经济效益。

工作流程灵活化是工业4.0的一大主题，该主题已延伸至在大批量工业生产条件生产相同规格的产品，产品和生产流程通过现代信息与通信技术相融合的“智慧工厂”(SmartFactory)，一方面采用智能化和自主化的机器；另一方面工业生产中的人机互动的频率有所增加——人的能力与机器人的能力相结合，可形成工作循环更佳、质量更好并且成本效率更高的生产解决方案。同时，与人互动的自主式机器人需要有效支持生产流程灵活化的新型安全理念。

近年来，驱动系统控制和物体检测应用在工业自动化领域取得了重大进展，为人机协作的新时代铺平了道路。人机协作是一种质量更高、成本更低、工作周期更快的生产解决方案。然而在人机协作的前提下，用传统的物理隔离方法将处于危险中的人与危险源分离并不可行。SICK作为安全领域的专家，及安全委员会的标准制订者之一，一直引领着安理念发展的前沿，数十年来一直专注于人机协作安全解决方案的开发与应用。

如何有效地降低人机协作的风险？

根据人机合作方式，有不同的自动化形式。在实现全面协作（人与机器人共用同一工作区并同时工作）的过程中，需要解决共存、配合、协作等问题，为此不仅需要对机器人应用进行广泛了解，还需要有风险评估方面的专业知识和相应的安全解决方案相组合。在典型的人机协作型场景中，传统的共存型或合作型安全检测解决方案已无法再满足需要——如今必须根据实际危险程度来监控和限制机器人的力量、速度和行进路线，并在必要时使其停止。因此，人与机器人之间的距离成为极其重要的安全相关参数。

共存——联锁装置

在通常不需人为干预的工业机器人应用中，操作者有时需要进入机器人的工作区域，例如进行检查或维护。此时，工作区域须使用栅栏隔开，防护门必须联锁。联锁装置须确保每当操作者进入危险区域时，机器人的相关功能都已关闭，并且当人员留在危险区域内或防护门打开时，必须保持联锁状态。

合作——SICK安全光幕/安全扫描仪

涉及操作者装载和卸载机器人单元的过程是工业机器人较常见的应用。在类似场景中，操作者和机器人在不同的时间与相同的工作区域中完成必要过程。根据装载和卸载系统的设置方式，可使用SICK安全光幕/安全扫描仪结合SICK安全控制器进行人员检测与防护。

协作——安全装置、监控、检测

在某些应用中，人和机器人必须同时在相同工作区域中进行交互。在“协作”的场景中，机器人的力量、速度和运动路径必须受到限制。

①需使用固有或其他的安全装置、例如通过驱动器或系统控制器的安全相关部件的性能来限制扭矩，以将风险降至最低。

②根据实际的风险程度对力量、速度和移动路径进行安全监控。这种危险程度还取决于人和机器人之间的距离。

③要求具有可靠的传感器，如SICK安全光幕/安全激光扫描仪，能够检测人的存在或确定人向危险区域移动的速度及其距离。

协作操作模式——根据ISO10218–2与ISO/TS15066

不同的人机协作工作站硬件或软件参数设置都是不同的，即使所使用的机器人是专门为人互动而开发，也需要单独评估人机协作应用的风险——这样的“协作机器人”从基本设计上便呈现诸多固有安全的结构特点。同时，协作空间范围也有基本的要求，例如与相邻的工作区域、存在挤伤或夹伤危险的可进入区域需要保持的最小距离。IEC61508、IEC62061和ISO13849-1/-2等通用标准构成人机协作应用功能安全的规范性依据。此外，还应考虑到涉及工业机器人安全的ISO10218-1/-2和有关协作型机器人的ISOTS15066。机器人系统的开发商和集成商不仅要仔细检查机器人制造商采取的结构性防护措施是否符合标准，还要评估到可能残余风险和危害。为此，应当根据ENISO12100对机器人系统及其运动过程和预定协作区进行风险评估，从中得出相应安全措施——例如按照ISO/TS15066选择相应的协作模式。

•监测安全停止

•在协作区域内，监控与操作者协作的机器人的停止状态，机器人驱动器可保持通电状态。

•手动引导控制通过手动引导来控制机器人的速度，确保人与机器人协作的安全性。

•力量和扭矩限制——协作之路

通过将力量和扭矩限制在不会发生伤害和风险的预期值，来实现必要的安全性。基于有限力量和扭矩的应用需要专门为这种操作模式设计的机器人。技术规范ISO/TS15066规定了机器人与身体部位碰撞时不得超过的最大值（生物机械负载限制）。

•距离和速度监测——未来

机器人的速度和移动路径（轨迹）根据操作者在保护区域中的速度和位置来进行监视和调整。

（注：以上模式可单独或组合使用。）

安全协作模式的验证

风险评估

如今，市场上有各类机器人，从标准的工业机器人到专为协作操作而设计的机器人（协作式机器人或“Cobots”）。无论何时将机器人集成到系统中，都必须对整个机器人系统进行风险评估，以便于采取措施降低风险。即使机器人已经具有降低风险的设计特征，也必须进行风险评估。

降低风险

通常用于协作机器人应用的固有安全解决方案包括：

•限制最大力量或扭矩

 •优化机器人装置，以减少压力冲击或碰撞力的传递（例如，机器人表面，吸能衬垫等）

然而，这些固有安全方案的有效性可能会由于协作工作区域内的机器人工具、工件或其他机器的设计而降低。此时可以使用附加的安全装置来解决这个问题，比如：

•通过控制系统的安全相关部分来限制功率（扭矩）、力量或速度；

•使用压敏保护装置（PSPE）或光电保护装置，如SICK安全光幕/安全扫描仪来停止或反转机器人的运动。

小结

未来，人和机器人将在需要高度灵活性的自动化应用（例如，在定制化的小批量生产）中更加紧密地工作。人工装配操作正逐渐被人机协作所取代。ISO/TS15066的设计原则补充了ISO10218-1/2已经制定的要求，并为协作机器人应用的设计奠定了良好的基础。目前市场上的产品和设备仍无法完全满足安全无阻碍的人机协作应用的全部要求，新型传感器和机器人技术以及智能控制系统的发展是未来协作机器人应用的基本要求。