讓機器人更安全（三）- 如何定義人機協作行為？

人機協作機器人的重點在於「協作」，那什麼是協作呢？如何定義這種行為？

建議首先閱讀本系列的前兩篇，本文中會引用之前的一些概念和內容。

寫在前面

在市場上銷售的機器人必須要遵守各種各樣的設計與安全規範，對於協作機器人來講最重要的一個規範莫過於在2016年3月份最新發布的《ISO 15066 Robots and robotic devices — Collaborative robots》，以下簡稱ISO 15066。

在ISO 15066發布之前，並沒有專門針對協作機器人的規範，廠商多採用ISO 10218中的相關條款作為設計參考，但是10218中的與協作機器人相關的內容比較簡單，指導性不強。

ISO 15066的出現，為機器人行業解答了以下幾個問題：

1. 如何定義人機協作行為？

2. 如何量化機器人可能對人造成的傷害？
3. 在以上基礎上，對協作機器人的設計有什麼要求？

誰應該閱讀ISO 15066？

• 機器人製造商
• 系統集成商
• 工具製造商
• 生產管理人員
• 應用工程師

由於整個規範的篇幅較長，且規範性的文章比較枯燥，為了不至於讓各位看著瞌睡，我們把該規範拆成2~3篇文章進行介紹，本篇首先介紹第一個問題。

如何定義人機協作行為？

1、協作對象

由於現在的機器人無法獨立完成任務，必須安裝適當的末端工具，增加必要的外部輔助設施以構成機器人工作站才能正常工作，因此當我們說協作時，並不是機器人（Robot）與人之間的協作，而是機器人系統（Robot System）與人之間的協作。

機器人系統（Robot System）的概念中包括：

• 工業機器人（Industrial Robot）；
• 末端執行器/工具（End-effector(s)）；
• 其他用來支持機器人完成任務的感測器、設備、機械設施以及外部軸等；

在任何一個有關機器人安全的規範中，對於風險評估（Risk Assessment）環節的描述，其對象都是機器人系統，這個要求對於協作機器人來講也是一樣的。例如，如果在協作機器人末端安裝一把尖刀用於切割，雖然機器人是相對安全的，但是所使用的工具非常危險，對於一個機器人系統來講，就很難符合人機協作的要求。

對整個機器人系統進行安全評估的工作大部分應由集成商來完成，感興趣的知友可以參考ISO 10218-2中的相關規定，本文接下來的內容將主要關注機器人自身的協作功能。

需要強調的是，協作機器人並不是無條件安全的，在使用之前必須要進行風險評估，以確定合適的防護措施，以UR為例，在經過符合規定的風險評估後，也只有約80%的情況下不需要使用額外的安全防護措施：

Around 80% of the 6 axis UR robots worldwide operate with no safety guarding after initial risk assessment.

2、協作方式

當我們提起人機協作，首先想到的是UR、iiwa、sawyer這樣身材纖細、造型現代的輕型機器人，但實際上人機協作並不是協作機器人的專利，傳統機器人也可以執行協作任務。

在較早的ISO10218中，按照協作程度從低到高，提出了四種人機協作方式（Methods），分別是：

1. Safety-rated monitored stop （安全級監控停止）

2. Hand guiding （手動引導）
3. Speed and separation monitoring （速度和距離監控）
4. Power and force limiting （功率和力限制）

ISO 15066針對這四種方式在功能描述（Requirements）、實施細節、狀態轉換（Transitions）等方面進行了細化。

傳統機器人在配備合適的安全控制器/安全選項的情況下，可以實現1~3的協作功能。對於第4種，由於產品設計原因，一般很難實現（這個往後第二篇再講。。。）

Safety-rated monitored stop （安全級監控停止）

這是最基礎的協作方式，即當人員進入協作區域時，機器人停止運動，並保證安全的靜止，以便操作人員執行某些操作（例如往機器人上安裝需要加工的工件，更換機器人所用的工具等）；當人員離開協作區域，機器人可以自動恢復正常運行（non-collaboratively），見下圖：

看起來挺複雜，但實際上只需要注意上圖中的兩個紅色區域即可，即當操作人員和機器人同時處於協作區域時，機器人必須保證靜止。

Hand guiding （手動引導）

手動引導是稍微高級一些的協作方式，類似於現在的拖動示教。在手動引導模式下，操作員通過一個手動操作的裝置（hand-operated device） 將運動指令傳送給機器人系統。在操縱員被允許進入協作區域並執行手動引導任務之前，機器人應已經處於安全級的監控停止狀態。操作員通過手動操縱安裝在機器人末端或者靠近機器人末端執行器的引導裝置來控制機器人完成任務。

手動引導的操作流程如下：

1. 機器人進入協作區域並觸發安全級的監控停止，為手動引導做好準備--這之後操作員被允許進入協作區域；
2. 當操作員開始使用手動引導裝置控制機器人時，安全監控停止接觸，操作員開始引導機器人工作；
3. 當操作員釋放手動引導裝置時，應觸發安全監控停止；
4. 當操作員離開協作區域時，機器人系統可以恢復到非協作模式。

如果操作員進入到協作區域時，機器人系統還沒有為手動引導做好準備，則應觸發一個保護停止（Protective Stop） 。

Speed and separation monitoring （速度和距離監控）

在這個模式下，允許機器人和人員同時出現在協作區域中，但是需要機器人與人員保持一個最小的安全距離。當二者之間的距離小於安全距離時，機器人立刻停止。人員離開後，機器人可以自動恢復運行，但仍然需要保持最小安全距離。如果機器人降低了移動速度，則安全保護距離也可相應地縮小。

速度和距離監控適用於協作區域內所有的人員。如果保護措施的性能受協作空間內人數的限制，則應在使用說明中註明允許的最大人數是多少。當超過該數字時，應觸發保護停止（Protective Stop）。

當機器人系統中某個危險部件與任何人員之間的距離小於安全距離時，機器人系統應：

• 觸發保護停止；
• 觸發與機器人系統相連的安全級功能（例如關閉所有可能導致危險的工具）；

機器人可使用的降低違反安全距離風險的方法包括但不限於：

• 降低速度，然後可能會切換到安全的監控停止狀態；
• 選擇一個不會違反最小安全距離的路徑，在保持速度和距離監控功能激活的情況下繼續運動；

當實際的距離達到或者超過最小安全距離時，機器人可恢復到正常的運動狀態。

最小安全距離的計算方法可參考ISO 13855，具體計算公式比較複雜，可參考英文原版中P12~P14。

這種協作方式的實現依賴於外部的感測或者探測手段，受限於成本/性能的限制，實際應用並不太多。

Power and force limiting （功率和力限制）

（iiwa可以檢測到外圍的碰撞或者擠壓，在裝配時不會由於人員的意外介入對人體造成傷害）

（在實驗中，具備高級碰撞檢測功能的KUKA iiwa，在末端安裝了匕首之後，可以在不刺傷人的情況下安全停止）

上面提到的三種協作方式從某種意義上說更像是一種被動手段（雖然嚴格意義上將並不是被動的），而真正讓協作機器人獲得快速發展的，是第四種更為本質、更為高級、更為安全的協作功能，即對機器人本身所能輸出的能力和力進行限制，從根源上避免傷害事件的發生。

此外，上述三種方式並不允許人與機器人進行直接接觸（Physical Contact），而在該模式下，允許機器人系統（包括工件）與人體之間發生故意或者無意的物理接觸。

接觸情形（Contact Situations）

在該模式下，操作人員與機器人系統的接觸可能發生的情況如下：

1. 有計劃的接觸，屬於整個應用的一部分，；
2. 意外的接觸情形，可能是由於沒有遵守操作步驟導致的，但是沒有技術故障（technical failure）；
3. 模式失效導致發生接觸；

在運動的機器人部件和人體不同區域之間可能的接觸又可以分成兩種：

• 准靜態接觸（Quasi-Static Contact）：這種情況一般是指人體被機器人和其他部件夾在中間。此時，機器人系統會向被夾住的人體施加一個持續的力，直到該狀態被解除。
• 瞬態接觸（Transient Contact）：也被稱作動態衝擊（Dynamic Impact），指人體被機器人系統的移動部件所撞擊，且人體不會被機器人系統夾住或者困住，由此導致一個短時的實際接觸；瞬態接觸依賴於機器人慣性、人體慣性以及二者之間相對運動速度的組合。

（沒有找到非常合適的圖片，上圖中前者可看做瞬態接觸，後者可看做准靜態接觸）

對機器人所輸出的功率和力進行限制，可以保證人在機器旁邊安全的工作，同時不降低機器人的工作效率，不增加應用成本，這是當前主流協作機器人都（應）具備的重要功能。

ISO 15066引用的其他規範

• ISO 10218-1:2011, Robots and robotic devices — Safety requirements for industrial robots — Part 1: Robots
• ISO 10218-2:2011, Robots and robotic devices — Safety requirements for industrial robots — Part 2: Robot systems and integration
• ISO 12100, Safety of machinery — General principles for design — Risk assessment and risk reduction
• ISO 13850, Safety of machinery — Emergency stop function — Principles for design
• ISO 13855, Safety of machinery — Positioning of safeguards with respect to the approach speeds of parts of the human body
• IEC 60204-1, Safety of machinery — Electrical equipment of machines — Part 1: General requirements

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