協(xié)作機(jī)器人在檢測平臺上的安全控制

毛久勇

（國家電投集團(tuán)遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保催化劑有限公司，重慶 401336）

工業(yè)機(jī)器人在全球制造業(yè)得到廣泛應(yīng)用。這么多年，人們一直在研究避免機(jī)器人和其周圍的設(shè)備可能對工人造成的危害。常規(guī)的措施會將機(jī)器人鎖在安全防護(hù)欄內(nèi)，預(yù)防機(jī)器人和工人接觸[1-3]。然而，協(xié)作機(jī)器人則需要和工人在同一區(qū)域共同參與組裝工作，因為工人和機(jī)器人在一天中會有很多合作，協(xié)作機(jī)器人的出現(xiàn)使得常規(guī)的安全防護(hù)失去意義，工人的安全問題得依靠傳感器和控制程序來解決[4-7]。

1 工作原理

檢測員位于檢測平臺安全區(qū)域時，機(jī)器人負(fù)責(zé)將傳輸皮帶A上的產(chǎn)品搬運(yùn)到檢測平臺位置1處，放好產(chǎn)品后機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)到安全位置等待運(yùn)行命令。檢測員前往檢測平臺檢測產(chǎn)品的質(zhì)量，檢測完成后將產(chǎn)品放到檢測平臺位置2處，然后檢測員后退離開檢測區(qū)域。檢測員進(jìn)入安全區(qū)域后，機(jī)器人運(yùn)行到檢測平臺位置2處，將產(chǎn)品搬運(yùn)到傳輸皮帶B上。檢測員和機(jī)器人不斷地重復(fù)整個工作過程。檢測平臺工作流程如圖1所示。

在機(jī)器人區(qū)域中，有兩個區(qū)域需要工人和機(jī)器人都參與工作，而不是同時參與。這對于工業(yè)機(jī)器人來說是一個復(fù)雜部件。可以用一個安全光幕進(jìn)行區(qū)域掃描，監(jiān)控人類員工的位置，當(dāng)工人進(jìn)入特定區(qū)域時不讓機(jī)器人進(jìn)入。

圖1 檢測平臺工作流程圖

2 控制系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)組態(tài)西門子S7-300PLC為主站，ABB公司IRC5系列6640機(jī)器人為DP從站，主從站之間采用西門子的Pro-Bus總線通信[8]。控制系統(tǒng)硬件組態(tài)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)圖

3 I/O分配

ABB機(jī)器人通過總線適配器DSQC667連接到主站CPU，西門子PLC的組態(tài)中為機(jī)器人分配了兩個字的I/O地址，主站PLC通過輸出地址Q256.0-Q259.7對機(jī)器人進(jìn)行控制，通過總線傳送到機(jī)器人的輸入信號BOARD11地址0-32；機(jī)器人的輸出指令為BOARD11上0-32位地址，通過總線傳送給主站PLC的I256.0-I259.7地址區(qū)。I/O分配情況見表1。

表1 I/O分配表

4 程序設(shè)計

4.1 主站PLC程序設(shè)計

根據(jù)檢測員和機(jī)器人的整個工作流程，設(shè)計了主站PLC程序。設(shè)備處于自動模式且緊急停止沒有被按下時，檢測員在檢測平臺位置檢驗產(chǎn)品的過程中，腳下的安全地墊和檢測平臺位置的安全光幕信號處于導(dǎo)通，這時機(jī)器人的運(yùn)轉(zhuǎn)使能信號處于斷開狀態(tài)；相反，檢測員檢測完產(chǎn)品回到安全位置的安全地墊上，主站發(fā)送信號允許機(jī)器人運(yùn)行。主站PLC程序圖如圖3所示。

圖3 主站PLC程序圖

4.2 ABB機(jī)器人程序設(shè)計

主站PLC的輸出信號Q256.0通過總線傳送到機(jī)器人的使能運(yùn)行輸入信號 I_RobotRunEnabling，根據(jù)機(jī)器人運(yùn)行的安全流程，在機(jī)器人主程序中加入中斷程序監(jiān)控指令，機(jī)器人檢測到輸入信號I_RobotRunEnabling為低電平時觸發(fā)中斷程序，機(jī)器人執(zhí)行中斷程序中的停止命令和等待運(yùn)行命令。當(dāng)機(jī)器人輸入信號 I_RobotRunEnabling為高電平時，機(jī)器人程序指針離開中斷程序恢復(fù)正常的邏輯運(yùn)行[9-11]。機(jī)器人中斷程序如圖4所示。

在機(jī)器人程序編輯器中創(chuàng)建中斷連接程序PROC LinkIR()，定義輸入信號I_RobotRunEnabling對應(yīng)的中斷名稱為IR_RobotRunEnable，定義中斷名稱 IR_RobotRunEnable連接中斷陷阱程序T_RobotRunEnable，中斷子程序T_RobotRunEnable寫入機(jī)器人停止命令和等待運(yùn)行命令。創(chuàng)建一個子程序PROC IWatchIRs()，該程序用于打開中斷監(jiān)控，然后在主程序 main()中調(diào)用子程序 PROC IWatchIRs()，當(dāng)機(jī)器人輸入指令I(lǐng)_RobotRunEnabling為0時，機(jī)器人立即停止；反之，機(jī)器人運(yùn)行。

5 結(jié)論

將協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用于人工檢測平臺完成工作的想法，最初在負(fù)責(zé)工作安全的人看來是很復(fù)雜的。但是將操作分解到不同的順序步驟后，整個過程就變得可以管理，也相信了協(xié)作機(jī)器人的安全性。協(xié)作機(jī)器人在檢測平臺上的安全控制在實(shí)際中得到了應(yīng)用，實(shí)踐證明效果好，安全可靠性高。最大的優(yōu)點(diǎn)是減少了工人的人員配置，并降低了工人的勞動強(qiáng)度。

圖4 機(jī)器人程序

[1] 戈斌斌, 毛新軍. 基于行為檢測的機(jī)器人安全保護(hù)方法[J]. 計算機(jī)科學(xué), 2016, 43(8)： 183-189.

[2] 林遠(yuǎn)長, 陳震宇, 徐澤宇, 等. 對現(xiàn)行GB/T 20867—2007《工業(yè)機(jī)器人安全實(shí)施規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)的分析及修訂建議[J]. 中國標(biāo)準(zhǔn)化, 2015(12)： 108-112.

[3] 貝加萊工業(yè)自動化(上海)有限公司. 機(jī)器人安全技術(shù)[J]. 國內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù), 2015, 18(5)： 29-31.

[4] 姜華. 協(xié)作機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 北京：北方工業(yè)大學(xué), 2017.

[5] 張浩. 地面移動機(jī)器人安全路徑規(guī)劃研究[D]. 蕪湖：安徽工程大學(xué), 2015.

[6] 吳國魁. 工業(yè)機(jī)器人的碰撞辨識與安全控制[D]. 福州： 福州大學(xué), 2014.

[7] 賈菁輝. 移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃與安全導(dǎo)航[D]. 大連： 大連理工大學(xué), 2009.

[8] 劉華波, 何文雪, 王雪. 西門子S7-300/400PLC編程與應(yīng)用[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 2012.

[9] ABB. Instructions R. Functions and data types[Z].2011.

[10] ABB. RAPID語言概覽[Z]. 2015.

[11] ABB. RAPID語言內(nèi)核[Z]. 2015.