協作機器人安全性的發展與實現綜述

李鴻濤，陳軍偉

（武漢工程大學機電工程學院，湖北武漢 430000）

0 引言

工業機器人在傳統制造模式中占據重要地位，其被應用在獨立的場地環境與工作人員隔離，而隨著社會的發展，機器人與人之間更復雜靈活的交互協作要求的提升，協作機器人應運而生。隨著對協作機器人的不斷研究，其便捷性和靈活性不斷提高，與人的協作工作將其優勢體現得淋漓盡致，在越來越多的領域得到發展。在這個過程中，協作機器人的安全性始終放在第一位。相對于傳統工業機器人，協作機器人與人們共享工作空間，沒有“柵欄”約束的機器人增加了人們發生的安全風險的可能性，因此，協作機器人需要有效的解決方案，保證機器人在與人協作過程中不會傷及人類[1]。本文圍繞協作機器人安全性問題，對協作機器人安全性實現的解決方法進行闡述。

1 協作機器人

協作機器人作為一種新型機器人，相較于傳統的工業機器人，其特點在于與人類協同辦公，其應用領域眾多，在智能制造、家庭服務、教育學習等領域有著良好的發展前景。其造型與傳統工業機器人相仿，但是體積較小，重量較輕，更便于部署安裝，操作也更簡單靈活，即使負載不大也能滿足與人之間的協作要求。

隨著協作機器人領域技術的發展，國內外眾多機器人廠商陸續發布了自己的機器人產品。在國外，Universal Robots（優傲機器人）在2008 年推出了全球首款協作機器人UR5，其質量較輕、體積較小、精度較高，在全球受到廣泛認可（圖1），后又陸續推出UR10、UR3，近年來的E 系列的機器人精度更高交互更安全；知名的機器人四大家族Fanuc、Yaskawa、Kuka 以及ABB 也均有各自品牌下的協作機器人；Franka Emika的Panda 的所有關節均安裝扭矩傳感器，擁有精準卓越的力控制。在國內，隨著國家政策的大力支持，國內的協作機器人也得到了良好的發展，為國產陣營注入活力[2]。例如，新松的SCR5 七自由度單臂機器人，遨博的AUBO i5，節卡的JAKA zu3，艾力特的EC612，大族的Elfin 等，相信未來會有更多的協作機器人出現在工業、商業以及生活服務中。

圖1 全球首款協作機器人UR5

2 協作機器人安全標準

隨著機器人被廣泛應用于各個領域，它的制造與使用也必須遵循相應的標準和規則，其意義在于為各廠家提供明確統一的執行標準，使得用戶與廠家之間的責任劃分明確，利于市場的有序和產品的全球化。

傳統工業機器人標準ISO 10218 發布于2006 年，并在2011 年重新修訂為ISO 10218：2011，更適用于傳統工業機器人，其中早已出現協作相關的定義，但是隨著越來越多協作機器人的實際應用，越來越多的安全問題凸顯出來，不能使用該標準評判協作機器人的安全性。所以在2016 年發布了ISO/TS 15066，作為ISO 10218 的增添與補充，為協作機器人的操作提供了安全規范。

ISO/TS 15066 中對人機交互協作安全做出了明確的安全準則：①安全級監控停止，通過相機、激光雷達等進行監控協作空間內操作人員的有無進行機器人的啟停操作；②手動引導，機器人的運動依靠操作人員的牽引實現，機器人的運動使能以及速度均由操作人員控制；③速度和距離監控，操作人員與機器人同處協作空間時，機器人與操作人員之間的距離在任何時刻均應大于安全距離，而機器人速度降低時，安全距離也相應減小；④功率和力限制，操作人員與機器人產生接觸時，通過對機器人的功率和力進行限制以減小對人員的沖擊，避免危險的發生。

3 安全性的技術實現

隨著協作機器人切實融入人類工作與生活的各個方面，機器人安全性方面也有了長足進步，從本體設計到機器人控制，再到發生碰撞時的檢測與應對均有多種解決方案，這些方案在一定程度上解決了協作機器人的安全性問題。

3.1 本體設計

機器人的結構的柔性設計可以降低機器人與外界事物產生碰撞時的傷害與危險，不管與其產生碰撞的是障礙物還是操作人員都行之有效。目前的柔性設計存在兩種方式：①軟體機器人；②驅動器柔性設計。第一種軟體機器人更多的是仿照自然界一些生物的外形進行設計，其完全由柔性材料構成，沒有多余的硬件結構，這種機器人擁有優秀的環境適應能力、極高的安全性、良好的交互性。但是這類機器人的運動學和動力學分析過于復雜，精準控制難以實現，目前還不適用于大規模的生產與使用。第二種即為柔性驅動器，這也是目前主流的設計方式，在驅動器中安裝儲能元件如彈簧、彈性元件等，這些元件的加入使驅動器有了可變剛度的特性；安裝耗能元件如阻尼器、磁流變流體等消除驅動器受沖擊時產生的長時間的振動[3-5]。目前柔性驅動器的種類有串聯彈性驅動器、變剛度驅動器、變阻尼驅動器、變慣量驅動器等。

機器人的本體設計從一開始就決定機器人的應用場景與性能，盡管在強度方面人類相較于機器人仍是劣勢地位，但經過柔性設計的機器人還是能夠在一定程度上減小碰撞發生時對人類造成的傷害。

3.2 機器人控制

協作機器人本就是與人類在共享空間中進行協同作業而存在的，必定會存在與人類共同動作的情況，在這種情況下協作機器人優良的控制性能夠滿足人類辦公的需要，同時也能更好地確保安全性的實現。

3.2.1 視覺伺服

視覺伺服控制系統主要包括視覺系統、機器人控制系統以及機器人結構系統。顧名思義，視覺伺服就是以相機收集到的環境圖像為原始數據進行處理，處理后的信息可以作為機器人判定自己所處環境中的位置或判斷與周圍障礙物相對位置，機器人利用這些信息完成自身的運動控制，實現軌跡規劃、避障、完成指定位姿等行為。目前視覺伺服應用廣泛，但均為基于位置的視覺伺服、基于圖像的視覺伺服或混合視覺伺服。隨著計算機的發展與各種高精度相機的出現，視覺伺服也得到了廣泛發展。MARUTHUPANDI A 等[6]將PID 控制與視覺伺服相結合，實現了對機械臂的位置跟蹤；KEIGHOBADI J 等[7]在他們的研究中加入了自適應控制算法，與基于位置的視覺伺服相結合，有效保證伺服系統的可靠性與適應性。

3.2.2 多模態融合技術

隨著傳感器技術的迅速發展，機器人獲取外界信息的方式也迅速增多，同樣一個事物，機器人可以通過視覺去看到，通過觸覺去感知到。而隨著技術的發展與要求的提升，單一的渠道獲取的信息已經不足以讓機器人實現更高的性能，多模態融合技術的概念也隨之被提出。模態即為機器人收集數據的一種方式，多模態即為機器人同時擁有多種類型傳感器，將這些傳感器采集的信息進行處理與融合，增強機器人環境的感知，對提高機器人安全性有重要意義。Zhang 等[8]針對材料感知方面的難題，提出融合視覺和觸覺兩個模態的框架，增加終身學習的背景，解決視覺與觸覺之間模態不同的障礙，提高材料感知能力。隨著深度學習的興起，模態的普適性經過深度學習總結為多模態融合的常用公開的數據集，如M2VTS 數據集[9]。

3.2.3 高精度控制

協作機器人通常采用柔性設計，但是結構柔性容易導致形變以及振動，這在實際應用中引起更多復雜問題，增加了上層運動控制的復雜性，即便有確定的控制方案，實際應用環境中的干擾因素也會使機器人的控制策略失效。因此如何實現機器人的高精度控制不僅僅是在協作機器人領域，只要采用柔性設計的機器人都需要考慮這個問題。

3.3 碰撞檢測

協作機器人與操作人員共享同一工作空間時，如何判斷機器人與人之間的距離是安全距離而有效避免發生碰撞一直是人機交互過程中需要解決的問題。實際上碰撞檢測可分為兩種情況：①碰撞未發生；②碰撞已發生。分別考慮機器人如何避免與人類發生碰撞，以及必要或非必要的碰撞發生時機器人的處理方法。從ISO/TS 15066 中的4 種安全標準也可以看出，前3 條標準即為防止機器人與人發生碰撞，真正區分協作機器人與傳統工業機器人的是第4 條。前3 條即便是傳統工業機器人具備一定的條件，經過一定設施的加裝也能夠實現安全距離的控制，第4 條從更底層的邏輯上實現機器人與人發生碰撞時如何減小對人產生的沖擊。

目前實現安全距離控制的方法大多通過非接觸式傳感器進行環境感知實現，當檢測到操作人員進入共享空間時，機器人的速度將降低甚至停止；與此同時，操作人員的行為也同時會被機器人預測，降低與其發生碰撞的可能性。當碰撞發生時，不管是必要的還是非必要的，機器人進行相應的操作保護碰撞人員，首先就是本體設計，本文3.1 已經對其進行了介紹，其次在控制方面碰撞處理方法即碰撞識別與控制。機器人與操作人員發生碰撞時首先判定發生碰撞的位置以及力的大小，在這方面更多的是機器人立即停止，但是如果此時操作人員處于不利位置如死角位置，操作人員很難進行接下來的自救行動，所以更加人性化的應該是實現機器人的柔順控制。

4 結語與展望

本文首先簡單介紹了協作機器人的發展現狀以及國內外在協作機器人領域發展較好的廠商與產品；其次，對傳統工業機器人的安全標準以及針對協作機器人增加與補充的內容進行了簡單介紹與描述，區分協作機器人與傳統工業機器人之間的不同特征；最后，針對協作機器人安全性的實現，從本體設計、機器人控制以及碰撞檢3 個方面進行闡述。

毫無疑問，機器人從工業邁進服務業最終走進人類生活是必然的結果，機器人將成為人類生活的好幫手，只是目前安全性不足以及機器人門檻較高，遙想計算機剛出現的時候也是有著很大的局限性，但隨著科技的發展進步也成功走進家家戶戶。人機共融是未來機器人發展的方向，協作機器人的出現預示著這條道路的開始，雖然目前距離協作機器人的廣泛普及還有很長一段路要走，但相信經過從業人員的努力，協作機器人的安全性這一步一定能夠堅實地踏出。