最近一年人机协作机器人大火。

过去人们一直苦恼于机器人概念虽好,却难以广泛应用的难题。全世界的机器人加起来不过几十万台量级。这怎么都不像一个大市场。

人机协作仿佛一把金钥匙,打开了另一扇门:只要我们能实现安全的机器人,使得人机共存,机器人应用的障碍就会被解除,巨量市场瞬间就会爆发出来。

Really?人机协作究竟是什么天外飞仙?

人机协作机器人(Collabrotive Robot)的概念其实非常早就已经出现。

机器人相比人类在功率,重复性等方面具备极大的优势,因此在汽车等工业领域广泛应用。 但绝大部分机器人都是”开环控制系统”,几乎没有系统反馈如触觉,听觉,视觉等。 完全是一个没有灵魂的野兽。为了保护操作员,机器人必须被关在笼子里面。这很正常,几乎所有的大功率设备都会有防护措施:汽车引擎有发动机舱隔离,机床有金属外壳隔离。机器人在工作的时候必须被封闭围栏保护起来。

有些工作如上下料,如果物料不规整,机器人就不好取放。通过视觉等手段代价太高,或技术上不可行(乱序抓取,多种类物料抓取)。用人工上下料更为经济。但安全规范要求以下流程:

  1.   进入机器人工作区域前,手动机器人停机
  2.   操作员进入机器人工作区间
  3.  完成上下料工作
  4.  离开机器人工作区间
  5. 手动使能机器人继续工作

这套流程很复杂。效率低,而且容易出错。一不小心就是安全事故。

为了确保安全, ISO10218规范出台,提供了一系列指导意见和建议。工程师通过视觉,激光等手段监控人类行为,根据安全区域划分,确定保护行为,如机器人自动降速,降功率,关闭使能等操作。一旦人类进入伤害区域,机器人必须完全停止。

以上操作,就是最早 的”人机协作操作”Collaborative Operation。

很多人认为上面的保护措施太保守。人机虽然共存于同一空间,但无法共同工作。最大的担心就是机器人太粗暴,易伤人。

因此新的思路从几个方面开展:

1.  对人体承受伤害的能力进行评估。确定等级。例如屁股和眼睛可以承受的伤害肯定不一样。

2.对机器人本体,末端执行器和外部环境进行评估和改善,例如避免使用尖锐的工具手,在机器人表面加装软性保护材料。

3.基于评估结果,计算某一具体环境下,机器人不伤害人类的最大速度,功率,力矩等信息,并对机器人进行速度和距离控制。

4.人机共存,进行人机协作操作的时候,机器人采用保护性动作,人离开协作区域后,可以自动恢复全速运行。

5.通过防碰撞,拖拽示教等手段进行人机协作 以上改进措施通过ISO 15066(Robots and robotic devices — Collaborative robots)进行规范。

目前这一协议还在TS阶段,尚未成为ISO标准。 从上面的描述可以看出几个问题:

1.人机协作是个系统工程,不是机器人本身的问题。再安全的机器人,如果末端装一把匕首,依然不能”人机协作”。因此需要对外界环境和工具做出综合评估(Risk Assessment)。

2.对环境评估计算的算法很复杂,不易执行。即使有了计算结果,也很难执行,确保不出错。

怎么办,聪明人当然会简化问题,限制机器人绝对速度和力矩,确保大部分工作状况下不伤人,略过环境评估环节,加强防碰撞和拖拽示教的地位。

于是,UR横空出世,由此带动一波人机协作风潮。

仿UR机器人成为人机协作机器人的代名词。

但我们追本溯源会发现,UR只是人机协作模型的一个简化版。人机协作本质上是一个系统工程,需要对环境进行详尽评估,并通过先进的闭环控制技术进行控制。
因此多传感器技术和柔性控制算法才是人机协作的核心。只要控制手段到位,即使是钢铁巨人般的传统工业机器人也可以实现人机协作。

纳博特控制系统自主研发控制算法,支持人机协作机器人所需的各项关键技术,我们愿意与客户共同建设人机协作的未来世界!

– 智能视觉(2D/3D)/力控传感器控制及距离感应

防碰撞

拖拽示教

– 安全模型及评估算法