盘点 | 各大协作机器人品牌厂商的人机安全协作方式(HRC)有哪些?

各大协作机器人厂商人机安全协作方式(HRC)简介
1. UR 安全协作方式

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1.1 Safety Configuration
通用限制(General limits)
  包括机器人的力、速度、动量等限制。
关节限制(Joint limits)
  可以限制各个关节的最大速度、运动范围。
固定安全区(Fixed safe zone)
  通过UR的手持控制面板PolyScope可以建立安全区域,每个boundaries相当与一堵虚拟的墙,当机器人越过墙的边界,则会触发缩减模式(Reduced Mode),此模式下机器人的力和速度会受到限制,以适应安全协作的要求。
动态(层级)安全区(Variable safe zone)
  层级安全区的建立通过UR提供的Safety I/O接口来实现。
  UR提供了三种可供使用的模式:分别为:Normal mode(正常模式)、Reduced mode(减速模式)、Safeguard stop(安全防护停止)。
补充
  UR机器人本体并不具备探测障碍物距离的传感器,想要建立层级安全区可以使用一些外围的检测设备,如激光雷达,光栅,压力垫。
  通过激光雷达等距离传感器,设置障碍物(人)进入某个范围后,分别触发UR机器人的三种对应模式,如下图所示,可以规定当人处于绿色区域时,触发正常模式,此时机器人的速度和力将不受到限制;当人进入黄色或者橙色区域,触发缩减模式,此时机械臂将减速运行,力矩、功率等也相应减小,以满足安全人机协作要求;当人进入红色区域,机器人触发safeguard stop模型,该模式下机器人停止运动,当人离开该区域后,机器人恢复运动。
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1.2 碰撞检测
关于UR系列机器人的碰撞检测方法一直存在争议,由于UR机器人本身并为配备任何力矩传感器,所以可以确定的是UR机器人采用的是无传感碰撞检测方法。
  传统碰撞检测算法的一般思想是通过建立机器人的动力学模型来估算机器人的理论力矩,再与通过真实力矩的采样值的差值大小来确定机器人是否发生碰撞。获取真实的力矩一般需要加装关节力矩传感器,而无传感器碰撞检测方法则是通过机器人本体来得到真实力矩,如通过驱动器反馈的电流来估计机器人的力矩大小。
  有一种猜想是UR机器人通过双编码器来实现力矩的估计。因为力矩传感器的基本原理就是利用弹性体的形变来估计力矩,谐波减速器本身即可看作是一个弹性体,因此通过机械臂输入端和输出端的双编码器差值得到谐波减速器的弹性形变,进而即可得到关节受到的力矩,从而判断机器人是否发生碰撞。但谐波减速器的刚性很大,而且存在摩擦力的影响,其次编码器的精度也有限,所以UR是否采用此方法有待商榷。个人认为应该是采用电流环的方式。
  还有一种猜想是,UR只测量实际的末端执行器姿态和期望的姿态之间的距离,来估计是否发生碰撞,详情请看CoRoETS的实验。

补充:
  UR机器人所采用的力控制方式并不能保证绝对安全,官方也明确说明:“the robot force limitation does not give protection against momentum”,即虽然UR拥有碰撞检测功能,但也不能完全消除动量对人造成的冲击。当机器人高速运转时,如果碰到工作空间内的人,即使能够在检测到碰撞时停止,但在一瞬间的冲击力依然十分巨大,远超过其安全阈值(150N以下)。
2. ABB YUMi 安全协作方式

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  ABB的YUMi协作机器人与2015年发布,其协作方式不同于UR,它完全抛弃了安全区设置的方法,而是直接使用碰撞检测来实现安全的人机协作。YUMi的碰撞检测方法是基于电流环式的无传感碰撞检测方法。电流环式碰撞检查的基本思想是机器人在碰撞时驱动器反馈的电流会发生变化,捕捉这种变化便能检测出机器人是否发生碰撞。

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上图来自知乎用户[桂凯]的优秀回答
  
  上图是一个机器人关节的简化模型,其中弹簧指代关节中柔性原件,当对此关节连杆处施加外力时,由于弹性元件的影响,其外力变化被电机感知的过程必然存在一定的滞后,使电流环无法实时的检测碰撞;其次,传动链中的摩擦力不容忽视,如果传动链中的摩擦力很大,可能在连杆末端施加外力,而电机反馈的电流却不存在任何变化,例如在机械臂掉电的情况下我们去用力推动机械臂,而机械臂却不会运动,这正是由于传动链中摩擦力造成的影响,因此采用电流环式的方法进行碰撞检测仍然面临着检测精度差、灵敏度差、以及检测范围有限等问题。YUMi由于自身负载小(末端负载仅为0.5kg)、轻量等特点,在使用电流环式进行碰撞检测时依然能都达到很好的检测精度。
  其次,YUMi拥有轻量化的刚性镁铝合金骨架以及被软性材料包裹的塑料外壳,能够很好地吸收对外部的冲击。

3.KUKA LBR iiwa 安全协作方式

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3.1 KUKA Sunrise.HRC 安全系统
这是KUKA用在LBR iiwa机器人上的一个安全系统,包含KUKA Sunrise.SafeOp-eration 操作系统的全部功能。各大厂商的协作机器人安全系统大同小异,内置的功能基本与UR类似,都是实现如机器人速度、力限制、安全区划分等功能,这里不详细展开。

3.2 碰撞检测
LBR iiwa的碰撞检测方法是基于关节力矩传感器的方法,而且在每个关节处都安装有力矩传感器,共计7个。据说这些传感器的成本就超过机器人的一半,所以KUKA LBR iiwa的价格相对其他协作机器人是更贵的,高达70000美元(折合人民币约50W),而UR系列中负载最大的UR10售价也仅为40000美元。但更多传感器的引入也使得LBR iiwa的碰撞检测更加灵敏,拖动示教更容易,安全性更高。

4. FANUC CR-35iA 安全协作方式

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4.1 FANUC DCS安全系统
Fanuc也有自己的安全系统:DCS(Dual Check Safety),该系统分为以下几个部分(简略划分):

Joint Position Check
关节位置检测,其功能为检测机器人的某一关节是否处在某一特定区域。
Joint Speed Check
关节速度检测,检测关节电机的速度是否超出了设定的范围。
Cartesian Position Check
  笛卡尔空间位置检测,检测机器人的TCP(Tool Center Position)位置是否处在安全区域(Safety Zone)内。
Cartesian Speed Check
  笛卡尔空间速度检测,检测机器人的TCP速度是否超过设定值。
Safety I/O
  类似与UR的Safety I/O功能,可用于层级安全区域的划分,如下图所示。

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以上各部分功能相互配合,则可达到神奇的效果,比如可以限制机器人在某一固定范围内运动,压缩机器人的活动区域,如下图所示。

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  同时,DCS的速度检测功能也能实现类似UR机器人的安全区域的功能,可以通过设置若干平面(Boundaries)构造安全区域,机器人在进入该区域内触发缩减模式,力和速度都将缩减,以满足安全协作的要求。
  
油管链接?:https://www.youtube.com/watch?v=ujJL1B-vHaE
4.2 碰撞检测
FAUNC的碰撞检测方法也比较特殊,既不同于UR机器人的无传感碰撞检测方法,也不同于KUKA LBR iiwa机器人在每个关节处都安装扭矩传感器的方法,FANUC CR-35iA本身就安装在一个大的力矩传感器上,该传感器位于机器人的基座部分。

5.MRK SYSTEM KR 5 SI 安全协作方式

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  MRK SYSTEM 是德国一家工业机器人技术整合公司,为企业提供自动化解决方案,并专注于人机安全协作系统的研发,赋予传统工业机器人安全协作的能力。

5.1 KUKA.SafeOperation安全系统
该机器人使用的是KUKA的KUKA.SafeOperation安全系统,可实现安全区域划分,速度和力的监控等,其次要说明的是,这款系统是为工业机器人开发的安全系统。

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5.2 安全皮肤
MRK SYSTEM KR 5 基于KUKA KR 5 HW ARC焊接机器人,在其基础上进行了一些改动,并在机器人本体覆盖了阻尼安全垫(damping safety pads),垫子内装有触觉传感器和电容式距离传感器,触觉传感器用于碰撞检测,而电容式距离传感器能够根据电场的变化检测到人的存在,在不发生碰撞的情况下安全停止。
  个人认为这是一种极好的人机协作方式,毕竟在不发生的碰撞时就可以预测碰撞,比真实碰撞发生时才检测到碰撞要安全的多。末端执行器处安装有一个可变径式法兰盘,用于检测末端执行器发生的碰撞,当法兰盘接受超过120N的力时,会给控制系统发出停止信号。

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KUKA KR 5 HW ARC焊接机器人

6.Festo BionicCobot安全协作方式

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Festo是德国一家仿生机器人公司,其做的仿生产品总是能够让人惊叹。

festo仿生蝴蝶

festo仿生蝴蝶

festo仿生乌贼

festo仿生乌贼
 
  这次festo也开发了一款协作机器人产品BionicCobot,这款协作机器人几乎完全不同与先进市场中的任何一款协作机器人,它完全抛弃了电机驱动的方式,而是采用了气压驱动,当然不出意料的是这款机器人依然采用了仿生技术,其模拟人手臂进行运动控制的原理:肱二头肌和肱三头肌控制。当人提重物时,肱二头肌收缩,肱三头肌放松,当下拉物体时则相反,BionicCobot的每个关节装有一个气动半回转驱动器,它由两个气源管路提供动力,当抓取重物时,一个起源管路充气,另一个放气,模拟肌肉的收缩过程。

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festo bioniccobot 内部结构

此外,其每个关节都装有一对压力传感器,用于检测机械臂的碰撞和外界压力的变化,实现安全人机协作。不过该机器人的负载仅为1.5kg,重复定位精度0.1mm,与UR系列相当。
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