协作机器人能够与人类共享任务并灵活适应新需求,可以在广泛的工业应用中提供高投资回报。制造商使用这些机器人来获得集成安全功能的好处,使它们能够与人类一起工作或靠近人类,并提高各种重复性任务的生产率。

尽管有许多安全特性,包括轻量级框架、碰撞检测技术和最小化夹点,但对于整体应用,仍然必须考虑适当的安全措施——包括抓手、末端执行器和位于协同工作空间附近的其他设备。基于全面风险评估的安全实施对于确保协同机器人应用的成功至关重要。

本文讨论了从协作机器人(通常缩短到“Cobots”)的行业标准,项目阶段和解决方案。它还定义并讨论了机器人本身以及协作工作空间和典型协作操作的安全要求。

什么是Cobots ?应用什么安全标准?

借助力反馈、低惯性伺服电机、弹性驱动器和碰撞检测技术等技术,协作机器人可以与人类操作者一起工作,这些技术将它们的力量和力的能力限制在适合接触的水平。与传统的机器人相比,协作机器人更紧凑,框架更轻,边缘柔软圆润,夹点最小(图1)。

图1所示。协作机器人的手臂轻巧灵活,夹点最小,确保安全操作。

力和速度监控是协同机器人的定义能力。当他们配备了安全装置来检测一个人何时进入协作工作空间时,他们通常被允许以更高的速度操作。这有助于他们最大限度地提高吞吐量时,没有人出现在危险区域。

安全标准ISO 10218和技术规范RIA TS 15066定义了协同机器人的安全功能和性能。在TS 15066下,基于应用数据、人类接触区域和工作空间危害设置合作机器人的力和速度监测。人体接触有两种类型:瞬态接触和准静态接触。前者指的是不夹紧的接触,而后者涉及的情况,可以导致一个身体部分被夹住。

应用数据,可能的人力联系人和工作区危害基于TS 15066的计算出的安全设置。这可能是不熟悉安全标准的制造商的具有挑战性的任务,在这种情况下,他们可以雇用安全评估提供商计算和提出提高整体协同应用安全的建议。

手导教学安全标准

ISO 10218和ISO/TS 15066提供了协作机器人教学功能的标准和指导。许多合作机器人,如欧姆龙(Omron)的TM系列机器人,采用直观的手引导机制来教授新任务,而不需要明确地编程机械臂的运动。手动引导模式监控力量和速度,以确保教学过程符合安全标准。

使手指导。在操作员进入机器人的工作空间之前进行教学,即使激活其力量和速度限制功能,机器人也必须停止。否则,必须在通过像区域扫描仪这样的安全装置检测操作者时执行保护杆。

与高速机器人不同的是,只要安全力量和速度监控处于活动状态,操作员就可以使用简单的触发器、按钮或模式选择来激活教学模式。否则,需要三位置安全开关。安全标准要求教学模式转换要深思熟虑,不能导致意外运动,避免造成额外的危险。

图2.在协作应用中,除机器人本身外,风险评估必须考虑任何周围设备。

确保安全的教学。由于运营商负责机器人的运动,因此他或她必须始终意识到周围设备和安全问题(图2)。可以在运动中强制执行限制,例如空间和软轴限制,以帮助保持操作员安全。

启用安全运行。操作员必须先腾空受保护的空间。这可以通过安全传感器或额外的操作员验证来检测。为了使机器人重新运行,必须提供有意的模式选择。

什么是协作工作区?

协同机器人围绕其他设备执行可能造成潜在伤害的自动化任务。协作机器人操作的领域,包括任何工具或附加设备,被称为协作工作空间。根据ISO 10218/ANSI RIA 15.06的定义,这是在安全区域内的空间,机器人和人类可以在生产操作期间同时执行任务。类似地,TS 15066将其定义为在生产过程中,机器人系统可以与人类操作员同时执行任务的操作空间内的区域。

在完整的协同自动化项目中列出并绘制出所有附加设备是很重要的。制造商应确保评估每个设备的潜在危险和安全传感器,以防止人员和设备的损害。此外,必须清楚地标记协作工作空间。

以下是非协作性安全等级设备的例子可以作为需要安全设备的工作空间的一部分:

  • 材料处理

  • 工具

  • 叨纸牙/致动器

  • 机器

安全装置通常很容易集成到协作机器人应用程序中。以下是一些保护协作工作区的解决方案。

开放区域安全防范解决方案。安全区域扫描仪和垫子是最受欢迎的保护合作机器人。它们也是一些最简单的项目集成到低危害和很少的附加设备的应用程序。

门控/有限区域安全保护解决方案。安全光窗帘和安全开关用于具有危险或高速操作的应用,以提高生产率。

主动隐患安全防范解决方案。当存在危险或操作可能导致危险时,操作人员可以启用“deadman”开关——如果用户没有施加压力,这个开关会自动回到“off”位置。

最大化协同作业的安全性。对于制造商来说,验证他们的协同机器人应用在所有操作中的安全性是至关重要的。每个应用程序都是独特的,但制造商可以遵循一些指导方针来评估机器人在与人类合作执行特定任务时的安全性。即使机器人不移动,也可能存在驾驶和电力危险。

启用安全的机器人。是否启动机器人或从紧急停止恢复,必须有一个有意的行为能够使机器人能够确保操作员是安全的,并且没有存在危险;例如,当操作符激活E-STOP时,机器人不应执行自动重新启用。相反,它应该需要从第二个操作员验证动作的输入。

安全指导。在设计和安全设置过程中,制造商必须确保只有在(1)机器人停止,(2)有意模式选择发生,(3)速度和力监测处于主动状态时才能进行手动引导。如果手动引导激活发生没有停止命令或安全输入,这应该启动安全停止和故障。

安全操作。操作人员必须选择国际模式,才能使合作机器人实现自动或运行操作,并要求所有安全设备和条件都必须经过操作验证。操作人员在操作前必须保护臂尾工具免受危险。

安全验证。对于制造商来说,拥有安全评估服务组审查所有周围地区和设备以及在必要时进行安全修复服务是重要的。安全服务组将执行现场检查,以评估设备的安全性,确认认证,验证安全参数设置以及安全验证完成的文件。

协同机器看护的安全考虑

机器看护是协同机器人最常见的应用,因为它易于安装,投资回报高,并且得益于机器人灵活的制造能力。机器护理应用可能会在其安全外表上产生误导;事实上,对于已经完成了许多检查和安全评估的专家来说,它们是该行业最令人担忧的安全问题之一。

为了最大限度地提高自动化机器趋势应用中的安全性,制造商必须使用安全额定夹具来保护抵御操作员伤害,并且还应调查产品本身是否具有任何危险(如极端热或锋利边缘)。

其他需要考虑的事情包括:

  • 当另一台机器处于安全停止状态时,其他机器是否需要进行安全控制连接以防止其中一台运行?

  • 是否使用材料处理设备?如果是这样,什么是必要的安全考虑因素?

  • 由于用于机器看护的协同机器人可以从一台机器转移到另一台机器,如何验证安全设置和程序?

  • 是否为操作人员设置警示区域,以指示危险或操作干扰?

对于操作者可能被机器人和周边设备困住或夹住的任何情况,检查整个区域也是极其重要的。

协同物料搬运的安全考虑

图3.协作机器人提供用于包装应用的高度灵活的解决方案。

受益于cobots的材料处理应用程序包括拣选、包装、码垛、分类和更多(图3)。这些应用程序的广泛使用使它们成为安全实现的更特定于现场的解决方案。操作人员和其他工人经常在合作机器人周围移动或运输其他材料,需要额外的计划以避免危险接触。

安全等级的抓手目前在市场上很少见。目前,制造商通常使用气动夹持器,这需要考虑到冲击和失去动力或吸力的安全因素。

应用程序设计者还必须调查产品本身是否存在任何损伤,如重量或含有有害物质——如果产品被丢弃,这些特性可能是特别有问题的。

其他需要考虑的事情包括:

  • 当另一台机器处于安全停止状态时,其他机器是否需要进行安全控制连接以防止其中一台运行?

  • 由于COBOTS可以从应用程序移动到应用程序,因此这可能如何影响安全设置和程序的验证?

  • 是否为操作人员设置警示区域以指示危险或操作干扰?

随着自动化机器的应用,制造商必须检查整个区域的任何情况下,操作员可能被困或夹住。

协同装配的安全考虑

图4.协作机器人可以使用各种终端效应器,每个终端效应器必须进行评估以进行安全操作。

使用协同机器人的装配应用程序通常涉及特殊的工具和与操作者的密切合作,同时也需要出现高速作业区域。大量的自定义手臂末端工具使得这些应用程序特别复杂(图4)。如果涉及多个机器人,应用程序设计者必须协调每个机器人的安全解决方案。

与材料处理应用一样,重要的是要考虑气动夹持器的安全要求,操作者可能被困或夹住的地方,以及任何重的或含有有害物质的产品。

其他需要考虑的事情包括:

  • 当另一台机器处于安全停止状态时,其他机器是否需要进行安全控制连接以防止其中一台运行?

  • 由于COBOTS可以从应用程序移动到应用程序,因此这可能如何影响安全设置和程序的验证?

  • 是否为操作人员设置警示区域以指示危险或操作干扰?

总结

考虑到人类合作师,Cobots通常被认为是安全的;但是,他们仍然需要风险评估,以保证整个使用人员运营商的安全性。制造商至关重要,以考虑与手工教学相关的所有可能危害,包括瞬态和准静态接触,以及机器人涉及紧急停止时可能发生的事情。

设计师的自动化机械工具、物料搬运和组装应用程序必须考虑所有的机器人将与一个运营商,哪些方面的环境可能导致夹紧或截留,什么end-of-arm工具可能构成风险的特点由于高温,锋利的边缘,或其他危害。

如果彻底执行风险评估,并实施了必要的安全措施,它将确保申请的成功效率和提升性能。

本文由TUV功能安全专家和产品工程师Tina Hull和Darrell Paul撰写,Omron Automation Americas, Hoffman Estates, IL.欲了解更多信息,请访问这里


科技简报》杂志

本文首次发表于2019年5月号技术简介杂志。

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