最新7月2日發(fā)生在德國大眾工廠的“機(jī)器人殺人”事件將機(jī)器人安全問題又一次提到人們面前，機(jī)器人的安全必然是未來關(guān)注的要點(diǎn),嚴(yán)格來說，這是一個(gè)事故，并非機(jī)器人會(huì)殺人，而是操作人員進(jìn)入工作區(qū)間，但是，如何讓機(jī)器人更安全的與人工作則是一個(gè)更為廣泛且值得關(guān)注的問題。

1、機(jī)器人安全起源與主要思想

談到機(jī)器人安全，Asimov的科幻小說《機(jī)器人》中有一個(gè)重要的規(guī)則：

①機(jī)器人不能主動(dòng)傷害人，也不能通過不作為使人受到傷害

②機(jī)器人必須遵循人的指令，除非該指令與第一條規(guī)則沖突

③機(jī)器人必須保護(hù)其自身不受傷害，除非該行為同第一條和第二條規(guī)則沖突。

盡管這是機(jī)器人產(chǎn)生之前的小說中的描述，然而，它對于機(jī)器人的安全仍然是具有廣泛適用性的。

很多時(shí)候，我們不重視安全問題，因?yàn)榘踩拇_是一個(gè)看上去巨大的投資，而某種意義上，立法略微滯后于產(chǎn)業(yè)實(shí)際，因?yàn)?，機(jī)器人的快速成長也就在這幾年發(fā)生并將在未來會(huì)更為高速的增長。

關(guān)于機(jī)器人的安全研究歷史也是比較悠久的，Ziskovsky在1995年將機(jī)器人安全延展至整個(gè)生命周期的過程，這一思想也延伸到電氣傳動(dòng)的安全領(lǐng)域，當(dāng)然，針對機(jī)器人本身也有很多其它研究方向例如安全性與生產(chǎn)過程的效率平衡問題，這也為今天很多安全技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)，包括今天的集成安全技術(shù)（Integrated Safety），如何在確保安全的同時(shí)解決生產(chǎn)效率的問題，概括為兩點(diǎn)：

1.安全是一個(gè)全生命周期概念

2.安全必須與生產(chǎn)力平衡

當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)安全的方法也分為很多種，例如：基于控制系統(tǒng)速度監(jiān)控、視覺方式、力矩測量反饋方式等

2、為何要重視安全

只有對企業(yè)造成市場的損失、重大事故導(dǎo)致的法律責(zé)任、因此而造成的設(shè)備損失等因素才能驅(qū)動(dòng)企業(yè)去投資安全技術(shù)，而對于機(jī)器人行業(yè)而言，也必須考慮以下幾個(gè)因素：

1.機(jī)器人與人協(xié)同才能達(dá)到最大的效率；

對于一些生產(chǎn)而言，由于機(jī)器人被關(guān)在鐵籠子里，這使得很多復(fù)雜的需要人配合的工作無法進(jìn)行，因此，在未來，人機(jī)協(xié)同工作是一個(gè)熱點(diǎn)研發(fā)方向，而正因?yàn)槿绱耍踩珜?huì)更為突出。

2.非安全機(jī)器人融入有安全要求的生產(chǎn)線；

對于機(jī)器人制造商而言，進(jìn)入不同的行業(yè)，必須考慮生產(chǎn)系統(tǒng)本身的安全性，系統(tǒng)的安全性取決于最短的那塊板，如果機(jī)器人本身無安全系統(tǒng)，則意味著帶來整個(gè)產(chǎn)線的安全等級將為0-對于生產(chǎn)系統(tǒng)而言，這是不允許的。

3.政策法規(guī)的要求。技術(shù)壁壘角度也會(huì)設(shè)置安全標(biāo)準(zhǔn)；

無論是IEC、ISO還是行業(yè)的，都會(huì)有對安全的標(biāo)準(zhǔn)要求，未來這將成為一個(gè)技術(shù)壁壘也會(huì)成為政策性必須完善的領(lǐng)域。

④安全系統(tǒng)開發(fā)周期長，不屬于拿來即用的，因此必須未雨綢繆；

4.對終端生產(chǎn)企業(yè)而言，安全的生產(chǎn)環(huán)境是對員工的承諾；

很多時(shí)候，相對于安全所造成的后果，安全系統(tǒng)的投資并不是那么大，并且，提供更為安全、健康的工作環(huán)境，在人力資源越發(fā)匱乏的未來是一種企業(yè)負(fù)責(zé)人的表現(xiàn)。

3、SafeROBOTICS技術(shù)

早在2010年，貝加萊即開發(fā)了SLS@TCP來解決機(jī)器人關(guān)節(jié)的速度限制問題，這是符合EN ISO 10218-1規(guī)范的，針對機(jī)器人工具中心點(diǎn)（TCP）的速度限制，在以下幾種情況下對人起到保護(hù)作用：

①減速運(yùn)行

②示教

③設(shè)備維護(hù)

之所以需要設(shè)計(jì)SLS@TCP，是因?yàn)闄C(jī)器人的TCP速度并非像定位同步控制的速度是一個(gè)給定值，機(jī)器人的TCP是一個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)值，是與各個(gè)關(guān)節(jié)的速度均是有關(guān)系的，并且，在出現(xiàn)動(dòng)作時(shí)，減速也意味著需要為每個(gè)關(guān)節(jié)計(jì)算速度值。

圖1.SLS@TCP功能塊示例

對于安全的開發(fā)，基于Automation Studio內(nèi)嵌的SafeDESIGNER，用戶可以以可視化方式開發(fā)集成安全應(yīng)用，這里的集成包含：

（1）.SafeMOTION、SafeI/O、SafeLOGIC、openSAFETY、SafeROBOTICS

（2）.機(jī)器人與運(yùn)動(dòng)控制的安全協(xié)同，即，機(jī)器人并非獨(dú)立工作，而是與其它設(shè)備在安全域的集成，可以實(shí)現(xiàn)諸如機(jī)器人與注塑機(jī)、鈑金設(shè)備、變位機(jī)等的安全集成，確保整線而非單機(jī)的安全工作。

圖2.模塊化與可視化的openSAFETY應(yīng)用開發(fā)

圖3.基于PLCopen Safety庫的開發(fā)

基于PLCopen Safety的庫使得其更為標(biāo)準(zhǔn)化，也更為簡單，這些功能塊均是經(jīng)過測試并反復(fù)驗(yàn)證，滿足IEC61508、EN13849等國際標(biāo)準(zhǔn)。

4、安全新增SLP & SLO功能

2014年，貝加萊更新了多種用于安全機(jī)器人控制的功能。用戶只需登陸SafeDESIGNER就可監(jiān)測以下功能：SafeRC SLS，SafeRC SLP和SafeRC SLO。這些SafeROBOTICS功能基于“配置方便（Easy-to-configure）”的功能塊，不僅靈活適應(yīng)環(huán)境，而且方便驗(yàn)證。

除了監(jiān)測TCP速度和串聯(lián)機(jī)器人所有關(guān)節(jié)速度（即SLS），也可用來監(jiān)測SLP和工具安裝法蘭定位。貝加萊ACOPOS伺服驅(qū)動(dòng)提供安全軸定位，這一定位集成了安全功能。已知該定位，就可以計(jì)算出所有關(guān)節(jié)坐標(biāo)位置，工具安裝方蘭坐標(biāo)位置，TCP坐標(biāo)位置和附加監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)位置。

圖4.機(jī)器人安全位置限制SLP

4.1 SLP-安全位置限制

如圖1,為了更直觀地監(jiān)測安全工作空間（SLP），將旋轉(zhuǎn)立方體定義為工作空間（WS），旋轉(zhuǎn)平面定義為安全間隙（SS）。在安全應(yīng)用中，一些特殊函數(shù)空間用于控制與位置有關(guān)的運(yùn)動(dòng)；這些特殊函數(shù)空間擴(kuò)大了SafeRC SLP安全功能的范圍。

圖5-機(jī)器人安全工作空間與安全間隙

4.2計(jì)算制動(dòng)距離

依據(jù)流速和機(jī)器人位置可以確定每個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的制動(dòng)距離。如果設(shè)定好制動(dòng)減速，在達(dá)到工作空間界限之前機(jī)器人無法停止，這就表明仍有狀態(tài)輸出。當(dāng)工作空間受到妨礙時(shí)，可以最大程度地減少超出距離，讓工作空間限制更精確地契合機(jī)器人的操作區(qū)域，從而減少空間需求。

例如，依據(jù)應(yīng)用，通過觸發(fā)所有關(guān)節(jié)軸的STO功能可以停止機(jī)器人動(dòng)作。計(jì)算和確定位置的公差可以確保在工作空間受干擾前已經(jīng)設(shè)定好狀態(tài)輸出。

4.3安全方向監(jiān)測

安全定位監(jiān)測用來監(jiān)測工具安裝法蘭在空間的位置，即固定的方向矢量和隨法蘭移動(dòng)的方向矢量之間的角度。方向矢量的自由選擇應(yīng)用很廣，這種選擇已經(jīng)結(jié)合了安全應(yīng)用中多情況監(jiān)測功能塊。例如，可以定義已監(jiān)測的與電流TCP位置相關(guān)的工具定位邊界角，通過狀態(tài)輸出可表明是否超出空間中限定的邊界角。

圖5.安全方向限制

4.4監(jiān)測被動(dòng)關(guān)節(jié)以增加安全性

在現(xiàn)有速度檢測功能（SLS）上增加了新特征。例如，配置和監(jiān)測那些隨機(jī)器人移動(dòng)的額外監(jiān)測點(diǎn)，包括串聯(lián)機(jī)器人的被動(dòng)關(guān)節(jié)。這些關(guān)節(jié)的軸位置是主動(dòng)關(guān)節(jié)軸位置的線性組合，連起來可以增加配置中串聯(lián)機(jī)器人的數(shù)量。

圖6.安全速度限制

4.5采用診斷功能塊進(jìn)行驗(yàn)證

除了參數(shù)和安全功能塊，需要特別注意驗(yàn)證用于安全應(yīng)用方面的參數(shù)。針對這一需求，診斷功能塊既可以驗(yàn)證機(jī)器人的配置，也可以驗(yàn)證與監(jiān)測功能相關(guān)的參數(shù)。采用診斷功能塊，可以輸出坐標(biāo)位置，所有運(yùn)動(dòng)物體的速度，定位角度以及制動(dòng)距離。在不改變安全應(yīng)用的試車環(huán)節(jié)，可以驗(yàn)證與安全相關(guān)的參數(shù)。

機(jī)器人的安全問題必須得以重視，尤其對于那些行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者而言。