协作机器人安全性的发展与实现综述

李鸿涛，陈军伟

（武汉工程大学机电工程学院，湖北武汉 430000）

工业机器人在传统制造模式中占据重要地位，其被应用在独立的场地环境与工作人员隔离，而随着社会的发展，机器人与人之间更复杂灵活的交互协作要求的提升，协作机器人应运而生。随着对协作机器人的不断研究，其便捷性和灵活性不断提高，与人的协作工作将其优势体现得淋漓尽致，在越来越多的领域得到发展。在这个过程中，协作机器人的安全性始终放在第一位。相对于传统工业机器人，协作机器人与人们共享工作空间，没有“栅栏”约束的机器人增加了人们发生的安全风险的可能性，因此，协作机器人需要有效的解决方案，保证机器人在与人协作过程中不会伤及人类[1]。本文围绕协作机器人安全性问题，对协作机器人安全性实现的解决方法进行阐述。

协作机器人作为一种新型机器人，相较于传统的工业机器人，其特点在于与人类协同办公，其应用领域众多，在智能制造、家庭服务、教育学习等领域有着良好的发展前景。其造型与传统工业机器人相仿，但是体积较小，重量较轻，更便于部署安装，操作也更简单灵活，即使负载不大也能满足与人之间的协作要求。

随着协作机器人领域技术的发展，国内外众多机器人厂商陆续发布了自己的机器人产品。在国外，Universal Robots（优傲机器人）在2008 年推出了全球首款协作机器人UR5，其质量较轻、体积较小、精度较高，在全球受到广泛认可（图1），后又陆续推出UR10、UR3，近年来的E 系列的机器人精度更高交互更安全；
知名的机器人四大家族Fanuc、Yaskawa、Kuka 以及ABB 也均有各自品牌下的协作机器人；
Franka Emika的Panda 的所有关节均安装扭矩传感器，拥有精准卓越的力控制。在国内，随着国家政策的大力支持，国内的协作机器人也得到了良好的发展，为国产阵营注入活力[2]。例如，新松的SCR5 七自由度单臂机器人，遨博的AUBO i5，节卡的JAKA zu3，艾力特的EC612，大族的Elfin 等，相信未来会有更多的协作机器人出现在工业、商业以及生活服务中。

图1 全球首款协作机器人UR5

随着机器人被广泛应用于各个领域，它的制造与使用也必须遵循相应的标准和规则，其意义在于为各厂家提供明确统一的执行标准，使得用户与厂家之间的责任划分明确，利于市场的有序和产品的全球化。

传统工业机器人标准ISO 10218 发布于2006 年，并在2011 年重新修订为ISO 10218：2011，更适用于传统工业机器人，其中早已出现协作相关的定义，但是随着越来越多协作机器人的实际应用，越来越多的安全问题凸显出来，不能使用该标准评判协作机器人的安全性。所以在2016 年发布了ISO/TS 15066，作为ISO 10218 的增添与补充，为协作机器人的操作提供了安全规范。

ISO/TS 15066 中对人机交互协作安全做出了明确的安全准则：①安全级监控停止，通过相机、激光雷达等进行监控协作空间内操作人员的有无进行机器人的启停操作；
②手动引导，机器人的运动依靠操作人员的牵引实现，机器人的运动使能以及速度均由操作人员控制；
③速度和距离监控，操作人员与机器人同处协作空间时，机器人与操作人员之间的距离在任何时刻均应大于安全距离，而机器人速度降低时，安全距离也相应减小；
④功率和力限制，操作人员与机器人产生接触时，通过对机器人的功率和力进行限制以减小对人员的冲击，避免危险的发生。

随着协作机器人切实融入人类工作与生活的各个方面，机器人安全性方面也有了长足进步，从本体设计到机器人控制，再到发生碰撞时的检测与应对均有多种解决方案，这些方案在一定程度上解决了协作机器人的安全性问题。

3.1 本体设计

机器人的结构的柔性设计可以降低机器人与外界事物产生碰撞时的伤害与危险，不管与其产生碰撞的是障碍物还是操作人员都行之有效。目前的柔性设计存在两种方式：①软体机器人；
②驱动器柔性设计。第一种软体机器人更多的是仿照自然界一些生物的外形进行设计，其完全由柔性材料构成，没有多余的硬件结构，这种机器人拥有优秀的环境适应能力、极高的安全性、良好的交互性。但是这类机器人的运动学和动力学分析过于复杂，精准控制难以实现，目前还不适用于大规模的生产与使用。第二种即为柔性驱动器，这也是目前主流的设计方式，在驱动器中安装储能元件如弹簧、弹性元件等，这些元件的加入使驱动器有了可变刚度的特性；
安装耗能元件如阻尼器、磁流变流体等消除驱动器受冲击时产生的长时间的振动[3-5]。目前柔性驱动器的种类有串联弹性驱动器、变刚度驱动器、变阻尼驱动器、变惯量驱动器等。

机器人的本体设计从一开始就决定机器人的应用场景与性能，尽管在强度方面人类相较于机器人仍是劣势地位，但经过柔性设计的机器人还是能够在一定程度上减小碰撞发生时对人类造成的伤害。

3.2 机器人控制

协作机器人本就是与人类在共享空间中进行协同作业而存在的，必定会存在与人类共同动作的情况，在这种情况下协作机器人优良的控制性能够满足人类办公的需要，同时也能更好地确保安全性的实现。

3.2.1 视觉伺服

视觉伺服控制系统主要包括视觉系统、机器人控制系统以及机器人结构系统。顾名思义，视觉伺服就是以相机收集到的环境图像为原始数据进行处理，处理后的信息可以作为机器人判定自己所处环境中的位置或判断与周围障碍物相对位置，机器人利用这些信息完成自身的运动控制，实现轨迹规划、避障、完成指定位姿等行为。目前视觉伺服应用广泛，但均为基于位置的视觉伺服、基于图像的视觉伺服或混合视觉伺服。随着计算机的发展与各种高精度相机的出现，视觉伺服也得到了广泛发展。MARUTHUPANDI A 等[6]将PID 控制与视觉伺服相结合，实现了对机械臂的位置跟踪；
KEIGHOBADI J 等[7]在他们的研究中加入了自适应控制算法，与基于位置的视觉伺服相结合，有效保证伺服系统的可靠性与适应性。

3.2.2 多模态融合技术

随着传感器技术的迅速发展，机器人获取外界信息的方式也迅速增多，同样一个事物，机器人可以通过视觉去看到，通过触觉去感知到。而随着技术的发展与要求的提升，单一的渠道获取的信息已经不足以让机器人实现更高的性能，多模态融合技术的概念也随之被提出。模态即为机器人收集数据的一种方式，多模态即为机器人同时拥有多种类型传感器，将这些传感器采集的信息进行处理与融合，增强机器人环境的感知，对提高机器人安全性有重要意义。Zhang 等[8]针对材料感知方面的难题，提出融合视觉和触觉两个模态的框架，增加终身学习的背景，解决视觉与触觉之间模态不同的障碍，提高材料感知能力。随着深度学习的兴起，模态的普适性经过深度学习总结为多模态融合的常用公开的数据集，如M2VTS 数据集[9]。

3.2.3 高精度控制

协作机器人通常采用柔性设计，但是结构柔性容易导致形变以及振动，这在实际应用中引起更多复杂问题，增加了上层运动控制的复杂性，即便有确定的控制方案，实际应用环境中的干扰因素也会使机器人的控制策略失效。因此如何实现机器人的高精度控制不仅仅是在协作机器人领域，只要采用柔性设计的机器人都需要考虑这个问题。

3.3 碰撞检测

协作机器人与操作人员共享同一工作空间时，如何判断机器人与人之间的距离是安全距离而有效避免发生碰撞一直是人机交互过程中需要解决的问题。实际上碰撞检测可分为两种情况：①碰撞未发生；
②碰撞已发生。分别考虑机器人如何避免与人类发生碰撞，以及必要或非必要的碰撞发生时机器人的处理方法。从ISO/TS 15066 中的4 种安全标准也可以看出，前3 条标准即为防止机器人与人发生碰撞，真正区分协作机器人与传统工业机器人的是第4 条。前3 条即便是传统工业机器人具备一定的条件，经过一定设施的加装也能够实现安全距离的控制，第4 条从更底层的逻辑上实现机器人与人发生碰撞时如何减小对人产生的冲击。

目前实现安全距离控制的方法大多通过非接触式传感器进行环境感知实现，当检测到操作人员进入共享空间时，机器人的速度将降低甚至停止；
与此同时，操作人员的行为也同时会被机器人预测，降低与其发生碰撞的可能性。当碰撞发生时，不管是必要的还是非必要的，机器人进行相应的操作保护碰撞人员，首先就是本体设计，本文3.1 已经对其进行了介绍，其次在控制方面碰撞处理方法即碰撞识别与控制。机器人与操作人员发生碰撞时首先判定发生碰撞的位置以及力的大小，在这方面更多的是机器人立即停止，但是如果此时操作人员处于不利位置如死角位置，操作人员很难进行接下来的自救行动，所以更加人性化的应该是实现机器人的柔顺控制。

本文首先简单介绍了协作机器人的发展现状以及国内外在协作机器人领域发展较好的厂商与产品；
其次，对传统工业机器人的安全标准以及针对协作机器人增加与补充的内容进行了简单介绍与描述，区分协作机器人与传统工业机器人之间的不同特征；
最后，针对协作机器人安全性的实现，从本体设计、机器人控制以及碰撞检3 个方面进行阐述。

毫无疑问，机器人从工业迈进服务业最终走进人类生活是必然的结果，机器人将成为人类生活的好帮手，只是目前安全性不足以及机器人门槛较高，遥想计算机刚出现的时候也是有着很大的局限性，但随着科技的发展进步也成功走进家家户户。人机共融是未来机器人发展的方向，协作机器人的出现预示着这条道路的开始，虽然目前距离协作机器人的广泛普及还有很长一段路要走，但相信经过从业人员的努力，协作机器人的安全性这一步一定能够坚实地踏出。

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