如何確保工業(yè)機器人安全可靠的運行也變得越來越重要

摘要：隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)功能的不同，機器人又被分為一般機器人和智能機器人。其中，一般機器人是指只具有一般編程能力和操作能力的機器人，目前我國生產(chǎn)的機器人大多數(shù)屬于這一類，最初的工業(yè)機器人只能在相當(dāng)封閉的空間里運動或移動，安全功能極其有限，安全性能也不高，后續(xù)隨著自動化控制理論和安全器件陸續(xù)出現(xiàn)，安全功能才逐步完善，使得工業(yè)機器人能夠適應(yīng)更多的生產(chǎn)環(huán)境和工作任務(wù)，也使得人機協(xié)同工作成為可能，但安全事故還是時有發(fā)生，隨著世界各國對人民生命與財產(chǎn)安全越來越重視，如何確保工業(yè)機器人安全可靠的運行也變得越來越重要。

1工業(yè)機器人風(fēng)險評估

針對機械設(shè)備的危險因素，相關(guān)國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)都提出了一套系統(tǒng)的流程，目的在于選擇并采用合適的安全措施來降低或根除風(fēng)險。

1.1工業(yè)機器人危險識別

為了預(yù)防或減少機器人造成的傷害，必須先識別機器人崗位上發(fā)生的常見危險，使在進行機器人及其系統(tǒng)設(shè)計和風(fēng)險評估時，便于危險的識別和分析ＰＳ。對于工業(yè)機器人及其系統(tǒng)，其危險源并不相同，常見的危險源主要包括：設(shè)施失效或故障、機械部件運動、儲能或動力源、危險氣體、材料或條件、有噪聲引起的危險、干擾產(chǎn)生的危險、人為差錯產(chǎn)生的危險（包括設(shè)計、制造、安裝、試運行、測試、編程、驗證、維護等）、機器人系統(tǒng)或輔助部件的移動、搬運或更換等。

1.2工業(yè)機器人風(fēng)險評估

風(fēng)險與特殊情況或技術(shù)開發(fā)過程中所考慮的危險有關(guān)，它是該危險可能傷害的嚴(yán)重度和傷害出現(xiàn)的概率及避免或限制傷害的可能性函數(shù)。

為了支持機器人風(fēng)險評估過程，有很多有效的風(fēng)險評估工具，使用者可根據(jù)不同的機器人采用不同的評價工具。工業(yè)機器人一般推薦采用數(shù)值評分法，用一個具體數(shù)值代表可接受的風(fēng)險水平，能夠為風(fēng)險減少提供關(guān)鍵依據(jù)。

2機器人控制系統(tǒng)安全設(shè)計

控制系統(tǒng)是機器人的核心，保證控制系統(tǒng)正常、穩(wěn)定的工作是安全功能實現(xiàn)的關(guān)鍵，然而控制系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性往往是相互制約的，如果要更好地、更安全的完成機器人的控制工作，必須在兩者之間有所平衡，從安全控制的角度，機器人控制系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)該滿足下幾點：

（１）采巧成熟、穩(wěn)定的和規(guī)范化的軟件開發(fā)平臺，滿足安全功能相關(guān)參數(shù)的配置和軟件編程。

（２）開發(fā)型的控制系統(tǒng)，安全模塊和安全器件可自由添加，具備可擴展性、互操作性。

（３）實時性好，能夠及時處理外圍的安全相關(guān)任務(wù)。高可靠性是復(fù)雜機器人控制技術(shù)的首要解決問題之一，只有解決了控制系統(tǒng)的可靠性才能解決工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展帶來的不確定因素P21，現(xiàn)有新時達機器人控制系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺采用的是德國3S公司的CODESYS多軸機器人控制系統(tǒng)，其開發(fā)巧、實時性較好，可滿足機器人控制系統(tǒng)開發(fā)對于安全功能的可靠性要求。

3機器人不同狀態(tài)下安全停止功能的實現(xiàn)策略

當(dāng)一個外部信號觸發(fā)或異常狀態(tài)發(fā)生時，機器人應(yīng)該以合適的方式停止下來，采用何種制動方式主要從風(fēng)險分析的角度，綜合考慮機器人安全、性能等方面因素來最終確定。

3.1伺服驅(qū)動供電電源斷開時

根據(jù)上述安全回路的電氣原理圖，伺服驅(qū)動供電電源斷開主要有以下幾種可能：

（１）外部電源斷開，例如工廠突然斷電等。

（２）接觸器線圈斷開，主要原因可能是接觸器故障，安全回路故障等。此時如果機器人伺服系統(tǒng)處于使能或運行狀態(tài)，控制系統(tǒng)檢測到主電源斷開信號后，按照一般的處理過程，伺服應(yīng)該立即關(guān)斷電機抱間后再切斷伺服使能輸出，相當(dāng)于觸發(fā)了緊急制動過程，但因電機抱閩本身的延遲，根據(jù)機器人當(dāng)前的位置姿態(tài)及速度等因素不可避免帶來了一定程度的跌落問題。

首先我們先從伺服驅(qū)動斷電時，機器人伺服系統(tǒng)處于使能狀態(tài)開始分折，此時電機處于使能狀態(tài)（速度接近于零）。

（１）此時可能危險源主要來自于機械部件運動的跌落或下墜，根源在于制動裝置（電機拖間）的制動延時時間不足以響應(yīng)機械部件重力下墜的影響，根據(jù)風(fēng)險評估的分析過程，嚴(yán)重度、傷害的出現(xiàn)的概率、避開的可能性分別屬于S1（輕度損傷）、E1（不頻繁暴露）、Ａ１（可能避免），一般采用簡單的安全控制和培訓(xùn)認知即可避免。

3.2機器人控制系統(tǒng)可控報警時

當(dāng)機器人控制系統(tǒng)報普后，機器人立即制動停止，采用哪種制動停止方式要看報瞥的類型，從伺服系統(tǒng)的角度，主要分為可控報警和不可控報警，它們的區(qū)別如下：

（１）可控報瞥，報警時伺服系統(tǒng)使能輸出未關(guān)斷、電機是可控的、嚴(yán)重程度相對較低的報警，如輸入缺相、位置超限、通巧故障等。

（２）不可控報普，報普時伺服系統(tǒng)使能輸出立即關(guān)斷、電機是不可控的、嚴(yán)重程度較高的報警，如電機過流、編碼器故障、伺服過載等。

4.3機器人伺服系統(tǒng)不可控巧警時

此時可能危險源主要來自于機械部件的高速運動和制動后可能產(chǎn)生的跌落情況，根據(jù)風(fēng)險評估的分析過程，嚴(yán)重度、傷害的出現(xiàn)的概率、避開的可能性分別屬于S2（嚴(yán)重損傷）、E2（不頻繁暴露）、Ａ１（可能避免），一般需采用可靠的安全控制和安全圍欄避免，但傷害的出現(xiàn)的概率相對較低，下面進一步分析如何降低此危險。

(2）如果缺少動態(tài)制動的過程，電機不會很快停止，在負載和速度較大時將產(chǎn)生一定跌落，且僅緊急制動將加重電機抱闡的磨損，影響使用壽命。

（3）與可控報警相同，也需要由安全回路斷開主電源。

5機器人系統(tǒng)安全功能試驗方法

功能測試的常用方法為黑盒測試，即把系統(tǒng)功能看作一個不能打開的黑盒子，在完全不考慮系統(tǒng)內(nèi)部架構(gòu)和內(nèi)部特性的情況下，在系統(tǒng)功能接口進行測試。機器人功能測試只需檢査系統(tǒng)功能是否按照功能需求的說明正常使用，控制系統(tǒng)是否能適當(dāng)?shù)亟邮蛰斎胄盘柌⑦M行正確的動作，黑盒測試更多的時候是從用戶的角度出發(fā)，從輸入數(shù)據(jù)與輸出結(jié)果的對應(yīng)關(guān)系出發(fā)進行測試的。很明顯，如果控制系統(tǒng)本身設(shè)計有問題，用黑盒測試方法是發(fā)現(xiàn)不了的。

機器人系統(tǒng)功能測試的一般步驟：首先準(zhǔn)備好相關(guān)文檔，理解需求，并且對機器人系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能充分準(zhǔn)確理解，了解實際操作步驟及環(huán)境條件，然后著手制訂試驗的測試用例。