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近日,北美領先的機器人貿易組織機器人工業協會(RIA),與職業安全與健康管理局(OSHA)和國家職業安全與健康研究所(NIOSH)簽署了聯盟伙伴關系。
該聯盟將促進RIA成員、OSHA、NIOSH、雇主和工人之間關于工業機器人危險防范、人機協作裝置和系統等新興技術的交流,有助于分享工作中如何有效實現工作場所與機器人系統之間的互動等安全控制問題。
聯盟的參與者還將合作開發職業技術培訓、資源和工具,為職業技術人員、NIOSH研究人員、雇主和工人提供技術培訓。
新聯盟的成立將機器人安全的問題再一次置于聚光燈之下。
加入“就業大軍”的機器人并不安全
近年來,工業機器人開始進入新的工作環境,比如輕工業、倉儲物流以及農業。更有趣的是,美國一家初創企業還能利用人工和機器人協作制作披薩,其中機器人會執行一些高度重復的任務,比如噴灑調料、搭配番茄醬、把披薩放入烤箱等;而人類主要負責食材準備、配方開發、口味測試等工作。
最近的一項調查中,英國和美國94%的企業表示,他們已經接受機器人,或認為未來機器人不可或缺。
從廣義上講,主要有兩類機器人正在進入勞動力市場:傳統工業機器人和協作機器人。
前者是誕生于上世紀60年代初的龐然大物,當時,通用汽車在新澤西州的一家工廠安裝了第一個工業機器人。它們以單向的方式與人類進行交互——操作指令輸入,機器人跟隨指令。
相比之下,協作型機器人被設計成與人類在同一空間工作,執行機械任務,并對周圍發生的事情做出反應。
一項對OSHA的事故報告的調查顯示,自1984年以來,已經發生了38起與機器人相關的事故。在38起事件中,有27起導致工人死亡。根據美國勞工局統計,美國總共有4585名工作人員死于涉及機器人的事故中。
可以發現,這些事故均涉及到被關在“籠子”中的傳統工業機器人,并且,許多事故發生在維修期間,工人們有時不得不進入圍欄內進行單元測試和故障查找。
據悉,最近在印度和德國也發生了兩起死亡事件,涉及工業機器人的工人傷亡再次引發了人們對機器人勞動力的擔憂。而實際上,這些發生在大型機器人制造汽車過程中的悲劇,都是可以避免的。
目前,業內還暫未聽說過任何涉及協作機器人的嚴重傷害事件。協作機器人不依賴籠子進行隔離這一安全措施,而是使用力反饋和力傳感器,以及3D攝像機和激光雷達等來實現與人類的安全互動。
總的來說,協作機器人擁有輕量的機械臂和末端執行器,這樣可減少人們在與機器人接觸時受到嚴重傷害的風險。
機器人行業主要涉及的安全規范
關于工業機器人安全的記錄可以追溯到第一個工業機器人被安裝的1961年,而正如RIA會長Jeff Burnstein所說,RIA在促進工業機器人安全技術的發展上已有長時間的積累,他們在1986年推出了第一個美國國家機器人安全標準R15.06。”
這項標準在2013年進行了更新,如今與國際ISO的10218:2011標準一致,標準中還確定了另一核心問題是安全額定范圍內的軟軸及空間限制技術。
在市場上銷售的機器人必須要遵守各種各樣的設計與安全規范,涉及機器人行業的安全規范還有以下幾項:
IEC EN 61508 《電氣/電子/可編程電子安全相關系統的功能安全》,該標準是工業安全領域的通用標準,既可以用作編寫細分領域安全標準的基礎,也可以在沒有專用安全標準的領域中直接應用。
IEC 60204-1 《 機械安全 機器電氣設備 第1部分 一般要求》提出了安全停止的三大類別。
IEC61800-5-2,對應國標號為GB/T 12668.5.2 《可調速的電動設備標準。第5-2部分: 功能安全要求》。該標準主要針對安全編碼器、安全伺服驅動器(STO、SOS、SLS、SBC、Safety Stop 1/2等功能)、伺服電機等系統提出了功能安全要求。
2011年,國際標準化組織ISO公布了ISO 10218“工業機器人安全要求”。此為最新的機器人安全規范,ISO10218-1規定了機器人在設計和制造時應遵循的安全原則;ISO10218-2規定了在機器人的集成應用、安裝、功能測試、編程、操作、維護以及維修時,對人身安全的防護原則。
2016年2月,ISO正式出版了“在操作人員與機器人協作工作時,如何確保操作人員安全的技術指南”——ISO/TS 15066,這是專門針對協作機器人編寫的安全規范,同時也是ISO 10218-1和ISO 10218-2關于協作機器人操作內容的補充。ISO/TS 15066可以作為機器人系統集成商在安裝協作型機器人時做“風險評估”的指導性和綜合性文件。
ISO 15066的出現,為機器人行業解答了幾個問題,包括如何定義人機協作行為;如何量化機器人可能對人造成的傷害;在以上基礎上,對協作機器人的設計有什么要求等。
反觀我國國內,目前還沒有制定出針對機器人的安全標準。
機器人安全性能整體偏低
產品的總體安全性評價指標包括產品本身的安全等級、環境的限制條件以及人們對安全性的期望水平。
同理,機器人自身通過了什么等級的安全認證,使用者是否按照規范操作,人們是否充分認識并接受機器人的危險性,都是評價一個機器人系統是否安全時需要考慮的重要因素。
珞石科技聯合創始人韓峰濤表示,各大機器人廠商的機器人都配備有各自的安全技術,例如ABB的SafeMove,Fanuc的DCS,KUKA的KUKA.safe,但其安全功能本身還比較初級,例如將物理的圍欄換成了虛擬圍欄、檢測到有人靠近時自動停止,仍然不算是完整的協作安全技術。
國外的協作機器人廠商也僅有優傲和ABB等表示能夠在安全性上保證符合標準,可見目前機器人的安全性總體上還處于非常低的水平。
對于此現狀,一位業內人士指出,主要是通過ISO/TS 15066認證的成本太高,從市場的逐利性來看不劃算,除了歐美等大公司對安全性有硬性要求外,其他機器人企業就“睜一只眼閉一只眼”了。
韓峰濤直言不諱,國內對機器人的功能性更為注重,而對于機器人的安全性能不太重視,即使機器人具備碰撞檢測功能,那也只算錦上添花而已。
也有人認為機器人的安全性不高在于“人”的問題,“國外的管理者自我保護意識很強,而國內中小型企業的管理者,其意識偏弱。”他認為,協作機器人用在工業上,感覺就是就是舞蹈家綁上了小腳跳舞,限制很大。
除此之外,國內機器人安全性較低的一個很重要的原因是,國內做安全事務的人才大部分集中在航天、軍事、自動化儀表等行業,而在機器人領域的比較少。
多重因素之下,就導致國內協作機器人在安全性技術上比較缺乏,國內目前尚未有通過安全認證的工業機器人。
針對協作機器人的安全性問題,一位系統集成商人士表示,到目前為止對協作機器人依然沒有信心,協作機器人需要能證明其保證100%的絕對安全,否則不能進行人機協作。他還指出:“我們做生產線一般是考慮做‘防自殺’式防護,也就是說員工現在生產線上自殺也得想辦法防止住。”
可見,機器人必須足夠智能,才能加強機器人本身的安全性能,同時避免人類因自身的操作失誤而造成的不安全。配天機器人副總經理索利洋也表達了自己的看法:“如果要保證安全,不是一兩個技術就能實現的,從系統架構、機械結構,再到硬件、軟件以及算法,冗余安全鏈路控制等等都需要技術過關。”
“安全”+“智能”=機器人的未來
人機協作,是要讓人和機器人共存,機器人進行作業,人來管理機器人。工業4.0的實現,智能化的發展,其最終目的就是要把操作工提升為工程師來管理更多的機器人,以創造更多的產能,而不是簡單的用機器人將人員取代。
可以預見,人機協作的未來需要機器人自身在智能性和靈活性上有較大發展,主要集中在:
主動的安全探測手段,例如3D視覺,多線激光雷達等,用來代替被動的傳感器(編碼器,光柵,人工皮膚);
更高級的環境感知與決策算法,可以使用上述傳感器來判斷復雜環境下的人機關系并做出符合要求的決策;
更靈活的運動控制和關節制造技術,例如阻抗控制與可變剛度關節。
這一系列技術的進步勢必會推動機器人安全性能的提升,本質安全將是理想機器人的必備且基礎的特征。協作機器人最終將變成一個過渡概念,隨著技術的發展,未來所有的機器人都應該具備與人類一起安全的協同工作的特性。