人机协作的实践之路

作者:Karin Röhricht 文章来源:MM《现代制造》 点击数:237 发布时间:2019-06-21
为了成功的在企业中引进、使用MRK协作机器人,就需要有一个系统的符合企业实际的个性化解决方案。弗劳恩霍夫IPA生产技术和自动化研究所和IAO工业工程研究所举办的第二届Stuttgarter MRK协作机器人用户活动日中介绍了成功的经验。
人机协作的实践之路

采用了合适的安全保护技术之后,MRK人机协作技术也可以在大型机器人中使用了
采用了合适的安全保护技术之后,MRK人机协作技术也可以在大型机器人中使用了

近几年来,工业机器人的世界发生了巨大变化。机器人设备仍然是生产系统中最强大的标志。它们被安置在与人员有着明确界限的机器人工作间和安全护栏内。这些机器人系统还将继续存在下去,因为它们可以大批量的生产高质量的产品。作为这些“传统”机器人的补充,今天的机器人世界中又出现了灵活的协作机器人系统,通常被人们称之为轻型机器人的自动化设备。这些轻型机器人可以方便的集成到企业现有的和不断变化的生产过程中。在这样的应用中又有一些被称之为MRK的人机协作的机器人应用方式:人和机器人能力相互补充的应用方式。安装在协作机器人工作区域内的MRK机器人所需的空间更小,在手工操作和自动化操作之间只有很小的或者根本没有间隔距离。这就减少了物流、上下料装置以及零部件运输等的工作量。而且所需的外围设备数量也很少,控制和传感技术都集中在机器人身上。

改善人体工程学

在机器人长期的以恒定的力量、定位精度和速度执行人们给它的生产任务时,机器人的人体工程学操作舒适性也得到了改进完善。它能够完成重型零部件的上下料操作,完成操作者感官和认知能力所不及的生产任务。建立在移动平台上的机器人系统可以更加灵活的在多个生产系统中使用。

根据具体的使用情况,引进、安装和使用MRK协作机器人的企业可以获得许多不同的好处。Pilz自动化技术公司的领导人Thomas Pilz举办了MRK协作机器人用户日的活动。他的看法是,机器人技术已经开始发生变化了。成功引进和使用MRK协作机器人的因素并不只有机器人本身一个因素,机器人使用地点附近的人员也是一个重要的影响因素。MRK协作机器本身并不是目的,而是使用机器人技术的推动者的目的,尤其是生产之外服务机器人应用的推动者的目的。因此,首次提到限制人与机器人之间接触力的ISO/TS 15066标准被视为在这些“新机器人”技术领域中的一个突破。另一个对机器人应用成功做出了重大贡献的技术是简单的程序编制或者说是共享的机器人操作系统ROS技术。例如,Pilz公司就在其新研发的拐臂式机器人中使用了ROS机器人操作系统。

图1 Pilz安全技术公司的Thomas Pilz在MRK用户活动日中做主题演讲报告
图1 Pilz安全技术公司的Thomas Pilz在MRK用户活动日中做主题演讲报告

Schnaithmann公司、Hofmann Glastechnik公司、John Deere公司、Dungs公司和Badische Stahlwerke公司等企业也介绍了它们为什么需要引进MRK协作机器人,以及引进和落地的计划,介绍了协作机器人是如何在生产实践中证明了自己。这些公司的报告都非常清楚的说明,各个公司的机器人引进方案之间有着很大的差异,贯彻落实的过程都与各个企业的具体应用有着密切的关系。推动企业引进MRK协作机器人的动力大致有下面几个方面:创建全新的生产方式;对现有的生产工艺流程进行优化改进;缺少专业技术工人;改善工作中的人体工程学性能和提高安全保护,例如钢铁厂中希望有更多灵活性、多功能性以及新技术发展的愿望等。

许多企业在引进MRK协作机器人项目中得到了包括弗劳恩霍夫IPA和IAO研究所研究项目在内的技术支持。这两个研究所都在开发MRK协作机器人编程和决策的工具,例如确定适合使用MRK协作机器人的生产工作过程、合适的机器人选择方法以及所需的外围设备、投资预算等。

在MRK协作机器人引进的实施过程中,各个企业的方法也有一定的区别。有些企业完全是依靠自己的能力,通过“边干边学”的方法实现利用MRK协作机器人提高经济效益的目的。但在大多数企业中,MRK协作机器人引进的系统化、结构化的工作流程仍然是非常重要的。但这些企业必须从一开始就考虑到可能出现的风险,并采取一切可能的措施避免这些风险。而另一些企业则采用了模拟技术或者增强现实技术的方法来实现企业的既定目标。

图2 在专家的专业工具和技术咨询帮助下利用MRK协作机器人为企业盈利
图2 在专家的专业工具和技术咨询帮助下利用MRK协作机器人为企业盈利

弗劳恩霍夫IPA研究所的Thomas Koch就用具体实例介绍了如何在棘手的条件下引进、使用机器人的成功案例。研究所设计了一个连接三个零件的半自动装配站,这一装配工作站是敞开式的工作站,并适合使用MRK协作机器人,也按照DIN ISO 10218标准“限制力和功率”的规定进行了设计,一个工作循环的时间为12 s。为了实现上述目标,一方面要求机器人与零件的接触必须是瞬态接触,另一方面也要能够降低运动速度、保证工作循环时间。

配有传感皮肤的机器人

弗劳恩霍夫IPA研究所能够运用不同的技术帮助您实现满足企业所有要求的机器人应用和生产过程中的使用。为了确保机器人与零件的接触是瞬态接触,机器人安装上了一层传感皮肤。机器人的运动速度也被限制在500 mm/s以内。为了准确的识别静态接触,在末端执行器进行了机械力补偿,以便将准静态接触转变为瞬态接触。这就提高了机器人接近零件的运动速度,并且也轻松的解决了夹紧状态的问题。在解决这一问题的过程中IPA研究所的科研人员开发了被他们称之为“BDU的平衡解耦装置”。这种位于机器人末端执行器安装法兰与末端执行器之间的机械解决方案可以探测到作用力的大小,命令机器人停止运动,主动松开夹紧装置,同时提供零件对接时所需的力并锁定力的大小。另外,也可以使用磁铁和气缸来制作BDU平衡解耦装置,将它们安置在封闭的外壳内,遮盖好锋利的组件棱边,避免它们伤害到操作者。

激光扫描仪的帮助下机器人实现了自主运动模式与MRK减速协作模式的切换,满足了所需工作循环时间的要求。通过将ISO标准“人员进入时停止”和“力和功率限制”两项安全保护要求组合在一起得到了12 s的平均工作循环。利用生物力学测量装置验证可能发生碰撞时的生物力学极限值。

安装在移动平台上的MRK协作机器人在使用时有着非常高的灵活性。例如Festo公司就将Bosch公司研发生产的Apas协作机器人系统当作一个“召之即来挥之即去的高素质临时工”。对这种类型机器人应用解决方案的要求有技术性的和生产组织性的两种要求。例如它的供电电源系统与其他系统的通讯都必须是标准化的,并要有基准标记和数据读取系统。这种机器人系统在生产线中的集成是一步步进行的,开始的时候Apas系统的数量与计划的使用地点数量是相符的,但到最后Apas系统使用地点的数量是计划中的三倍,因为在生产过程中常常要根据生产需要不断的增加这种移动式的机器人系统。

图3 有意义的协同合作:机器人负责承载重物,操作者将它准确的安装到位
图3 有意义的协同合作:机器人负责承载重物,操作者将它准确的安装到位

密切合作

用户日活动结束时,仿生学专家German Bionics公司介绍了机器人与人类密切合作的另一种合作形式:外骨骼。操作者将这种机械的或者机电一体化的系统穿戴在身上,由它提供某些运动中的动力帮助,例如提供背部、腿部或者手臂工作时的动力。这是为了预防肌肉和骨骼疾病,尤其是考虑到人口的老龄化发展。外骨骼既可以是无源的,也可以是依靠平衡重的,或者是利用传感器和电动、气动或者液压驱动的有源外骨骼。

这一技术的实例就是Stuttgarter Exo-Jacket,一种弗劳恩霍夫IPA研究所2015年研究、开发的外骨骼平台。Exo-Jacke外骨骼平台能够主动的支持佩戴者的上肢运动,特别是提升重物和头顶上方的各项操作。最新的Stuttgarter Exo-Jacket II型外骨骼主要是针对物流领域中的应用而设计的,操作者需要在身体前方膝盖至肩部高度范围内手工搬运重量约20 kg物资时使用的外骨骼系统。研发人员在这一外骨骼系统的活动自由度中给予了高度的关注。

总而言之,用户活动日展示了大量MRK协作机器人应用的可能性和引进使用方式。对MRK协作机器人技术感兴趣的企业可以联系弗劳恩霍夫IPA研究所和IAO研究所的专家,他们非常愿意用自己的技术和经验帮助用户完成MRK项目并获得成功。