一、协作机器人控制方案：

人机协作的安全控制方案无非两种，一种是基于外部监控的外部控制系统方案，另一种则是基于机器人本体设计的内部控制系统方案。

(1)区域监控方案：激光距离传感器安全光幕

大部分情况下，人类与机器人协同工作时，都要在机器人或者其所在的环境中安装激光距离传感器等，用于监控机器人的整个工作区域。

(2)轻量型设计方案：机器人本体轻量化

轻量型设计也是人机协作安全的一个可行方案，通过减轻机器人的机身重量，可以有效地降低其对人体的冲击，从而确保人机协作的安全。

(3)“本质安全”方案：弹性驱动系统

Rethink Robotiecs公司的Baxter采用弹性驱动，相比于刚性驱动，弹性驱动更加符合安全要求，就像被弹簧弹中和被硬物击中的差别一样、核心技术为串联弹性驱动器(SEA)，SEA包括一台电机、一个齿轮箱和一个弹簧SEA的工作方式是通过测量弹簧的压缩量来控制力的输出，对于弹簧压缩量的测量就是一个力传感器。

(4)力受限方案：运动控制系统

对于力受限的协同机器人进行风险评估时，如果机器人调试到合理的力量和速度，潜在伤害的严重程度可以降低。

例如Universal Robots公司的UR 系列机器人，其专利传感器技术帮助其实现功率和力的限制功能。机器人知道使用多少力就足以提起负载并移动它，当它发现移动过程中所需的力矩或者力过高，例如在发生碰撞事故时，机器人手臂就会安全关断不会造成伤害事故。

按照协作程度从低到高，学术界提出了四种人机协作方式(Methods)，分别是：Safety-rated monitored stop(安全级监控停止)；Hand guiding(手动引导)；Speed and separation monitoring(速度和距离监控)；Power and force limiting(功率和力限制)。而 ISO/TS 15066对协同应用中四种类型的防护原则进行了详细说明。

二、各家协作机器人技术解剖

作为未来机器人的发展方向， 协同作业机器人领域竞争者越来越多。各企业都通过硬件或者软件，抑或两者兼备的方式确保其系统能够实现人机协同作业。然而，不同的企业在实现人机协作的安全性技术上也有不同。

1.发那科：双重防碰撞安全检测技术

FANUC独有的双重安全检测功能(英文全称Dual Check Safety，简称DCS)，为FANUC软件的安全功能，由双CPU驱动双链急停电路实现数据交换和结果检查，可在机器人周边实现虚拟区域检测和速度检测等功能。

此功能可在人机作业的环境中，在机器人周边构成一个虚拟的安全作业区域，当人员进入到此区域且发经由传感器发出讯号时，机器人暂停当前的工作，进而达到保护人员，避免受到伤害的情况。

当机器人在运作时，四周不需要安全围栏，在无外界干预时机器人全速运行，信号灯以绿色表示；当人员进入预警区时，机器人速度减慢，信号灯显示黄色；当人员进入危险区，会对人员造成伤害时，机器人紧急停止，信号灯以红色表示。

同时，DCS还能提供安全总线功能，DCS是一种符合SIL认证的安全功能，以总线形式连接(包括：Ethnernet IP以太网模块、Devicenet模块、Profinet模块)，线路简单且安全。

2.优傲：专利传感器和软件技术

优傲的UR系列机器人重量只有18kg，其专利传感器技术帮助其实现功率和力的限制功能。UR机器人能够监控电机的电流和编码器的位置，通过电流和位置数据，推算出力。

UR机器人知道使用多少力就足以提起负载并移动它，当它发现移动过程中所需的力矩或者力过高，例如在发生碰撞事故时控制，机器人手臂就会安全关断不会造成伤害事故。此外，UR系列机器人的控制系统有冗余设置，所以任何危险失效都会使机器人在安全状态下停机。

3.ABB ：YUMI搭载传感器和机器视觉

硬件上，YUMI拥有一付轻量化的刚性镁铝合金骨架以及被软性材料包裹的塑料外壳，能够很好 地吸收对外部的冲击。

软件上，YUMI有运动速度和功率限制的设计，当它与工人或其他物体接触时，内置的传感器就能检测到。当类似接触发生时，速度和功率限制将使得碰撞能量不足以造成严重伤害。此外，YUMI还配备了视觉系统，使其可以在开放环境中进行工作。

4.ReThink：Baxter系列弹性执行器SEA

Baxter的设计使其无需价格高昂的编程，就可以在常规状态下安全地与工人协同作业。Baxter号称“本质安全”，而这都源于串联弹性驱动器(SEA)。

据悉，SEA在减速器与负载之间加入了弹簧作为力矩传递机构，与传统的刚性关节相比，它可以通过测量与负载直接连接的弹簧形变量，计算负载端作用力，通过将力矩控制转化为弹簧形变量控制，能够实现更精确的力矩控制。 此外，弹簧使得SEA结构具有更好的抗外力冲击能力，更符合人机作业的力控制模式。

除了SEA， Baxter还内置用于判断检测人员是否进入机器人作业区域的声呐传感器和摄像头传感器，还有用于实现障碍物检测的集成视觉。力传感器能够控制力的大小并完成位置控制，通过控制机器人的速度以确保它不会对任何人带来伤害。Baxter还配备了对碰撞进行检测和响应的系统，确保机器人不会夹伤、压伤和撞伤作业人员。

5.安川：基于控制的协同作业

安川的Motoman系列双臂SDA机器人和单臂SIA机器人采用了具有安全等级的受控制动。在某些情况下，它们也对速度和间隔距离进行监控。

Motoman机器人的功能安全选配单元上采用了具有安全等级的受控制动组件，后者位于机器人的控制器上。外部安全激光传感器可以发现人员是否进入机器人作业区域，并通知机器人手臂减速或者停止。控制器对信号进行处理，然后对执行器的行为和速度进行变更，安全传感器用来确定靠近的人员的位置，当人进入机器人的作业区域控制，功能安全单元就会自动降低机器人的速度，通过监控速度和间隔距离来实现人机协同作业的。

此外，Motoman机器人安全传感器内置有失效安全功能，信号会发送给机器人控制器中的两个不同区域，在不同的硬件上采用不同的算法对这两个独立的信号分别进行处理，这两组软件和硬件会相互核对，如果任何一组软硬件给出的结果是触发，那么系统就会进入安全模式。

值得一提的是，Motoman机器人控制器通过了第三方认证，按照标准实现功能安全，用以确保冗余等级。

6.博世：协作机器人外衣APAS

因为具有机器人保护皮衣APAS ，博世的协作机器人被认为是最安全的协作机器人。这个外衣其实是触觉检测装置。由于机器人和人类一起工作，这些传感器能够在检测到任何非常规的力时给控制器提供即时反馈。

博世的机器人同时还有安全距离保护，当检测到人靠得太近时，其会自动降低运行速度，相当于隐形的防护网。在人离开该区域后，机器人会自动恢复正常速度。该装置在获取德国雇主责任保险协会认证的过程中肯定经历了各种极端的测试。（文章来源于文海机器人）