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机械人与自动化：人机交互系统助力高端制造 |
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作者：斯图加特大学 S.Apprich女士 来源：中国机械与金属 |
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机器人技术的应用在工业生产中发挥了巨大作用。但对于一些复杂任务，机器人独立完成的生产则缺少必要的柔性和可变性。为了提高生产效率，机械工人与自动化生产设备进行有效的相互合作就显得十分重要。本文介绍了制造业领域人机合作所需的最新技术。
在整个产品研制中装配过程是非常重要的一环。作为高效生产不可或缺的一部分，高性能的机器人扮演着越来越重要的角色。随着小批量生产以及用户定制生产的不断增多，人们对装配系统的柔性和可适应性提出了越来越高的要求。人机合作的装配生产线，相对于全自动化系统，有非常多的优势。与机械加工过程对精度的追求不同，柔性和复杂关系的辨识能力对装配过程而言更为重要。如今人机合作的装配过程显现着巨大的发展前景。
人机合作的发展现状
混合装配系统
人机合作将装配过程中人与机各自的优势结合。虽然全自动的装配系统具有不会疲劳、无需休息、对于简单任务有着相当高的生产率等优势，但它的柔性却受制于高昂的编程成本及复杂安装或放开零件的可行性。相较之下，人则有着无可比拟的感知和意识，可以迅速适应新的任务，搬运复杂的零件，但却在力量及动作精度上有一定局限。人机合作，即人机混合的操作车间，则能够在生产中充分发挥人和机器人各自的特长，合理分配人机功能，使整个系统工作性能最优化。
混合装配系统可以分成两类，即按工作区域区分的系统、按工作区域和时序区分的系统。
在按工作区域区分的系统中，工人与机器人在各自的区域内工作，零件的传递和装配任务可由两种方式进行组织，分别是：人进行零件的传递，机器人完成零件的装配，以及机器人进行零件的传递，工人来完成零件的装配。在该系统中，人机之间的交互需受到一定的约束，以避免相互碰撞。当工人与机器人的距离小于一定的安全界限时，机器人会停止不动。
在按工作区域区分的系统中，机器人需独自完成零件的传递或装配。
在而按工作区域和时序区分的系统中，工人和机器人会另外共同进行零件的传递或是装配，其组织形式可分为工人进行零件的传递，机器人完成零件的安装；机器人进行零件的传递，工人完成零件的安装；工人和机器人共同进行零件的传递；工人与机器人共同进行零件的安装等4种。在该系统中，工人和机器人会为了共同的传递或是装配某一零件，必须进行某种程度的合作，而这样的合作方式比仅仅回避碰撞要难得多。
装配过程中的交互技术
人机合作装配的前提是工人与机器人能够相互协调。为此，需要一种与工作任务相适应的交互接口。此外，对于一个安全的、通用的交互行为来说，了解装配过程、感知互动、评估现场情况都是必不可少的。
人机接口对于合作与互动是否富有效率起着决定性的作用。缓和装配中的人机接口可以分成两类，即远程控制接口，如视觉接口、手势和语音接口等；以及体感类接口，如触觉接口、显示器及头戴显示器（HMD）和力反馈系统等。
在机器人系统中，人机接口通常是操纵面板或图形用户界面。口头或手势命令是一种对可移动辅助机器人直观的操纵方式。这是由于装配线上有环境噪声，语音操纵因此要可靠得多。某些装配任务要求工人和机器人进行包括直接接触在内的更为紧密的互动。比如通过手动的牵引，工人可以为机器人制定较低动力学要求的运动轨迹，还有一种阻抗显示器能够显示作用力的大小，使得工人能够感知机器人与目标零件间的接触情况。目前来说，控制人机合作最有效的方法是机器人的阻抗控制。
安全问题是人机合作装配过程中需要着重解决的问题，也是高效的人机紧密合作的决定性前提。然而，在从传统的机器人单元到人机交互单元的演变中，需要将碰撞预防系统和损伤最小化系统的差别区分开来。
（1）碰撞预防系统：基于控制的空间限制和基于传感器的空间监控
碰撞预防系统追求的是通过控制系统内部的安全方案，或者外部的安全传感器避免机器人与工人在共同的工作区域内发生碰撞。
大量对混合操作空间进行监控的外部传感器被用于保证操作工人在紧密灵活的人机合作中的安全。常见的有光学自动保护装置，如工业中常用的激光扫描仪（图）。由于信号所包含的信息量较低，这些基本上只能用于监测是否出现闯入者。换言之，此类保护装置并不适用于更为复杂的人机互动。近些年出现了许多基于不同原理的对工作区域进行三维监测的装置。其中，三维空间监测摄像系统使防护栏变得多余。此类系统一般安装在工作区域的上方，以便观测机器人的整个运动空间。当工人突然闯入危险区，机器人会突然停止。当工人进入一个机器人的预定通过区或到达区，机器人会减速。而当工人撤离该区域后，机器人恢复正常速度。
激光扫描仪等光学自动保护装置多用於保证操作工人在紧密灵活的人机合作中的安全。
对于密切的人机合作形式，保护装置不仅要能识别三维的运动，还得对工人的身体进行准确的观察。目前，有一种立体的三维跟踪监测装置可识别图像中的皮肤，进而找出身体的特征点。而这种皮肤的辨识使三维摄影测量技术中对身体的识别变成了可能。
另一个对紧密的人机合作进行检测的系统是基于光子混合装置（PMD）摄像的操作空间监测系统。该系统的基本原理是把PMD摄像机所检测到的距离信息和机器人关节的角度信息作为输入，把分析判断的结果作为输出。判断的结果分三种：“无危险”、“警告”和“停”。PMD摄像机所检测的距离数据要进行预处理，拍摄得到的实物数据要在预处理过程中被抽取、修正并在直角坐标系下加以描述。通过预处理可以得到操作空间内的被拍摄物的表面特征。另外机器人的模型也会在线建立在直角坐标系下。通过比较模型和测量值，可以标定机器人在摄影成像中的位置。所有不属于机器人本体的数据都会被视作障碍物，进而评估是否存在于机器人的安全范围外。
传感器在人机交互安全检测中的使用使得人们不禁要问，传感器以及自我检测的方法是否可靠。传感器不仅需要保证识别出正确的场景，所使用的通信系统也必须要能把这些复杂的数据在短时间内无失真地传递出去。因此，一个有着可靠算法，尽量避免意外发生的安全控制系统对于人机交互来讲是非常必要的。下面“Silia”系统就展示了一个安全控制和外加安全传感器应用的成功实例。
“Silia”系统是一种为完成紧凑空间中的装配任务而设计的新颖、安全、高效的人机交互系统。高性能的摄影装置能够尽早地识别工人的意图和运动。可靠的传感器，如随着人与机的相对位置而动态切换的光幕，保证了任何时候人机之间足够的安全距离。
光幕安装在离工人较近的地方，这样机器人的运动最高速度便可通过人机之间的距离分级进行调节：机器人与工人越接近，它的运动速度就越慢，以便在必要时能及时停住；当机器人与人较远时，它可以快速运动，这样机器人的工作速度在安全距之外就不会被降低。通过对机器人轨迹选择的自动时间优化、对工作任务的预估和调整以及对工人运动意图的识别，能够让决策和控制算法确保对操作的空间和时间达到最有效的利用。另外，若工人需要时，机器人你还能尽快地释放共享的工作空间。“Silia”系统在诸如汽车电池安装之类的细致装配工作中有着广泛的应用前景。
（2）损伤最小化系统：机器人集成传感器和轻量化结构
损伤最小化系统也被称为碰撞后系统，它是指尽管工人与机器人产生碰撞，也不会对工人造成损伤的系统。它通过系统集成的安全方案、轻量化的运动质量、新型材料和新的运动机构来实现。系统集成的安全方案主要是对电动机的电流限制，有时还包括对刀具中心点（TCP）和机器人关节的速度限制。
全新的“无害机构”可以是诸如面向自然界（仿生）的设计方案，一个安全的人机交互对力的限制往往是必须的。这种系统类似于肌肉，当它完全收缩时就无法在给出更大的力。这一原理也可用在气动肌肉和伸缩腔上，它们的收缩和伸展长度都受限于本身的结构，当他们完全伸展或收缩后便无法产生更大的力。这类仿生系统是安全的辅助装配系统的一个实例，它在设计上就保证了安全性，不需要其他附加的安全设备。
事实上，在工业领域已经开始应用具有简单人际交互的合作机器人了。合作机器人（Cobots）是在同一作业空间与人直接进行物理合作的机器人。它可以与限制或引导工人运动的虚拟墙壁或虚拟平面一起工作。这种先进的设备可以帮助定位，减少碰撞，并且带有自动归为功能。即认为装配完成之后自动退回到某个预先设定的位置。为工人提供充足的工作空间。
人机交互系统的优势
研究发现，在中小批量制造中，人机交互的混合装配系统比全自动装配系统更能有效的节省成本。不仅如此，混合系统的单位成本相较于全自动系统在不同的生产规模中都具有优势；由于混合系统的投资成本较低，因此还能降低不良资产的风险；另外，混合系统能通过将人和生产设备进行合理的整合，而产生促进就业的作用。
混合系统的优势还表现在更好的产品质量，能够胜任单靠人力或全自动系统都无法完成或完成成本极高的装配工作上。
据了解，在2008 年的一份对德国、意大利、波澜和瑞士的企业做问卷调查中提到了工业应用中机器人系统的局限和不足。调查中企业界均认为，机器人应用的最大不足是为适应新的装配任务所需新的专业编程知识及高额的准备成本。而这些缺点都可以通过新的机器人使用及变成方法，更好的人机交互模式得以改善。
人机合作系统未来的发展趋势
综上所述，人机在混合装配中的紧密合作是因对装配系统的柔性、适应性和可重用性需求的不断增长而引发的。与可变成本相比，混合装配系统可以显著减少固定生产成本。这种系统的效率不仅取决于生产批量，还取决于互相协作的工作空间及系统特性的设计。对高效的人机紧密合作而言，工人的安全是一个决定性的前提。
未来，人机合作系统的研究工作应侧重于高度协作的混合装配的各个方面。此外，系统安全装置的可靠性、负载的轻量化水平都必须提高，用以扩大其适用范围。而其中改善个人与机器的协作以及一组工人与机器的协作将会是一个新的挑战。
众所周知，精度是现代工业机器人设计中的核心部分。而对于一个稳定而安全的人机交互而言，采用外部传感器的控制技术是必不可少的。因此，在未来的解决方案中，交互安全将通过设计本质安全的机器人来实现，并且设计一种合适的控制来确保其精度。因此，下一代机器人将直接与人互动，其中机器人负责负载和精度，而人可以用他的感觉、智慧和能力来辅助。(end)
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(12/21/2012) |
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