姜宇 黃睿 郎需林 徐凱

（1 深圳市越疆科技有限公司上海分公司，上海，201800；2深圳市越疆科技有限公司，深圳，518000）

0 引言

協(xié)作機器人是一種被設計成在協(xié)作區(qū)域內(nèi)與人直接進行交互的機器人，它打破了傳統(tǒng)工作模式，無需安全圍欄，為全手動和全自動的生產(chǎn)模式之間搭建了橋梁，可實現(xiàn)人機協(xié)作安全作業(yè)。

柔性生產(chǎn)技術(shù)是高端智能制造的典型要求，協(xié)作機器人具有拖動示教、碰撞檢測和安全約束功能，以其快速部署、柔性制造、人機協(xié)作、柔順力控的特點，解決行業(yè)小批量多品種、產(chǎn)品頻繁換新、人機共存等難題，是傳統(tǒng)制造業(yè)賦能升級的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可滿足個性化、定制化、多樣化柔性生產(chǎn)需求，在3C電子、新能源、通信設備等領域具有廣泛應用，在商業(yè)、醫(yī)療和服務行業(yè)應用亦是協(xié)作機器人發(fā)展的另一個增長點。

1 協(xié)作機器人碰撞控制安全

協(xié)作機器人碰撞控制安全技術(shù)主要有兩類，碰撞后控制安全技術(shù)與碰撞前控制安全技術(shù)。碰撞后控制安全技術(shù)主要是靠優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)設計、碰撞力抑制算法和觸覺力覺傳感器等方法降低碰撞發(fā)生后造成的傷害；碰撞前控制安全技術(shù)則是通過視覺、激光、接近覺等手段來提前預測和防止碰撞的發(fā)生。

碰撞檢測作為協(xié)作機器人安全功能的代表，目前主要分為兩種方案，UR公司的無傳感器電流檢測的碰后碰撞檢測技術(shù)和KUKA公司的關(guān)節(jié)力矩傳感器方案。

根據(jù)ISO15066標準計算公式，機器人與人體的碰撞接觸力，直接受到機器人本體質(zhì)量、負載、運行速度的影響，協(xié)作機器人雖然具有一定的碰撞檢測靈敏度，但仍然是接觸式的安全防護，存在接觸碰撞傷害。為了達到允許的生物力學限制，在協(xié)作安全模式下，機器人要大幅進行降速，但由于機器人自身安全屬性，沖擊、夾傷的危險性依然很大。從表1可以看出，協(xié)作機器人在低速250mm/s的碰撞力超過10kg，高速1m/s的碰撞力超過50kg。

表1 國外協(xié)作機器人碰撞檢測對比

觸覺傳感技術(shù)[1-2]是機器人感知外部信息的重要手段，隨著機器人向智能化的方向發(fā)展，機器人要求具備觸覺感知能力，從而增加機器人環(huán)境適應能力及人機交互安全性。例如臺灣原見精機公司開展了電感式安全皮膚的產(chǎn)品研究，并將其產(chǎn)品應用在佳世達科技股份有限公司的生產(chǎn)線上。

當前市場上的機器人安全皮膚功能單一，基本停留在觸停階段。觸覺傳感器碰撞控制技術(shù)的碰后檢測特性，無法避免協(xié)作機器人高動量帶來的瞬間碰撞沖擊傷害，對安全性的實際提升效果有限。

事前控制的安全技術(shù)是在機器人上使用非接觸式的傳感器，對周圍環(huán)境及人的行為進行預測，并采取相應的安全避障措施，因此可以從根本上避免碰撞的發(fā)生，極大提高人機交互的安全性。

碰撞前控制安全技術(shù)主要分為基于視覺系統(tǒng)[1-2]的避障技術(shù)和基于電子皮膚的避障技術(shù)?；谝曈X的碰前檢測方案往往對光照環(huán)境、障礙遮擋等十分敏感，并且成本偏高。而基于電子皮膚的機器人避障控制[3],對應用場景無較為苛刻的光照條件要求，具有較為廣泛的應用場景，能夠?qū)崿F(xiàn)機器人部分和全部包覆，使得機器人在運行過程中能夠感知到接近物體，從而保證機器人安全和更好的人機交互。

另一方面，隨著協(xié)作機器人速度節(jié)拍工業(yè)性能的需求以及大負載協(xié)作機器人的發(fā)展，接觸式碰后檢測方案已經(jīng)遇到了協(xié)作安全的瓶頸。

圖1 協(xié)作機器人安全技術(shù)

根據(jù)相關(guān)技術(shù)問題和研究現(xiàn)狀，本文針對協(xié)作機器人安全技術(shù)展開的研究，包括：

1）碰撞傷害風險。當機器人負載增大、自重與臂展長度增加時，運行中的高速高慣量會大大增加碰撞造成的傷害，為保證人機協(xié)作的安全性與效率，本文提出“非接觸式的碰前感知技術(shù)研究”，通過基于高維度特征學習的方法，增加檢測距離。

2）適用性問題。在非結(jié)構(gòu)化的工作場景的中，光照、遮擋都會對現(xiàn)有的基于視覺、激光等碰前感知技術(shù)造成影響，本文提出“非接觸式電子皮膚包裹穿戴式防護設計”，解決協(xié)作機器人在非結(jié)構(gòu)化工作場景中的安全技術(shù)的適用性問題。

3）可靠性問題。為保證協(xié)作機器人安全可靠地運行，本文提出“雙冗余機器人安全控制系統(tǒng)設計”。

2 協(xié)作機器人碰前感知安全系統(tǒng)

2.1 電子皮膚結(jié)構(gòu)硬件設計及整機包裹穿戴

協(xié)作機器人在非結(jié)構(gòu)化的工作場景中，光照、遮擋都會對現(xiàn)有的基于視覺、激光等碰前感知技術(shù)造成影響。本文提出復雜電磁力環(huán)境下“非接觸式電子皮膚包裹穿戴式防護設計”。

研究機器人輕量化一體式電子皮膚單元模塊的集成包裹穿戴[4]，要通過降噪屏蔽技術(shù)，實現(xiàn)復雜機電磁力環(huán)境下，機器人高動態(tài)運動對電子皮膚的干擾的屏蔽。其結(jié)構(gòu)設計方面要符合如下要求：

1）合理設計包裹拆分結(jié)構(gòu)和緊固方式，實現(xiàn)緊密貼合和易拆裝；

2）優(yōu)化線材，減少線材晃動，通過內(nèi)側(cè)肋片實現(xiàn)線材壓緊；

3）合理布置支撐結(jié)構(gòu)外側(cè)的涂層、保護漆，保護導電漆層不被損害；結(jié)構(gòu)絕緣，并保證皮膚不受機器人外殼的信號干擾；

4）模塊化，提高重復利用率，減少設計中的變量，可以根據(jù)不同的機器人外形改變皮膚外觀。

圖2 電子皮膚感知檢測單元

2.2 雙冗余機器人安全控制系統(tǒng)

協(xié)作機器人的高速高慣量，使得發(fā)生碰撞所帶來的傷害遠遠超過人體能夠承受的極限，因此，控制系統(tǒng)需要保證協(xié)作機器人安全可靠的運行，不發(fā)生誤判漏判。對此，本文提出“雙冗余機器人安全控制系統(tǒng)設計”。

功能安全控制器是保證協(xié)作機器人安全運行的核心系統(tǒng)，保證多樣的安全輸入信號（比如急停信號）的接收處理以及輸出合理的安全信號，控制執(zhí)行設備（比如機器人）進入安全狀態(tài)，從而保證人和設備的安全。功能安全控制系統(tǒng)與機器人的運動控制系統(tǒng)處于同等地位，它是滿足機械臂能進入歐美市場的必需條件，是滿足CE/CR認證的必備組成部分。

目前市場上的安全控制器主要被歐美日等大廠所掌握，所以我國安全控制器的研究和開發(fā)是一項急迫而又有挑戰(zhàn)的項目，有助于彌補目前國內(nèi)市場對功能安全控制器的技術(shù)短缺現(xiàn)象。

本文設計的安全控制器滿足ISO13849機器人安全需求，功能安全滿足IEC 61508 SIL3標準等級，支持安全IO輸入及輸出，端口靈活配置，內(nèi)部邏輯可靈活配置和冗余架構(gòu)。

圖3 多傳感器信息融合的機器人安全控制軟硬件平臺架構(gòu)

基于電子皮膚碰前預感知的機器人安全控制硬件平臺的設計要點有：

1）采用同架構(gòu)冗余方案，按照IEC61508 SIL3標準設計；

2）采用穩(wěn)壓方案，接口加強隔離，屏蔽干擾；

3）支持PC的接口配置及邏輯配置；

4）采用EtherCAT接口，使用STM32+LAN9252方案，支持EtherCAT主站通信。

基于電子皮膚碰前預感知的機器人安全控制軟件平臺的設計要點有：

1）雙處理器同時運行，均可以完成安全功能；

2）雙處理器在運行時對各自監(jiān)視的傳感器、自身運行狀態(tài)、關(guān)鍵變量可進行交互比對；

3）雙處理器同步運行，步調(diào)一致；

4）雙處理器只要有一個發(fā)生故障，另一處理器立刻執(zhí)行安全功能。

3 電子皮膚接近傳感技術(shù)研究

3.1 電容接近覺傳感器原理

如圖4所示，當導體（比如人手）與電容接近覺傳感器極片接近的時候，導體與極片間會形成接近電容。通過電容、電介質(zhì)常數(shù)、兩極板正對面積和距離以及靜電力常數(shù)的建模模型，可以根據(jù)接近電容的大小來準確預測人手與傳感器的距離[5]。

圖4 接近覺感知原理

電容決定方式：

其中C是電容， 是電介質(zhì)常數(shù)， 是兩極板正對面積， 是靜電力常數(shù)， 是兩極板距離。

與傳統(tǒng)的動過視覺、激光等碰前檢測技術(shù)相比，基于電容的接近覺傳感技術(shù)具有不受光照條件影響、不怕遮擋、響應速度快等優(yōu)點等，滿足協(xié)作機器人安全需要的適應性廣、可靠性高和響應速度快的要求。

基于邊緣場效應檢測原理，電容接近覺傳感器可檢測接地/非接地的靠近物體，受到傳感器尺寸與設計的影響，其檢測距離最大可達20cm以上，在解決協(xié)作機器人非接觸式碰撞感知問題中具有以下優(yōu)勢：

1）平面/曲面結(jié)構(gòu)便于傳感器布置在機器人皮膚表面；

2）檢測距離完全由電極的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，易于調(diào)節(jié)和優(yōu)化。

3.2 電容檢測電路

采用電容接近覺傳感原理開發(fā)實現(xiàn)非接觸式感知的電子皮膚，需要實現(xiàn)感應電容的準確測量[6]。傳統(tǒng)的充放電電容檢測電路，通過開關(guān)通斷使傳感器電容以一定的頻率進行充電與放電，根據(jù)輸入電壓、充放電頻率、輸出電壓與傳感器電容之間的相關(guān)關(guān)系來進行傳感器電容測量。該方法由于電路設計簡單、充電與檢測過程解耦等優(yōu)勢在電容測量領域被廣泛使用，但是其缺點也十分明顯，由于充放電電容檢測電路的寬頻帶特性，檢測電路容易受到外部電磁噪聲的影響，即使噪聲頻率與充放電頻率差別很大的噪聲，也會對電容的檢測帶來很大的變化。若使用外部的濾波電路來降低噪聲的影響，則不可避免地會增加整體電路設計的復雜度，并且降低電容檢測的靈敏度。

為了解決電容接近覺傳感器在實際協(xié)作機器人應用場景中可能會遇到的內(nèi)外部復雜的電磁噪聲干擾，本文采用基于電感電容諧振回路（LC tank）的電容檢測方法[7]。該方法思路如圖5所示，傳感器電容會在檢測電路中與電感元件形成電感電容諧振回路，通過電路振蕩發(fā)生器對檢測電路進行振蕩激發(fā)并搜索系統(tǒng)的振蕩頻率，再利用諧振頻率與電容間的物理關(guān)系計算出傳感器電容。

圖5 電感電容諧振回路

根據(jù)LC振蕩頻率公式，有：

其中，是LC振蕩的頻率，L是LC振蕩的電感值，C是LC振蕩的電容值。

所以，

與傳統(tǒng)的充放電檢測方法相比，基于電感電容振蕩回路的電容檢測方法具有窄頻帶特性，對于與諧振頻率不同的干擾信號具有良好的抵抗能力；電路設計簡單，可以通過調(diào)整電路中的固定電感元件與電容元件調(diào)整諧振頻率，避開工作環(huán)境中的干擾。

4 實驗與測試

4.1 電子皮膚接近電容變化分析

在實驗中，筆者選用18μH的電感元件與33pF的電容元件構(gòu)成電容檢測電路。當人手靠近電子皮膚的時候，會引起LC振蕩電路振蕩頻率的變化，根據(jù)電容換算公式，可以得到圖6所示的人手接近過程中電子皮膚電容變化的曲線圖。

圖6 人手接近過程中電子皮膚的電容變化曲線

由圖6實驗數(shù)據(jù)可知，人手距離電子皮膚100mm時，僅能與電子皮膚之間形成0.05pF的接近電容；而當距離為20mm時，人手與皮膚之間的接近電容到達了1.4pF。當人手距離皮膚越近，能夠引起電容的波動變化越為明顯。

在人手距離皮膚100mm時，產(chǎn)生的電容變化信號（0.05pF）已經(jīng)明顯高于傳感器的噪聲（約為0.01pF），通過該信號可以有效檢測到人手的接近。

4.2 實驗與結(jié)果分析

以0.05pF的接近電容變量作為電子皮膚的接近物有效感知判斷依據(jù)，針對不同的接近物體材料，筆者獲得表2數(shù)據(jù)。

表2 電子皮膚對不同材料的感應測試

相比于其他材質(zhì)，電子皮膚的接近電容變化對人手最為靈敏，有效感知距離可達10cm；電子皮膚對金屬材料和木材的檢測效果也相對較好，普遍可達3cm以上。對于非金屬的材料中的ABS與亞克力材質(zhì)的物料，電子皮膚也有一定檢測能力，但是有效感知距離較弱（0.2cm）。

4.3 應用案例

在工業(yè)化快速發(fā)展的當下，汽車消費市場已成為一個體量龐大的行業(yè)，在人力成本愈發(fā)昂貴的環(huán)境下，協(xié)作替代人工逐漸成為未來行業(yè)發(fā)展的重點。在這種轉(zhuǎn)變趨勢中，如何更快速地部署人與設備便是協(xié)作機器人誕生的初衷。

輕量化、易實施、改造成本低、人機協(xié)作等諸多特性使得協(xié)作機器人在各行業(yè)可發(fā)揮重要作用。協(xié)作機器人能夠?qū)⑷藦母咧貜托怨ぷ鳌⒏呔裙ば?、高危環(huán)節(jié)中解放出來，實現(xiàn)人力成本降低、效率提升、風險下降，顯著提升企業(yè)生產(chǎn)效率。越疆科技有限公司CR系列協(xié)作機器人搭載本文所述的安全皮膚功能，在人機環(huán)境中可以發(fā)揮良好的功能。

圖7 應用案例

在機床上下料的工序中，協(xié)作機器人的使用可以讓工人遠離機械危險區(qū)域，而在機床之外，工人可以進入管理區(qū)參與一些交互任務，例如需要人工進入?yún)f(xié)作機器人運行空間內(nèi)抽檢物料，因此，該環(huán)境對協(xié)作機器人碰撞安全性和預防事故能力要求非常高。在人機環(huán)境下，CR系列協(xié)作機器人搭載的安全皮膚功能自動開啟，碰前停止或自主繞障，實現(xiàn)安全的人機協(xié)作，同時保證了生產(chǎn)效率。

5 結(jié)論

本文分析了當前機器人碰撞技術(shù)的現(xiàn)狀，提出一種非接觸感知的電子皮膚方法，利用接近電容原理，結(jié)合基于電感電容諧振回路（LC tank）的電容檢測方法，檢測出接近物體產(chǎn)生的接近電容來判斷物體的接近情況；設計了一種機器人整機包裹穿戴的電子皮膚，對不同物體產(chǎn)生的接近電容進行了測試和驗證。實驗結(jié)果表明，本文提出的方法有著比較高的接近物體識別成功率，也驗證了本文方法的可行性。

實驗也發(fā)現(xiàn)了本文方法的缺點，即對于非金屬和有機材料，能夠有效識別的接近距離較近短，因此，未來的研究方向可以針對這些產(chǎn)生接近電容較少的材料進行研究，通過結(jié)合其他接近傳感方法進行補充。