机器人系统的安全与防护

在生产环境中,我们使用防护笼和安全门保护人类免受机器伤害。从而实现人机安全合作。然而要想提高生产效率,就需要移除安全门和防护笼,实现人机协作。那么,怎样才能打造足够安全的机器,以实现人机交互呢?

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如何让工厂不损害人身安全?

如果你之前去过工厂,你会看见大量警告标志。这些通常是用来提醒员工穿着适当并配备安全装备。除此之外,还有一些仅允许训练有素的人员靠近或操作设备的提醒。这些是视觉安全措施——告知每个人危险无处不在。

人在必要时会变得非常机敏。比如,机器停机时,他们会为了节约时间亲自动手维修,而不是寻求专人解决。但我们确实需要专业人员。因为他们了解机器设计和构造的所有细节,以及如何以安全的方式展开维修。

人身安全措施

为了确保操作人员的手、手指以及胳膊的安全,机器人等现代制造设备通常被放在防护笼里。如果需要入内,防护门会开启,让技术人员进入维护。而在机器运行时,锁定机制会阻止人员开门。假如防护门在本不应开启的情况下打开,集成开关或传感器会检测到这一状态。在这种情况下,它能确保机器在防护门完全关闭或锁住前无法启动。

所以我们通常面临这样的情况:机器要么在运行时候操作人人员只能作壁上观,要么在操作人员维护时机器停止工作。因此,双方之间的互动虽然安全但并不特别有效。二者是共存合作的关系,而非协作关系。

自动化的影响

大多数工厂依然遵循流水线原理,亨利•福特就是通过它改变了汽车制造方式。他受粮仓传送带装置的启发,在工厂汽车制造的过程中,让员工专注于一小部分作业。底盘沿着传送带不断被送出,每位员工都能在汽车前进过程中对自己负责的零件进行组装和固定。

于是,每位员工都专注于自己的作业,进而成为该制造领域的专家。这使得福特大大缩短了汽车制造时间,从原本的超过12个小时缩短到90分钟。这种方法制造出的每台汽车完全相同,因此提高了效率。

为客户提供更多定制服务

现在的消费者对产品的要求更高。他们需要定制化、独一无二并且能够彰显个性的消费品。在这一点上,流水线便不再适用。因为有些产品必须执行所有工作步骤,而其他产品却不得不在无用的站台前耗费时间。

与排队执行所有作业步骤相反,创建多个独立的作业区域来实施各个作业步骤将更为合理。产品只会进入制造客户指定版本产品所需的作业区域。有些作业步骤甚至可以多次运行。

时刻控制机器人

为了在作业区域之间运输产品,可使用电池供电的电动自动导引车(AGV)来输送产品和生产材料。基础版本的AGV只访问必要的作业步骤,高级版本可以访问所有作业步骤。

在这期间,AGV 必须提供安全性和防护性。乍看这两个术语似乎可以通用,但实际上他们存在明显差别。

安全性:保护人类不受机器伤害

安全性:保护人类不受机器伤害

现代工厂的大量工序都离不开人工操作。因此,必须保证这些AGV在操作人员附近搬运重型或危险物品时,不会造成伤害。为此,相关计算机需要借助大量传感器来实时检测不断变化的环境中AGV的周围状况。

安全性:保护人类不受机器伤害

拆下防护笼后,安全光栅和飞行时间技术(ToF)等传感器解决方案都会向机器人系统通知环境状况。机器臂会根据人员远近来降低和限制自己的运动速度和移动幅度。当人员通过光栅时,机器臂会将活动范围限制在远离人员站立的地方。这样,操作人员无需机器人完全停止,就能从托盘上卸下工件,或拾起成品,

安全性:保护人类不受机器伤害

可是,一旦传感器遗漏了几秒或几分钟的动作,都很可能产生致命的结果,因此,我们需要采用一种特殊的计算机。

安全性:保护人类不受机器伤害

AURIX™ 单片机家族包含的TriCore 计算机处理器能够将每个程序指令执行两次。该处理器首先执行指令,然后执行该结果确定的任何任务。片刻之后,再次执行相同的指令。如果两次处理步骤的结果相同,那么处理器就会继续执行任务。但如果不同,那么处理器就会执行紧急软件程序,来处理该问题。从而确保AGV能够以安全的方式立即停止——以防发生故障。

安全性:保护人类不受机器伤害

这只是诸多安全功能中的一项,请不要将这些功能视为理所当然。AURIX™单片机的安全功能是我们基于多年经验以及对运行期间的潜在故障原因进行研究的成果。以这种方式制造的单片机(及其文档)使安全机器人或AGV成为现实。

防护性:保护机器不受人类攻击

防护性:保护机器不受人类攻击

这些机器人都需要互相联网。当它们在工厂内四处走动时,它们可以向机队管理系统无线分享自己的位置。然后,系统便会生成一幅完整的复杂虚拟地图。AGV机队之间还能共享临时路障和新路径。这有助于它们了解工厂的哪条路径畅通无阻,以及如何前往下一个作业区域。

防护性:保护机器不受人类攻击

和我们的家用计算机和智能手机一样,我们必须保护这些联网计算机不受黑客、病毒和其他恶意软件的攻击。除此之外,为了确保安全证书不遭破坏,它只能使用经认证的零备件和消耗品。

防护性:保护机器不受人类攻击

一旦进行了任何维修,AGV和机器人的核心组件都很可能需要进行主机注册。这个过程能够使这些组件获得零件或附件授权——类似于我们在软件或高价产品上寻找全息纸,以验证其真伪。

防护性:保护机器不受人类攻击

这个身份验证与现在电子邮件或加密消息应用软件的基础相同。每个机器人都在保管库中存有一组秘钥。这些保管库就是硬件中嵌入式芯片。适用的零件和附件必须证明它们知道这些秘密信息,才能被允许使用。

防护性:保护机器不受人类攻击

这种防护性必须是机器人系统设计的核心,不得将其视为额外的附属功能。事实上,我们应该视它为安全措施的补充。能够被黑客攻击或远程控制的功能性安全机器人不具有安全性。配备了质量不合标准的工具或零备件也是同理。

防护性:保护机器不受人类攻击

英飞凌OPTIGA™ 家族解决方案能够为有上述功能需求的电子器件提供支持。这些器件能够根据您的需求,确保互联网连接的防护性,或仅上传经验证的升级软件。一些简单的产品可以进行产品验证,确保消耗品来源可靠。这些消耗品包括油或粘合剂。

结语

人机和谐共事离不开信任。现在,我们正快速地从合作向协作转变。合作时,我们需要与机器人保持一定距离,而协作,则意味着我们将与机器人近距离共事。

业界了解应该如何实施安全措施,英飞凌的解决方案可以使之成为现实。随着机器变得互联,支持软件更新和附加个性化服务,安防措施与验证将成为总安全措施的核心。只要我们运用得当,它就为我们真正地信任与我们共事的机器提供了保证。