一、協作機器人控制方案：

人機協作的安全控制方案無非兩種，一種是基于外部監控的外部控制系統方案，另一種則是基于機器人本體設計的內部控制系統方案。

（1）區域監控方案：激光距離傳感器安全光幕

大部分情況下，人類與機器人協同工作時，都要在機器人或者其所在的環境中安裝激光距離傳感器等，用于監控機器人的整個工作區域。

（2）輕量型設計方案：機器人本體輕量化

輕量型設計也是人機協作安全的一個可行方案，通過減輕機器人的機身重量，可以有效地降低其對人體的沖擊，從而確保人機協作的安全。

（3）“本質安全”方案：彈性驅動系統

Rethink Robotiecs公司的Baxter采用彈性驅動，相比于剛性驅動，彈性驅動更加符合安全要求，就像被彈簧彈中和被硬物擊中的差別一樣、核心技術為串聯彈性驅動器（SEA），SEA包括一臺電機、一個齒輪箱和一個彈簧SEA的工作方式是通過測量彈簧的壓縮量來控制力的輸出，對于彈簧壓縮量的測量就是一個力傳感器。

（4）力受限方案：運動控制系統

對于力受限的協同機器人進行風險評估時，如果機器人調試到合理的力量和速度，潛在傷害的嚴重程度可以降低。

例如Universal Robots公司的UR 系列機器人，其專利傳感器技術幫助其實現功率和力的限制功能。機器人知道使用多少力就足以提起負載并移動它，當它發現移動過程中所需的力矩或者力過高，例如在發生碰撞事故時，機器人手臂就會安全關斷不會造成傷害事故。

按照協作程度從低到高，學術界提出了四種人機協作方式（Methods），分別是：Safety-rated monitored stop（安全級監控停止）；Hand guiding（手動引導）；Speed and separation monitoring（速度和距離監控）；Power and force limiting（功率和力限制）。而 ISO/TS 15066對協同應用中四種類型的防護原則進行了詳細說明。

二、各家協作機器人技術解剖

作為未來機器人的發展方向， 協同作業機器人領域競爭者越來越多。各企業都通過硬件或者軟件，抑或兩者兼備的方式確保其系統能夠實現人機協同作業。然而，不同的企業在實現人機協作的安全性技術上也有不同。

1.發那科：雙重防碰撞安全檢測技術

FANUC獨有的雙重安全檢測功能（英文全稱Dual Check Safety，簡稱DCS），為FANUC軟件的安全功能，由雙CPU驅動雙鏈急停電路實現數據交換和結果檢查，可在機器人周邊實現虛擬區域檢測和速度檢測等功能。

此功能可在人機作業的環境中，在機器人周邊構成一個虛擬的安全作業區域，當人員進入到此區域且發經由傳感器發出訊號時，機器人暫停當前的工作，進而達到保護人員，避免受到傷害的情況。

當機器人在運作時，四周不需要安全圍欄，在無外界干預時機器人全速運行，信號燈以綠色表示；當人員進入預警區時，機器人速度減慢，信號燈顯示黃色；當人員進入危險區，會對人員造成傷害時，機器人緊急停止，信號燈以紅色表示。

同時，DCS還能提供安全總線功能，DCS是一種符合SIL認證的安全功能，以總線形式連接（包括：Ethnernet IP以太網模塊、Devicenet模塊、Profinet模塊），線路簡單且安全。

2.優傲：專利傳感器和軟件技術

優傲的UR系列機器人重量只有18kg，其專利傳感器技術幫助其實現功率和力的限制功能。UR機器人能夠監控電機的電流和編碼器的位置，通過電流和位置數據，推算出力。

UR機器人知道使用多少力就足以提起負載并移動它，當它發現移動過程中所需的力矩或者力過高，例如在發生碰撞事故時控制，機器人手臂就會安全關斷不會造成傷害事故。此外，UR系列機器人的控制系統有冗余設置，所以任何危險失效都會使機器人在安全狀態下停機。

3.ABB ：YUMI搭載傳感器和機器視覺

硬件上，YUMI擁有一付輕量化的剛性鎂鋁合金骨架以及被軟性材料包裹的塑料外殼，能夠很好 地吸收對外部的沖擊。

軟件上，YUMI有運動速度和功率限制的設計，當它與工人或其他物體接觸時，內置的傳感器就能檢測到。當類似接觸發生時，速度和功率限制將使得碰撞能量不足以造成嚴重傷害。此外，YUMI還配備了視覺系統，使其可以在開放環境中進行工作。

4.ReThink：Baxter系列彈性執行器SEA

Baxter的設計使其無需價格高昂的編程，就可以在常規狀態下安全地與工人協同作業。Baxter號稱“本質安全”，而這都源于串聯彈性驅動器（SEA）。

據悉，SEA在減速器與負載之間加入了彈簧作為力矩傳遞機構，與傳統的剛性關節相比，它可以通過測量與負載直接連接的彈簧形變量，計算負載端作用力，通過將力矩控制轉化為彈簧形變量控制，能夠實現更精確的力矩控制。 此外，彈簧使得SEA結構具有更好的抗外力沖擊能力，更符合人機作業的力控制模式。

除了SEA， Baxter還內置用于判斷檢測人員是否進入機器人作業區域的聲吶傳感器和攝像頭傳感器，還有用于實現障礙物檢測的集成視覺。力傳感器能夠控制力的大小并完成位置控制，通過控制機器人的速度以確保它不會對任何人帶來傷害。Baxter還配備了對碰撞進行檢測和響應的系統，確保機器人不會夾傷、壓傷和撞傷作業人員。

5.安川：基于控制的協同作業

安川的Motoman系列雙臂SDA機器人和單臂SIA機器人采用了具有安全等級的受控制動。在某些情況下，它們也對速度和間隔距離進行監控。

Motoman機器人的功能安全選配單元上采用了具有安全等級的受控制動組件，后者位于機器人的控制器上。外部安全激光傳感器可以發現人員是否進入機器人作業區域，并通知機器人手臂減速或者停止。控制器對信號進行處理，然后對執行器的行為和速度進行變更，安全傳感器用來確定靠近的人員的位置，當人進入機器人的作業區域控制，功能安全單元就會自動降低機器人的速度，通過監控速度和間隔距離來實現人機協同作業的。

此外，Motoman機器人安全傳感器內置有失效安全功能，信號會發送給機器人控制器中的兩個不同區域，在不同的硬件上采用不同的算法對這兩個獨立的信號分別進行處理，這兩組軟件和硬件會相互核對，如果任何一組軟硬件給出的結果是觸發，那么系統就會進入安全模式。

值得一提的是，Motoman機器人控制器通過了第三方認證，按照標準實現功能安全，用以確保冗余等級。

6.博世：協作機器人外衣APAS

因為具有機器人保護皮衣APAS ，博世的協作機器人被認為是最安全的協作機器人。這個外衣其實是觸覺檢測裝置。由于機器人和人類一起工作，這些傳感器能夠在檢測到任何非常規的力時給控制器提供即時反饋。

博世的機器人同時還有安全距離保護，當檢測到人靠得太近時，其會自動降低運行速度，相當于隱形的防護網。在人離開該區域后，機器人會自動恢復正常速度。該裝置在獲取德國雇主責任保險協會認證的過程中肯定經歷了各種極端的測試。