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【技术】移动机器人与机械臂的完美组合



什么是移动机器人?

许多人首先想到的是传统的AGV,但那已经过时了。根据RIA的最新定义,能够自主自由移动的AGV才算是移动机器人,当然,它上面可能还安装有机械臂。旧的AGV安全标准已经不适用全新的移动机器人,RIA和ANSI计划给工业移动机器人制定新的标准。本文编译自Tanya M. Anandan的“Industrial Mobile Robot Safety Standards on the Forefront”。


移动机器人正在进入以前由人类及车辆占据的新领域,从仓库和配送中心,到工厂车间,再到现在的实验室和办公区域,我们会看到越来越多这种自由行走的机器人。它们不仅是移动的“骡子”,这些机器人具有车载智能和实时自适应能力,拓宽了他们的应用领域。


转眼之间,我们发布报告《移动机器人和内部物流始终存在供应链中》已经过去一年,市场上也有了更多的选择、组合以及应用。巨大的改变对安全标准的制定带来了新的挑战。许多移动平台已经在世界各地使用或试用。


在焊接供应商HIROTEC AMERICA的双臂移动机器人应用中,Otto 1500自导移动平台与安川双臂机器人相结合,可以完成将零部件浸入黑色氧化物中进行腐蚀保护的单调任务。Robotiq让你看到巧妙地处理自适应夹具将零部件都放进黑色氧化物中。


这个敏捷的机器人周围没有安全围栏。这是因为OTTO使用安全等级的激光雷达传感器探测和导航路径内的障碍物。据了解,OTTO 1500有两个安全等级的激光雷达传感器,分别位于平台的前面和后面,它配备了四个紧急停止(E-stop)按钮,用于手动紧急停止。这个移动机械手帮助HIROTEC更接近于24/7全天候运行的关灯制造目标。


自主自动导航车


消费品巨头宝洁公司也将移动机器人应用于多个行业和不同应用领域。

宝洁公司位于俄亥俄州辛辛那提的机器人网络创新总监Mark Lewandowski说:“因为宝洁公司是个多元化的公司,所以我们有许多不同类型的移动平台。从大型移动平台到高架移动平台,一直到小型移动平台,可以在有更多人的办公室或实验室环境中使用。我们需要不同尺寸、形状的平台应用在制造、仓储和分销等各种场合。”


Lewandowski指出,这些都是自动导航车辆,这意味着他们会根据环境预先学习地图自主地导航,以确定从A点到B点的最佳路线。利用各种传感器和软件,他们可以通过实时智能导航避开意想不到的障碍物。


这类移动机器人可以实现地图映射和路径规划,并且易于部署。而传统的AGV通常需要现有的基础设施或设施修改,例如嵌入在地面上的磁条或导航信标,以引导车辆在指定的路径上行走。


愈发强大的移动机器人


宝洁公司正在使用或测试三大类工业移动机器人:具有高负载能力的大型移动平台,较小的自动导航车辆和移动机械手(移动机器人与机械臂组合)。


Lewandowski表示,“现在最大和最活跃(移动机器人的应用)现在在自主移动平台的领域。这些是大型平台工作在托盘或大负载周围。移动平台在我们的仓库和配送中心,那里没有大量的人力和车辆。” 他说,他们使用的小型自主车辆主要用来移动投放物料、半成品或者成品,它们可以在拥挤的环境中更灵活地移动。


Lewandowski解释道,“我们现在试运行的一个应用是将质量和实验室样品送到他们进行测试的实验室。要将这些小型车辆引入到有许多人和变化的环境中,就需要它们能适应高度动态的环境。”


宝洁公司已经在使用或开发移动机器人的试点应用,例如Clearpath的OTTO,Aethon的TUG和欧姆龙的自主智能车辆,以及来自诸如Fetch Robotics,Mobile Industrial Robots(MiR),Canvas Technology和Milvus Robotics等的自主移动平台。


Lewandowski表示,“安全是至关重要的。它们中的大部分移动系统都是基于相同的技术(LIDAR),所以从安全的角度来看,门槛是确保有一个足够安全的系统来检测物体和人员并作出适当的反应。”


他补充道,“其中一些初创公司开始使用具有更多空间意识的视觉类型技术。重要的是不仅要知道平台所处的位置,还要知道它在环境中的导航位置。有门还是悬挂物,是桌子还是传送机? 它需要能够看到那些情形并做出适当的反应,以避免撞上这些障碍物。”


跟传统的AGV固定平台甚至是固定路线的AGV不同的是,自主移动机器人是自由移动的,安全是一个重要问题。



现有标准的不足




NIST开发测试方法和指标来评估新技术的性能。有时候,NIST会引导标准制定工作,就像在这种情况下与R15.08一样。几年来,NIST在其实验室中对传统的AGV,移动机器人和协同机器人以及这些机器的混合集成进行了研究。






NIST的计算机科学家、R15.08委员会成员Jeremy Marvel说:“我们有兴趣从不同的制造商那里获取机器人模型,并将其整合到一个工作单元中。其中也包括移动工业机器人,特别是机器人手臂与来自不同制造商的移动平台特别整合。”



Marvel和NIST的同事Roger Bostelman也在R15.08委员会研究了现有的AGV和工业机器人的安全标准,同时他们正在对混合系统进行研究。在某些情况下,他们发现了足够的重叠,但在其他情况下,他们发现了差距甚至冲突。






Gerstenberger说,委员会继续使用NIST的调查结果作为确定在制定R15.08标准时遇到的差距和冲突的基础。他指出了其中一个冲突。






“在R15.06标准(2012年发布)中,机器人可以固定在适当位置或移动,但不久之后,又指出该标准仅涵盖移动机器人的操纵部分。所以它并没有指出什么时候机器人可以到处移动,什么时候可以不再关在某个区域。”






同时,他还填补了一项空白。



“控制器如何沟通安全信息? 移动平台上的紧急停止按钮是否也会让机械臂紧急停止?另一方面, 如果机器人控制器发出紧急停止信号,移动平台应该停止移动吗?”






在起草文件时,R15.08委员会将必须这些问题以及其他许多相关问题处理好。



Marvel说,“这是R15.08的基础,我们希望能够解决这些差距和冲突,并为提供安全评估的解决方案提供指导和要求。”






他提到了关于示教器的一个例子,“如果你正在考虑将移动平台和工业机械臂集成到一起,而它们都有自己的示教器,你如何纠正和补救控制问题,让你自己一个控制点?我们指定一种方法来实现吗?我们是否指定移动平台必须放弃对工业机器人的控制,反之亦然?或者我们通常指定一个控制点,然后让集成商或制造商想出如何做?”






Marvel表示,目前委员们倾向于后一种方法,这意味着在平台上增加一个机械臂时,由制造商确定单一控制点。当需要把两者集成在一起时,则有集成商决定。






Marvel说,“将两家不同制造商的系统集成到一起时,是一个重大的挑战。在大多数情况下,它们都是封闭的系统(拥有专利技术),不会开放给别人的软件进行控制。”






Marvel说这很不容易,但使用ROS操作系统这样的常用开放语音会容易些。



“我们花了几个月时间来完成与封闭AGV系统的第一次集成,但我们仍然不确定我们做的是否正确。距离我们今年夏天刚刚集成的开放平台还不满三周。“



NIST采用传统的叉车AGV,并在移动平台的顶部安装了Universal Robots UR10协同机器人臂,使其成为混合动力车。






Marvel解释道,“混合动力车不使用导线,磁铁或线路引导(像传统的AGV),相反,它使用基于激光的三角测量系统来确定其在开放环境中的位置,从而允许控制软件告诉它在哪里去动态生成路径。一旦被告知要去哪里,它不会偏离那条路。我们正在与AGV平台的制造商以及控制软件合作,使其更加灵活,更具适应性,因此可以以安全的方式应对任何潜在的碰撞或安全隐患。“






他们还有一个与ROS兼容的Omron移动平台。他们正在对比封闭系统与开放系统。






“整合安全信号真的很难,跟控制是一样的。机器人控制器要负责所有的事情。因此,当你试图集成两个智能系统时,就需要谈判。试图与两个不想谈判的系统进行谈判是很棘手的。你最终会看到左手右手的情况,机器人手臂和移动机器人都在做自己的事情,但是他们或多或少相互忽视。这个交叉点在安全性和可靠性方面感觉有点冒险。”