各大協(xié)作機器人廠商人機安全協(xié)作方式（HRC）簡介
1. UR 安全協(xié)作方式

1.1 Safety Configuration
通用限制（General limits）
　　包括機器人的力、速度、動量等限制。
關(guān)節(jié)限制（Joint limits）
　　可以限制各個關(guān)節(jié)的最大速度、運動范圍。
固定安全區(qū)（Fixed safe zone）
　　通過UR的手持控制面板PolyScope可以建立安全區(qū)域，每個boundaries相當與一堵虛擬的墻，當機器人越過墻的邊界，則會觸發(fā)縮減模式(Reduced Mode)，此模式下機器人的力和速度會受到限制，以適應安全協(xié)作的要求。
動態(tài)(層級)安全區(qū)（Variable safe zone）
　　層級安全區(qū)的建立通過UR提供的Safety I/O接口來實現(xiàn)。
　　UR提供了三種可供使用的模式：分別為：Normal mode（正常模式）、Reduced mode（減速模式）、Safeguard stop（安全防護停止）。
補充
　　UR機器人本體并不具備探測障礙物距離的傳感器，想要建立層級安全區(qū)可以使用一些外圍的檢測設備，如激光雷達，光柵，壓力墊。
　　通過激光雷達等距離傳感器，設置障礙物（人）進入某個范圍后，分別觸發(fā)UR機器人的三種對應模式，如下圖所示，可以規(guī)定當人處于綠色區(qū)域時，觸發(fā)正常模式，此時機器人的速度和力將不受到限制；當人進入黃色或者橙色區(qū)域，觸發(fā)縮減模式，此時機械臂將減速運行，力矩、功率等也相應減小，以滿足安全人機協(xié)作要求；當人進入紅色區(qū)域，機器人觸發(fā)safeguard stop模型，該模式下機器人停止運動，當人離開該區(qū)域后，機器人恢復運動。

　　

1.2 碰撞檢測
關(guān)于UR系列機器人的碰撞檢測方法一直存在爭議，由于UR機器人本身并為配備任何力矩傳感器，所以可以確定的是UR機器人采用的是無傳感碰撞檢測方法。
　　傳統(tǒng)碰撞檢測算法的一般思想是通過建立機器人的動力學模型來估算機器人的理論力矩，再與通過真實力矩的采樣值的差值大小來確定機器人是否發(fā)生碰撞。獲取真實的力矩一般需要加裝關(guān)節(jié)力矩傳感器，而無傳感器碰撞檢測方法則是通過機器人本體來得到真實力矩，如通過驅(qū)動器反饋的電流來估計機器人的力矩大小。
　　有一種猜想是UR機器人通過雙編碼器來實現(xiàn)力矩的估計。因為力矩傳感器的基本原理就是利用彈性體的形變來估計力矩，諧波減速器本身即可看作是一個彈性體，因此通過機械臂輸入端和輸出端的雙編碼器差值得到諧波減速器的彈性形變，進而即可得到關(guān)節(jié)受到的力矩，從而判斷機器人是否發(fā)生碰撞。但諧波減速器的剛性很大，而且存在摩擦力的影響，其次編碼器的精度也有限，所以UR是否采用此方法有待商榷。個人認為應該是采用電流環(huán)的方式。
　　還有一種猜想是，UR只測量實際的末端執(zhí)行器姿態(tài)和期望的姿態(tài)之間的距離，來估計是否發(fā)生碰撞，詳情請看CoRoETS的實驗。

補充：
　　UR機器人所采用的力控制方式并不能保證絕對安全，官方也明確說明：“the robot force limitation does not give protection against momentum”，即雖然UR擁有碰撞檢測功能，但也不能完全消除動量對人造成的沖擊。當機器人高速運轉(zhuǎn)時，如果碰到工作空間內(nèi)的人，即使能夠在檢測到碰撞時停止，但在一瞬間的沖擊力依然十分巨大，遠超過其安全閾值（150N以下）。
2. ABB YUMi 安全協(xié)作方式

　　ABB的YUMi協(xié)作機器人與2015年發(fā)布，其協(xié)作方式不同于UR，它完全拋棄了安全區(qū)設置的方法，而是直接使用碰撞檢測來實現(xiàn)安全的人機協(xié)作。YUMi的碰撞檢測方法是基于電流環(huán)式的無傳感碰撞檢測方法。電流環(huán)式碰撞檢查的基本思想是機器人在碰撞時驅(qū)動器反饋的電流會發(fā)生變化，捕捉這種變化便能檢測出機器人是否發(fā)生碰撞。

上圖來自知乎用戶[桂凱]的優(yōu)秀回答
　　
　　上圖是一個機器人關(guān)節(jié)的簡化模型，其中彈簧指代關(guān)節(jié)中柔性原件，當對此關(guān)節(jié)連桿處施加外力時，由于彈性元件的影響，其外力變化被電機感知的過程必然存在一定的滯后，使電流環(huán)無法實時的檢測碰撞；其次，傳動鏈中的摩擦力不容忽視，如果傳動鏈中的摩擦力很大，可能在連桿末端施加外力，而電機反饋的電流卻不存在任何變化，例如在機械臂掉電的情況下我們?nèi)ビ昧ν苿訖C械臂，而機械臂卻不會運動，這正是由于傳動鏈中摩擦力造成的影響，因此采用電流環(huán)式的方法進行碰撞檢測仍然面臨著檢測精度差、靈敏度差、以及檢測范圍有限等問題。YUMi由于自身負載小（末端負載僅為0.5kg）、輕量等特點，在使用電流環(huán)式進行碰撞檢測時依然能都達到很好的檢測精度。
　　其次，YUMi擁有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。

3.KUKA LBR iiwa 安全協(xié)作方式

3.1 KUKA Sunrise.HRC 安全系統(tǒng)
這是KUKA用在LBR iiwa機器人上的一個安全系統(tǒng)，包含KUKA Sunrise.SafeOp-eration 操作系統(tǒng)的全部功能。各大廠商的協(xié)作機器人安全系統(tǒng)大同小異，內(nèi)置的功能基本與UR類似，都是實現(xiàn)如機器人速度、力限制、安全區(qū)劃分等功能，這里不詳細展開。

3.2 碰撞檢測
LBR iiwa的碰撞檢測方法是基于關(guān)節(jié)力矩傳感器的方法，而且在每個關(guān)節(jié)處都安裝有力矩傳感器，共計7個。據(jù)說這些傳感器的成本就超過機器人的一半，所以KUKA LBR iiwa的價格相對其他協(xié)作機器人是更貴的，高達70000美元（折合人民幣約50W）,而UR系列中負載最大的UR10售價也僅為40000美元。但更多傳感器的引入也使得LBR iiwa的碰撞檢測更加靈敏，拖動示教更容易，安全性更高。

4. FANUC CR-35iA 安全協(xié)作方式

4.1 FANUC DCS安全系統(tǒng)
Fanuc也有自己的安全系統(tǒng)：DCS（Dual Check Safety），該系統(tǒng)分為以下幾個部分（簡略劃分）：

Joint Position Check
關(guān)節(jié)位置檢測，其功能為檢測機器人的某一關(guān)節(jié)是否處在某一特定區(qū)域。
Joint Speed Check
關(guān)節(jié)速度檢測，檢測關(guān)節(jié)電機的速度是否超出了設定的范圍。
Cartesian Position Check
　　笛卡爾空間位置檢測，檢測機器人的TCP（Tool Center Position）位置是否處在安全區(qū)域（Safety Zone）內(nèi)。
Cartesian Speed Check
　　笛卡爾空間速度檢測，檢測機器人的TCP速度是否超過設定值。
Safety I/O
　　類似與UR的Safety I/O功能，可用于層級安全區(qū)域的劃分，如下圖所示。

　　
以上各部分功能相互配合，則可達到神奇的效果，比如可以限制機器人在某一固定范圍內(nèi)運動，壓縮機器人的活動區(qū)域，如下圖所示。

　　同時，DCS的速度檢測功能也能實現(xiàn)類似UR機器人的安全區(qū)域的功能，可以通過設置若干平面（Boundaries）構(gòu)造安全區(qū)域，機器人在進入該區(qū)域內(nèi)觸發(fā)縮減模式，力和速度都將縮減，以滿足安全協(xié)作的要求。
　　
油管鏈接?：https://www.youtube.com/watch?v=ujJL1B-vHaE
4.2 碰撞檢測
FAUNC的碰撞檢測方法也比較特殊，既不同于UR機器人的無傳感碰撞檢測方法，也不同于KUKA LBR iiwa機器人在每個關(guān)節(jié)處都安裝扭矩傳感器的方法，F(xiàn)ANUC CR-35iA本身就安裝在一個大的力矩傳感器上，該傳感器位于機器人的基座部分。

5.MRK SYSTEM KR 5 SI 安全協(xié)作方式

　　MRK SYSTEM 是德國一家工業(yè)機器人技術(shù)整合公司，為企業(yè)提供自動化解決方案，并專注于人機安全協(xié)作系統(tǒng)的研發(fā)，賦予傳統(tǒng)工業(yè)機器人安全協(xié)作的能力。

5.1 KUKA.SafeOperation安全系統(tǒng)
該機器人使用的是KUKA的KUKA.SafeOperation安全系統(tǒng)，可實現(xiàn)安全區(qū)域劃分，速度和力的監(jiān)控等，其次要說明的是，這款系統(tǒng)是為工業(yè)機器人開發(fā)的安全系統(tǒng)。

5.2 安全皮膚
MRK SYSTEM KR 5 基于KUKA KR 5 HW ARC焊接機器人，在其基礎上進行了一些改動，并在機器人本體覆蓋了阻尼安全墊（damping safety pads），墊子內(nèi)裝有觸覺傳感器和電容式距離傳感器，觸覺傳感器用于碰撞檢測，而電容式距離傳感器能夠根據(jù)電場的變化檢測到人的存在，在不發(fā)生碰撞的情況下安全停止。
　　個人認為這是一種極好的人機協(xié)作方式，畢竟在不發(fā)生的碰撞時就可以預測碰撞，比真實碰撞發(fā)生時才檢測到碰撞要安全的多。末端執(zhí)行器處安裝有一個可變徑式法蘭盤，用于檢測末端執(zhí)行器發(fā)生的碰撞，當法蘭盤接受超過120N的力時，會給控制系統(tǒng)發(fā)出停止信號。

KUKA KR 5 HW ARC焊接機器人

6.Festo BionicCobot安全協(xié)作方式

Festo是德國一家仿生機器人公司，其做的仿生產(chǎn)品總是能夠讓人驚嘆。

festo仿生蝴蝶

festo仿生烏賊
　
　　這次festo也開發(fā)了一款協(xié)作機器人產(chǎn)品BionicCobot，這款協(xié)作機器人幾乎完全不同與先進市場中的任何一款協(xié)作機器人，它完全拋棄了電機驅(qū)動的方式，而是采用了氣壓驅(qū)動，當然不出意料的是這款機器人依然采用了仿生技術(shù)，其模擬人手臂進行運動控制的原理：肱二頭肌和肱三頭肌控制。當人提重物時，肱二頭肌收縮，肱三頭肌放松，當下拉物體時則相反，BionicCobot的每個關(guān)節(jié)裝有一個氣動半回轉(zhuǎn)驅(qū)動器，它由兩個氣源管路提供動力，當抓取重物時，一個起源管路充氣，另一個放氣，模擬肌肉的收縮過程。

　　
festo bioniccobot 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

此外，其每個關(guān)節(jié)都裝有一對壓力傳感器，用于檢測機械臂的碰撞和外界壓力的變化，實現(xiàn)安全人機協(xié)作。不過該機器人的負載僅為1.5kg，重復定位精度0.1mm，與UR系列相當。
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