万勋冷知识 | 接触式交互:机器臂怎么就不能“安全撞人”了?

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01


“机器人安全”问题

古已有之,说来话长


机器人鼻祖阿西莫夫(Isaac Asimov,1920年1月2日-1992年4月6日)1950年代提出“机器人三定律”,第一条就是“机器人永远不能伤害人”。


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人类对于机器人最底层、最根本的恐惧,就来源于对机器人行为的不可预测性的未知。

一台永远不伤人,任何情况下都保证安全的机器人,才是给人服务的机器人的终极追求。


然而,现实似乎完全不是那么一回事儿。历史上已经有了无数的机器人致伤、致死的案例,最新的一起发生在2022年8月俄罗斯象棋比赛中,一台机器臂夹断了一个小男孩的手指,因为小男孩下棋犯规了。现有的机器人技术完全无法彻底地保证人的安全(别管什么阿西莫夫第一定律)。


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02


为了实现相对的机器人安全作业

科学家和工程师们可废了牛劲


工业机械臂的“黑铁时代”

保证安全靠“物理结界”


最早的工业机器人,由于自重巨大,速度巨快,一旦工作起来根本停不下来,因此为了保证机器人不伤人,只能把机器人用安全铁笼子关起来,开机时人畜勿近,关掉电源彻底停机了才能进人进行维护调试。一旦人在开机运行时进入笼子范围,就有极高的生命安全风险,而一旦发生“机器人撞人”事故,难保悲剧收场


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围住的是“猛兽”

但无法祛除的内心恐惧又怎能圈定?


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传统工业臂体积大、重量大、惯性大、速度快,需要用安全围栏限定安全作业空间,将车间工人与机器人进行物理隔绝,保证人员安全,并禁止在运行过程中出现人机交互。


协作机械臂的“青铜时代”

保证安全靠 “躲猫猫”


进入2000年代,协作机械臂的问世,标志着机器人走出安全铁笼的新时代。由于体积和重量的双重降低,协作机器人可以更灵活地控制自身运动,并且不断地根据环境状态调整自身运动轨迹,因此通过机器视觉等辅助手段,机器人可以判断运动轨迹上是否有人或者障碍物,并且及时调整自身轨迹绕开以避免碰撞。直观来看就像是机器人在“绕着人走”。


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当感应到人靠近时,机器会自动避开


在这种安全逻辑下,1)机器人一旦检测到人进入危险范围,必须降低速度随时准备规避碰撞;2)一旦检测到碰撞发生,机器人必须立刻停止运动,等候人的检查和复位,才能再次运动。因此,想要确保机器人持续工作不间断,人必须从头到尾不能碰到机器人,必须不停地“躲猫猫”,一旦发生“机器人撞人”事故,必须停机检查。


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靠躲避和操控实现的远程安全

交互安全是否还能更亲密?


力控共融机器人的“白银时代”

保证安全靠“第六感”


近年来共融机器人兴起,通过多传感器融合和精确实时力控,协作机械臂可以通过“第六感”的多种传感器来获得更加全面的环境信息感知,从而通过高速高精度的控制算法实现安全的力交互。


但是与此同时,机械臂的安全交互高度依赖于传感器的摆放位置和有效性,以及控制算法的有效调控。首先,力交互只能发生在已经预先放置了传感器的特定位置(例如末端手爪),如果在没有安装传感器的位置发生碰撞,机器人则不会产生相应安全交互。


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安全力交互

仅限于在安装了传感器的末端手爪


同时,一旦传感器出现信号延迟或者错误,或者控制算法出现问题“跑飞”,机器人瞬间丧失了“第六感”,同样会对人和环境产生不可逆转的伤害。所以,“机器人撞人”要分情况和位置:有时能撞,有时不能撞,这里能撞,那里不能撞。


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“第六感”一旦失效

仍有可能产生碰撞


不论上述哪种机械臂,由于自重大,速度快,相对的安全交互都是在低速状态下、运动和控制都正常的前提下才能实现的。一旦出现异常情况,伤人伤物的风险随时存在,可以理解为“系统底层不安全”。


美国机器人工业协会(RIA)公布的“协作机器人”安全标准里明确规定,机器人只要能降低速度和功率,或者能手动操作干预,和能够发生碰撞时及时停止,就都算是安全机器人。由此可见,“机器人撞人”一直是一个洪水猛兽的存在,人们一直避之不及,因此上述的机器人系统更多的应用于环境相对固定、封闭、宽敞的工业场景。


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(《ANS/RIA for Industrial Robots and Robot Systems —Safety Requirements》封面)


03


服务应用场景里

机器人要在“非结构化”自然环境里

长期进行“接触式”作业?

那不是疯了?


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在未知场景中

服务机器人的交互安全隐患一直存在


告别工业生产线,服务机器人再也不知道它的一生将在什么样的环境里工作了。工业产线上,机器人一次调试完成之后会长期重复同一个动作序列,因此不会太关注对环境随机性变化所需要的适应性。


而在服务应用场景中,机器人会在多个场景中完成作业任务,而每个场景不同时间的实际状况也会随机发生变化,机器人完全无法事先预知工作环境,因此也就完全无法通过事先约定来预知力交互可能发生的时间顺序和位置,而要求必须能够适应各种环境发生的各种事件,同时保证绝对安全。


更加火上浇油的是,服务机器人的宿命,就是要与人和环境接触的。机器人在服务场景里的主要作业任务,不只是测测温扫扫码拍拍照,而是更多的需要直接上手去碰、去搬、去扭、去拖、去擦,这都需要机器人直接与环境或人发生物理接触和力交互。


同时,这些交互的具体过程每次都不相同,机器人完全无法预先确定。这对于基于“安全笼”,“躲猫猫”,“第六感”的机械臂来说,确实超纲了。


04


能在任何情况下

都保证安全作业的服务机器臂

靠的是柔中带刚,轻盈敏捷


柔韧机器臂的“黄金时代”

保证安全靠“骨骼清奇”,全天候躺赢


美国哈佛大学的科学家2010年代提出了“软体机器人”的全新概念,用柔软的材料作为身躯构建机器人,这样无论何种情况都不会对环境和人产生碰撞伤害,“怎么撞,怎么躺平”,真正做到童叟无欺,绝对安全。


基于软体技术打造的“柔韧机器人”,使用刚柔混合的策略提升纯软体机器人的作业能力,同时保证了基本的绝对安全性,靠着一副天生的好骨骼,在服务应用的大场景下无疑能够真正满足机器人安全无害的核心要求,基本躺赢。


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柔韧机器臂,柔中带刚,刚柔融合,实现安全性和作业能力的完美平衡。全软的机器人,由于软材料自身的刚度低,实际进行作业时反倒很难控制自身的运动稳定性和输出有力的大负载。


柔韧技术用刚柔融合来给软体机器人加入骨骼和脊梁,让它们能在作业时挺起腰板做活儿,同时保证了发生碰撞时柔软的部分能够虚怀若谷,化解碰撞能量来确保安全,达到“多刚一分则鲁莽,多柔一分则儒弱”的佳境。


超轻的自重是保证柔韧臂安全的另一个秘密武器。由于大量采用了高分子聚合物和复合材料(密度远低于传统机械臂的金属材料),柔韧臂的自重大大降低,在发生碰撞时很容易停止,引发的二次伤害远远小于刚性手臂,同时自重轻带来了更低的能耗和更加便于安装和搬运,进一步拓宽了柔韧臂的应用领域。


05


机器人“撞人”?

能安全“撞人”的机器臂

才是好的服务机器臂


有了柔韧臂对碰撞安全的全方位保证,“撞人”不再是一个性命攸关的事故,也不再是一个会打断作业任务流程的特殊事件,而是一个再普通不过的常规操作。柔韧臂不仅能撞人,而且能撞出价值,撞出全新的作业场景来,更加创新地进行全方位服务。


不管是儿童、老人、病患、还是普通用户,服务机器人不应该对用户的使用和认知力有任何的限制,人应当、而且必须能够自如不受限的与机器人交互。不论风吹雨打,拳打脚踢,仍然任劳任怨,安全作业的机器臂,才是好的服务机器臂。


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真正能走进家庭的机器臂

必须是绝对安全的


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