协作机器人系统的安全策略分析.doc
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1、协作机器人系统的安全策略分析软件在控制车辆和设备方面继续发挥着越来越重要的作用。同时,软件错误的必然性威胁到软件控制的机器与人类交互的应用中的安全操作。例如,在协作机器人中,机器人和人类紧密相连,软件错误可能直接导致对人类的身体伤害。对于这些应用程序和其他机器操作中的计算机系统错误可能危及人类的应用程序,设计师需要在基础层面上对其系统进行安全控制。智能使用已内置于微控制器(MCU)和数字信号处理器(DSP)中的硬件功能可以帮助减轻硬件或软件中的错误影响。自动化和手工劳动继续相互补充广泛的产品成本和功能窗口。虽然自动化可以有效地提供大批量,低成本的产品,但手动组装对于生产高成本,低产量的产品最为
2、有效。协作机器人提供了一种混合方法,旨在合并每种方法的优点(图1)。图1:协作机器人系统提供了一种混合方法,融合了手动生产和自动化系统的优势。 (来源:ABB/欧洲机器人论坛)协作机器人系统旨在与特定工作区内的人员直接合作。这种混合方法将机器人的宝贵力量和耐力与人类的解决问题的能力相结合。与此同时,这种方法给人类工作者带来了巨大的风险。机器人系统能够以很大的力度摆动机械臂,并以极大的力量抓住物体。放置在工作单元中,典型的机器人被限制在与人类工作人员协作的同时在明确定义的操作窗口内移动,但在维护工作人员照料系统时移动到更大的限制范围内(图2)。很少有机器人系统允许在人类存在的情况下穿过其完整的最
3、大包络。图2:工业机器人需要深度嵌入式安全机制,能够确保在与正常生产和维护相关的特定区域内安全运行。 (来源:美国劳工职业安全与健康管理局)传统的机器人装配系统设计有物理限制或围栏工作区域,以保护附近的人(图3)。当在一个或多个人附近工作时,协作机器人系统几乎没有设计到工作单元中的物理保护。相反,这些系统依赖于内置机制来确保安全操作。在这样的系统中,由软件缺陷或硬件故障引起的系统级错误可以容易地允许可移动机器人臂加速进入人体或执行一些物理运动,这可能对人类协作工作带来直接风险。图3:在工厂车间,制造商在工业机器人周围设置物理屏障,以防止与附近的人类工人意外接触。 (来源:DNC)安全策略对于设
4、计人员来说,确保机器人系统的安全运行始于确认其基础控制系统按预期运行。专为实时控制应用而设计的DSP和MCU提供了多种专门用于此目的的内置安全功能。例如,ADI公司的ADSP-BF707 DSP和德州仪器的Hercules系列MCU均集成了多种存储器检查功能,包括用于片上存储器的错误校验和校正(ECC),用于片外的奇偶校验位检查用于直接内存访问(DMA)传输的内存和循环冗余校验(CRC)。虽然这些内存功能可以在内存操作期间纠正或至少识别错误,但确保处理器本身的正确操作是更复杂的问题。处理器核心本身中出现的硬件故障可能导致不可预测的错误,包括机械臂或机械手的危险运动。为了识别核心故障,模拟ADS
5、P-BF707 DSP和TI Hercules系列MCU均包含集成在处理器内核中的内置自测(BIST)机制。虽然BIST在执行应用程序代码本身时无法运行,但系统设计人员可以将完整或部分自检运行与应用程序代码执行交错 - 如果不连续监视处理器功能,则提供持续的。使用TI Hercules系列MCU例如,设计人员可以通过几个简单的步骤启动BIST扫描:配置时钟域频率选择要运行的测试间隔数配置自检运行的超时时间保存寄存器状态,包括CPU内核寄存器和协处理器寄存器以及硬件断点和监视点寄存器通过将相应的位写入CPU自检控制器寄存器来启用自检(图4)等待CPU重置在重置处理程序中,读取CPU自检状态以识别
6、任何故障检索CPU状态图4:工程师可以轻松实现完整或部分BIST扫描,在应用程序执行之间交错。对于TI Hercules系列MCU,工程师可以实现代码以快速执行各种内务处理步骤,最后通过此处所示的自检控制器寄存器中的坐位进行自检。 (来源:德州仪器)拦截软件错误与大多数领先的应用程序一样,协作机器人系统依靠软件来实现其功能的主要部分,特别是对于高度差异化的能力。在操作期间,任何数量的软件错误(包括错误设置的指针变量,堆栈溢出或逃脱测试覆盖的代码错误)都可能导致系统挂起或以其他方式分离到非预期的操作中。为了防止这种类型的系统行为,设计人员可以在软件本身中实现运行时检查。使用看门狗定时器提供了一种
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