托盘码垛机是当今物流领域非常重要且不可替代的重要机械设备。多年来，工业机器人就一直被用于集装箱和周转箱的运输。传统的机器人工作单元能够在围栏内高效的工作，而它们的围栏也是完成托盘运输唯一的“人机接口”。近几年来，托盘码垛堆放技术有了很大进步，越来越多地出现了协作机器人码垛的解决方案。这些执行托盘码垛任务的协作机器人都高高地站在一个凸出地面的底座上。它也可以安装在其他码垛设备的悬伸轴上，完成最大工作范围2 m的高负载搬运。

几乎在所有的物流搬运场合中都可以使用协作机器人从事码垛工作。在物流输送线的末端，机器人可以按照设定的方式拾取包裹并按照规定的排列方式将其整整齐齐的排放在运输托盘上运送出去。与码垛相反的拆垛同样也是使用协作机器人最典型的应用领域。

图1  协作机器人也越来越多地用于码垛和拆垛

特点和风险

机器人码垛过程中的主要风险就是机器人拾取托盘或包裹的运动。这里通常至少包含了两个薄弱环节：第一个风险是从输送带上拾取和放置周转箱或包裹，第二个风险是在托盘上拾取和放置周转箱或包裹。如果物资运输路径上没有其他障碍物时，则其他所有的碰撞可能性都是瞬时触碰。

把风险降到最低

为了降低出现瞬时触碰的风险，码垛机器人就必须限制系统中所有运动部件的运动速度。限制的运动速度大小取决于机器人的运动惯量（质量）和机器人占用的最小面积，这里最小面积指的是机器人可以与人体躯干相接触的区域。

可以将机器人的运动速度划分为两个等级。第一个速度等级是从传送带类运输设备上拾取或者放置周转箱或包裹的速度。这一速度受到周转箱或包裹的限制，在机器人允许的条件下托盘及其上面的物资也应与机器人有着相同的运动特性。

图2  机器人的防碰撞保护运动和工作循环时间优化运动

第二个速度等级是机器人运动区域内的运动速度。根据EN 13854标准的规定，为避免触碰到操作者人体部位这一区域中应有足够的空间放置障碍物。有了足够的空间之后，这一区域内只剩下瞬时触碰的风险了，而大多数情况下瞬时触碰最多只能使操作者感到有些疼痛。因此，在这一区域内机器人可以有更快的运动速度。

从机器人设计的角度来讲，压力在碰撞中起到了关键的决定性作用。压力的定义是单位面积上受到的力，如果碰撞时相互接触的面积很小，例如碰在拐角、边缘或者突出的螺钉上，则产生的压力会相当高，受伤的风险也非常高。如果从设计和结构需要的角度无法避免这种面积很小的接触点时，则应在这类接触点上设计有防护盖、防护罩之类的防护装置。原则上讲，机器人控制程序不属于安全保护的方法之一，因为机器人控制程序是随时可以改变的，或者在使用AI人工智能技术之后机器人的运动过程存有不可预测或重复出现的意外事件。

然而从一开始就编写了保护性的程序则可以进一步减低现有风险出现的概率。如果通常情况下机器人都是在托盘、周转箱或包裹类重物之上运动，不是在空旷的空间中运动，则在机器人运动路径上出现操作员的可能性就很低了。

图3  左图为保护性下降，右图为保护性堆叠

图4  托盘上的工作空间，侧视图（右）和俯视图（左）

图5  物流输送设备的工作空间，侧视图（右）和俯视图（左）

机器人运动路径上的障碍物阻碍了操作员的站立。经典的工业机器人都对其工作循环进行了优化，并在这段循环时间内能以很高的运动速度运行。无围栏的机器人应用场景，也就是操作员随时可以接近工业机器人的工作场景已经屡见不鲜。如果此时检测出可能出现碰撞，则必须从根本上进行优化完善，避免碰撞。

每一条可能与操作员发生碰撞的机器人运动路径都不可避免的存在机器人停止工作的风险，都有着很大的停机时间损失。如果将机器人的运动路线设计在操作员无法站立的地方，则不太可能发生碰撞。这就可以大幅度的减少停机时间损失，减少碰撞风险。

作为预防性的保护程序，在机器人码垛和拆垛时都应尽可能远离操作员站立的位置。首先是托盘或周转箱等重物向下运动，然后平移到垛堆的上方，这就能够有效避免斜线移动和可能产生的人体挤压运动。托盘下降到合适位置后的运动相当于一个推送，远比斜向“劈杀”更易让人承受。

机器人是人与人之间的一道障碍或者屏障。从安全和劳动保护的角度来看，它不是操作员接近机器人时的屏障和障碍，但从风险评估的角度来看操作员是很难接近码垛机器人的。风险评估认为，避免损失的可能性增加，发生碰撞的可能性减小。通过预防性的保护程序可以直接降低操作员受伤的风险，将物流过程受到的损失和出现的可能性都降低到最低程度。

在码垛时，机器人可以在工作区内很好地工作，因为可以提前确定行动空间。如果按照 EN 10218-2 标准将这些空间定义为封闭空间，机器人就无法离开这一空间，被视为机器人“不可逾越”的界限。这种空间的大小只允许机器人在其中移动包裹，托盘能够到达的位置可以被视为机器人工作空间的极限。机器人不能离开绿色的工作区域，因为这一绿色区域被视为一个封闭的空间。机器人可以在这个封闭区间内任何地点的托盘上拾取或者放置包裹和周转箱，然后离开或返回封闭区域的中心位置。

码垛机器人在输送设备上的工作空间同样被定义为一个封闭空间。如果输送带上的包裹具有一定弹性，则此时机器人工作空间可以定义为超出输送带宽度尺寸的封闭式工作空间。超出的多少应根据机器人和输送设备之间能够产生的弹力大小而定。此时，有决定性意义的是输送设备的工作空间应设计得刚好让机器人将包裹或周转箱送达终点位置，完全没有必要让机器人沿输送系统“再向前一步”。机器人运动的终点位置不应与其他工作空间相互重叠，例如不得与托盘的堆叠空间相互重合。

如果用户能从一开始就毫不动摇的做到这一点，那么就能最大程度地降低潜在的碰撞风险。如果用户能结合使用一些二级安全保护装置，例如使用激光扫描仪或者雷达扫描仪扫描托盘周围或者托盘上的物品，则能更好地探测和查询有无碰撞风险。设想一下用雷达传感器探测托盘上物资的情况：当机器人在输送设备的上方工作时它的雷达传感器就会探测到托盘上方的人有无安全风险，因为此时的机器人就在输送设备的工作区内工作。

更近一步的安全保护就是机器人能够在进入托盘工作空间之前首先搞清楚工作空间内是否有人。如果工作空间内有人，则机器人的控制系统就会发出停止命令（Walt-DI），并在工作空间入口处等待。如果码垛机器人的控制程序出现了错误，则雷达扫描系统会立即锁定机器人即将进入的工作空间。正如没有安全护栏的工业机器人应用经常发生的情况那样，无论是否有危险，周围的工作人员无法知道机器人虚拟工作空间到底在哪里。因此，在所有的无围栏机器人应用场合，尤其是在连续性工作的场合中存在着非常大的安全风险，因此，机器人的虚拟工作空间应该有非常醒目的颜色标记。

最终选择哪种颜色做虚拟空间的标记则取决于机器人工作现场地面的颜色。作为机器人虚拟工作空间界限的颜色不建议使用红色和黄色。一般情况下黄色都是用来表示异常情况或者故障的危险警告，红色则通常用来表示紧急情况或者有直接危险的情况。如果想用好协作机器人，则应避免出现红黄两种颜色所示情况。近几年来，常常用蓝色来表示无围栏机器人的工作空间界限，因为这种颜色是一种非常引人注目的颜色，这与协作机器人的人机合作过程非常契合。

协作机器人与二级保护系统一荣俱荣

对于那些想将简单控制程序的协作机器人和有着大吞吐量的工业机器人相互结合起来的人来讲，如果不将二次安全保护系统也集成到协作机器人系统中则只能有限地实现安全保护功能。在不需要或者不希望人员进入工作区域时，则没有理由反对使用原材料供应和产成品输出的、传统的安全防护栅栏。即便是重量大的包裹或周转箱，也不可避免地要考虑到因包裹或周转箱重量太大而使机器人“抓不住”掉落的风险；同时，这种情况也增加了碰撞时的动能。

Coboworx公司提供了一个非常有趣的解决方案。它们开发并制造了一种码垛专用机器系统。该系统的垂直轴直接安装在机器人底座上，其效率很高，而且也包含了许多不是码垛机器人所需的功能。Coboworx CW40是一款四轴机器人，其运动过程类似水平多关节机械手臂Scararoboter，它足以完成各种码垛和拆垛任务。

它不仅能降低码垛机器人的采购成本，还因省略了两个运动轴而降低了码垛机器人系统的使用成本和维护费用。它的运输吞吐量也高于没有安全围栏的码垛机器人系统，每次能够拾取重达35 kg的物资，每小时能够完成多达600次的物资拾取，结合使用多件拾取器还可以实现更高的物资吞吐能力。正是这种拾取重量级别使其完全不同于纯功率和力度模式的传统协作机器人，但从经济角度看几乎没有办法绕过二级安全防护系统。

非常有趣而且也非常符合协作机器人市场需要的是计划中的服务包，也就是所谓的“机器人即服务”，这一操作机器人系统可以按照购买模式和租赁模式提供给用户。在当今的数字化时代，协作机器人的工作参数都是可以提前在线配置的。由于协作机器人作为一种产品上市，因此它的所有工作参数都已经预先配置好，在使用现场可以快速完成安装调试。这在用户企业的规划设计中也有着非常重要的作用和意义。根据简单易用的原则，一个程序的启动和运行时间不应超过10 min，这一概念非常有趣，展示了一个包括分离保护装置在内的完整系统。