服务机器人安全

张锋 褚明杰 于涛

【摘要】未来在中国服务机器人将有广阔的使用前景，但针对服务机器人安全技术研究方面和国外发达国家比还相对薄弱。原因有多方面，其中最主要的原因是安全技术标准的普及率太低。本文主要介绍了服务机器人安全设计时所涉及的机械安全、电气安全、控制安全和功能安全标准介绍及概念解释。同时还介绍了安全标准分类和国外的服务机器人安全认证机构及国内服务机器人认证现状。

【关键词】服务机器人；安全标准；风险评价；功能安全

Safety of Service Robots

Feng Zhang，Mingjie Chu，Tao Yu

（Siasun Robot & Automation Co.， Shenyang 110168， China）

Abstract： Service robots will have bright future in China， but safety technology research for service robots is still relatively weak compared with foreign developed countries. There are many reasons for that， and the most important reason is that the popularization rate of safety technology standard is too low. This paper mainly introduces the introduction and concept interpretation of machinery safety standard， electric safety standard， control safety standard and functional safety standard used in safety designing of service robots， and the classification of safety standard， safety certification authority of foreign service robots and certification status of service robots in China is also introduced in this paper.

Keywords： service robot； safety standtard；risk evaluation； functional safety

引言

中国人口老龄化日趋严重，据国家统计局数据，2014年年末我国65岁及以上人口数为1.3755亿人，占比10.1%；据中国老龄产业发展报告（2014）预测，2050年全世界老年人口将达到20.2亿，其中中国老年人口将达到4.8亿，几乎占全球老年人口的四分之一，将是世界上老年人口最多的国家[1]。因此，无论是制造业还是服务业包括医院、养老院等机构都将面临劳动力的严重不足，解决此问题的关键是大力发展活跃于这些行业或机构的服务机器人。

服务机器人的最大价值是能和人在共同的生活区域或工作空间内运行，从而为人提供帮助。工业机器人的“隔离原则”（人和机器人利用安全护栏空间分离）和“停止原则”（安全护栏门口设置安全联锁，门打开机器人自动停止） [2]很难适用于服务机器人。当然，适用的可能性也有，但服务机器人的实用性将会降低。因此，服务机器人的实用性和对人安全性的并存成为服务机器人实用化的重要课题之一。解决此课题的关键是2014年发行的服务机器人国际安全标准ISO13482[3]，此标准包含移动作业机器人、载人机器人和身体辅助机器人三大类服务机器人的基本安全要求，标准核心是功能安全。功能安全是指机器人具有即使发生故障也能保证系统安全的功能，能够使风险降低到最小。本文主要介绍服务机器人安全设计时所涉及的机械安全、功能安全、电气安全和控制安全标准介绍及概念解释。

1.服务机器人安全概要

服务机器人安全主要包括机械安全、功能安全、电气安全和控制安全。

图1 服务机器人安全

2.安全标准

ISO/IEC安全标准一般分为基础安全标准（A类）、通用安全标准（B类）和专业机械安全标准（C类），共三类（如图2）[4]。服务机器人国际安全标准ISO13482为C类专业产品安全标准。

图2 安全标准分类

A类（基础安全标准）：适用于所有机械的基本概念、设计原则和一般特征；B类（通用安全标准）：涉及机械的一种安全特征或使用范围较宽的一类安全防护装置；C类（专业机械安全标准）：对一种特定机械或一组机械规定出详细的安全要求。

3.机械安全

ISO14121[5]是机械安全标准中的重要方法性标准，它规定了降低风险的一般原则，并通称为风险评价。风险评价是以系统方法对机械有关的风险进行分析和评定的一系列逻辑步骤。风险评价考虑了与机械相关的设计、生产、运输、安装、使用和拆卸等产品寿命周期的各个阶段；提供了进行风险评价所需要的信息指南；规定了用于识别风险、评估风险和评定风险的程序。风险评价之后采用ISO12100-1[6]中所描述的方法减小风险。当通过采取保护措施尽可能消除危险和充分减小风险时，应重复进行该过程。依据ISO14121降低风险的一般原则对机器人进行危险识别、风险分析及评价；针对风险评价的结果，根据ISO12100减小风险的原则实施减小风险。整个风险评价及风险减小的过程概念统称为机械安全。

4.电气安全

服务机器人在电气系统方面应符合IEC60204-1[7]标准的规定来做基础电气安全设计。此标准提供了电击防护、设备防护、急停等电源相关基本管理方法，设备的防尘防水保护等级要求等机械电气设备的要求及建议，以提高人员安全性、控制响应的一致性及维护的便利性。

5.控制安全

机器人控制系统是机器人的中枢，控制和检测着整个机器人的所有的输入和输出，并确保系统的正常运转，实现既定的作业。所以评估一台机器人的功能和安全，控制系统是评估的重要对象。ISO13849-1[8]标准通过分析控制电路的结构，按照电路结构，将电路分成B-1-2-3-4共5个类别，再辅以适当的可靠性概念MTTF（平均危险失效时间）值和DC（诊断覆盖率）值，来达到预期的PL （performance level）等级a-b-c-d-e这5个等级，其中涵盖了液压和气动元件的分析。

6.功能安全

为了安心和安全，和人共存的服务机器人特别要求功能安全。和本质安全比较，本质安全是从根本上消除风险从而确保安全；功能安全是从根本上不能消除的风险通过其他代替手段（功能）也能确保安全。工业机器人附近通过设置安全护栏，防止人进入实现了本质安全。但是，和人在共同的生活空间或工作空间内工作的服务机器人因为不适用本质安全，所以必须确保功能安全。服务机器人功能安全标准是ISO13482，其上层标准是IEC61508。IEC61508标准中规定了一种整体安全生命周期（如图3）的技术框架。此框架包括概念、计划、维护、停用等16个过程。服务机器人的功能安全有必要基于IEC61508标准的整体安全生命周期全过程进行设计。

7.安全认证

2010年在日本茨城县筑波市成立了世界首家服务机器人安全认证机构“生活支援机器人安全验证中心”。该中心可进行机械安全、电气安全和功能安全试验；包括运行安全试验区、对人安全试验区、强度安全试验区和EMC安全试验区，共四个试验区域。认证标准主要为ISO13482。目前中国还没有针对服务机器人的安全标准及安全认证机构。

图3 整体安全生命周期

8.结论

本文主要介绍了服务机器人安全设计时所涉及的机械安全、电气安全、控制安全和功能安全标准介绍及概念解释。同时介绍了国外的服务机器人安全认证机构及国内服务机器人认证现状。

参考文献

[1]中国老龄科学研究中心.中国老龄产业发展报告.社会科学文献出版社，2014.

[2]Takashi Kabe. Overview of Standards on Safety of Machinery and New Trends. Japan Society of Mechanical Engineers （JSME） ， 2009.

[3]ISO13482：2014， Robots and robotic devices—Safety requirements for personal care robots.

[4]张辉.机械安全标准化发展现状与趋势.科技致富向导，2012，（18）.

[5]ISO14121：1999， Safety of machinery–Principles of risk assessment（1999）.of general principles for design.

[6]ISO12100-1：2003， Safety of machinery–Basic concepts of general principles for design.

[7]IEC60204-1， Safety of machinery-Electrical equip-ment of machines， 2005.

[8]ISO13849-1， Safety related parts of control systems，2006.