工业机器人安全性工程研究综述

李祥亮

摘 要：随着工业机器人逐渐进入各行业的加工生产中，给人类生活带来了巨大的改变，但是机器人也会发生安全事故，事故的发生不但给工业生产带来许多预料不大的损失，也可能会人身安全带来威胁，因此，工业机器人的安全性工程研究成为了一项重要的研究方向。本文主要从机器人的风险评估，机器人结构的安全性设计，机器人控制算法的安全性设计以及存在的问题、发展趋势进行综述。

关键词：安全性工程;风险;故障

一、引言

众所周知，机器人均具有较多的自由度，其各个部件可以在较大空间内运行，具有高速运动的大功率机械手臂和自主控制的动作，若机器人发生故障可能造成非常严重的危害，而机器人安全性工程就是在机器人的寿命周期内，利用专业知识和系统工程方法，检测、评价、排除或控制机器人中的危险因素，保证机器人的安全性，使机器人具有最佳安全程度的工程，它的目的即是确保机器人可靠、安全地运行[1] 。

据日本的相关统计，机器人事故发生的事件中，控制系统的故障约为67%，机器人装置上的执行部件，如焊枪等故障占约19%，工作环境中噪声等干扰引起的事故占约11%，其余原因的事故占约3%。

二、机器人的风险评估

随着机器人逐渐被广泛应用于地面的搬运、航空、水下、医疗及核环境等各个领域[2]，机器人的安全性问题也日益凸显，许多专家也进行了大量的研究，并尝试制定机器人的安全性标准，从而对机器人的安全性和稳定性进行评估。

国家标准GB 11291-2011，针对工业机器人所制定的安全标准，并对在使用过程中的安全判定、危险评估及如何降低风险等措施，其代替了GB 11291-1997成为新的标准，但是该标准不适合水下、军用和空间机器人、假肢、康复机器人、服务机器人等非工业机器人。

ISO13482： 2014标准规定了使用个人辅助机器人的安全设计、安全措施和用户信息的要求和说明，尤其是针对个人辅助机器人、移动机器人助手等，该标准提出了如何应对危险的各种措施，该标准同样也适应于陆地机器人、医疗机器人、军师机器人以及工业机器人等。

此外，相关研究者制定了协作机器人的安全标准 ISO 15066： 2016，该标准对人机协作过程中的速度和距离监控、压强和力度限制等问题进行了详细的说明，该标准也为机器人的安全性提供了参考。除此之外，一些研究者还对其他类型机器人的安全性标准进行了研究。各国专家学者均是为了能够从安全标准的制定以对机器人的风险进行科学的评估，进而为降低风险提供关键的科学依据[3]。

三、机器人结构的安全性设计

对于机器人的结构设计，标准的机器人安全组件是非常必要的选择，它们会降低危险事故发生的概率，也为控制系统的设计降低了难度。其中，安全组件主要有：安全地毯、安全继电器、急停开关等。

Choi等人提出了一种安全关节的机械臂结构，其采用了多自由度重力补偿装置，可以保证机器人运动的安全性。2000 年，Lim 等开发了一种人机友好的机器人的安全设计方法，其采用了一系列安全措施，包括机器人主体设置弹性材料、被动式的机器人移动平台等，实现真正意义上的人机共生。

上海寰晟新能源科技有限公司通过设置蓝牙数据接收器，可远程语音操控机器人，且设置双层真空隔音箱，可阻止杂音干扰语音的识别，提高识别精度，进而提高了机器人的安全操控;珠海格力电器股份有限公司提出在机器人关节位置设置安全指示灯组，该安全指示灯组包括多个安全指示灯，将指示灯安全在关节轴上，并用指示灯来指示关节旋转方向，提高了抱闸释放的安全性，此外，由于安全指示灯可以布置在关节轴的端部或轴向，工作人员可以在各个方向上看到指示灯亮起，进一步提高了抱闸释放的安全性;北京配天技术有限公司开发了一种机器人系统，其具有松抱闸使能按钮和松抱闸按钮，使得机器人能够明显增加对松抱闸操作的安全性，提高松抱闸操作的便利性，提高了工作效率;东莞市海亿机械设备有限公司设计了一款六轴机械手，该机械手的各轴可实现360°的转动，通过红外传感器可以检测工作区的状况，一旦有人进入危险区域，可立即停止工作并发出报警，进而避免事故的发生;而宁夏银星吴忠仪表流体控制有限公司则在执行器壳体上设置有多组不同颜色的指示灯，通过指示灯的亮暗以及指示灯的颜色即可判断执行器的工作状态，使得操作工人能在远处获得执行器的工作状态。

四、机器人控制算法的安全性设计

当机器人面临危险情况时，通常采用预设的控制算法来避免该危险，库卡机器人公司等提出了机器人非基础条件下的危险指数，通过机器人与物体间距离，机器人的速度和惯量三个因素获得机器人的危险指数的评估，危险指数越大，表示机器人所在环境的风险越高。Lacevic等人也对机器人的结构和速度进行了研究，并指出了影响安全性的因素及具体的解决措施。Yamada在机器人系统的安全问题分析时采用了故障树分析方法，指出人—机意图的失谐是导致事故的重要原因。Sneckenberger J提出一种人机共生系统的设计理念，其对机器人控制面板的功能开关进行优化布局，以实现人机的最佳匹配，以适应人体工程学的理念，降低误操作概率，提高机器人系统运行的可靠性，进而也提高了安全性。

在中国，祁若龙等提出了基于遗传算法的轨迹避障方法，它得到了一条速度和加速度连续、关节扭矩不超过机器人关节扭矩极限、关节和末端运动行程较短、运动时间较短，并且能够使整个机械手臂成功避开障碍的一条理想轨迹。王太勇等在负压式爬行机器人的真空系統中应用了冗余控制理论，进而形成一种双真空泵冗余系统以提高其安全性。

五、存在的问题和发展趋势

机器人的安全性研究还有以下几个方面需要提高和解决：（1）柔顺控制算法需要进一步完善，目前的精度控制不高、控制目标也较为单一;（2）机器人安全结构设计也需进一步优化，如何将机器人的结构优化并更加容易操控一直是研究人员追求的目标，在保证了安全性的同时，兼顾小型化、微型化、轻量化的设计;（3）复杂环境机器人判断能力以及响应速度有待提高，机器人应用的环境越来越复杂，机器人搭载的信息采集机构也越来越多，例如多传感融合技术等，为保证信息采集的准确性，针对采集的信息能快速的响应，这也是机器人安全性发展的一大趋势。

参考文献：

[1] 褚卫中.功能安全技术讲座第二十五讲： 功能安全产品设计及解决方案.仪器仪表标准化与计量，2011（ 5） ： 20-23.

[2] 陈胜军. 我国空间机器人RSM问题的若干基本问题探讨.机器人，2002， 24 （5） ： 471～474.

[3]饶兰，张培茗，柴岗等. 基于真实世界数据的达芬奇机器人手术系统安全性研究，中国医学物理学杂志，2020，37（3）：326-331.