工業機器人安全性工程研究綜述

李祥亮

摘 要：隨著工業機器人逐漸進入各行業的加工生產中，給人類生活帶來了巨大的改變，但是機器人也會發生安全事故，事故的發生不但給工業生產帶來許多預料不大的損失，也可能會人身安全帶來威脅，因此，工業機器人的安全性工程研究成為了一項重要的研究方向。本文主要從機器人的風險評估，機器人結構的安全性設計，機器人控制算法的安全性設計以及存在的問題、發展趨勢進行綜述。

關鍵詞：安全性工程;風險;故障

一、引言

眾所周知，機器人均具有較多的自由度，其各個部件可以在較大空間內運行，具有高速運動的大功率機械手臂和自主控制的動作，若機器人發生故障可能造成非常嚴重的危害，而機器人安全性工程就是在機器人的壽命周期內，利用專業知識和系統工程方法，檢測、評價、排除或控制機器人中的危險因素，保證機器人的安全性，使機器人具有最佳安全程度的工程，它的目的即是確保機器人可靠、安全地運行[1] 。

據日本的相關統計，機器人事故發生的事件中，控制系統的故障約為67%，機器人裝置上的執行部件，如焊槍等故障占約19%，工作環境中噪聲等干擾引起的事故占約11%，其余原因的事故占約3%。

二、機器人的風險評估

隨著機器人逐漸被廣泛應用于地面的搬運、航空、水下、醫療及核環境等各個領域[2]，機器人的安全性問題也日益凸顯，許多專家也進行了大量的研究，并嘗試制定機器人的安全性標準，從而對機器人的安全性和穩定性進行評估。

國家標準GB 11291-2011，針對工業機器人所制定的安全標準，并對在使用過程中的安全判定、危險評估及如何降低風險等措施，其代替了GB 11291-1997成為新的標準，但是該標準不適合水下、軍用和空間機器人、假肢、康復機器人、服務機器人等非工業機器人。

ISO13482： 2014標準規定了使用個人輔助機器人的安全設計、安全措施和用戶信息的要求和說明，尤其是針對個人輔助機器人、移動機器人助手等，該標準提出了如何應對危險的各種措施，該標準同樣也適應于陸地機器人、醫療機器人、軍師機器人以及工業機器人等。

此外，相關研究者制定了協作機器人的安全標準 ISO 15066： 2016，該標準對人機協作過程中的速度和距離監控、壓強和力度限制等問題進行了詳細的說明，該標準也為機器人的安全性提供了參考。除此之外，一些研究者還對其他類型機器人的安全性標準進行了研究。各國專家學者均是為了能夠從安全標準的制定以對機器人的風險進行科學的評估，進而為降低風險提供關鍵的科學依據[3]。

三、機器人結構的安全性設計

對于機器人的結構設計，標準的機器人安全組件是非常必要的選擇，它們會降低危險事故發生的概率，也為控制系統的設計降低了難度。其中，安全組件主要有：安全地毯、安全繼電器、急停開關等。

Choi等人提出了一種安全關節的機械臂結構，其采用了多自由度重力補償裝置，可以保證機器人運動的安全性。2000 年，Lim 等開發了一種人機友好的機器人的安全設計方法，其采用了一系列安全措施，包括機器人主體設置彈性材料、被動式的機器人移動平臺等，實現真正意義上的人機共生。

上海寰晟新能源科技有限公司通過設置藍牙數據接收器，可遠程語音操控機器人，且設置雙層真空隔音箱，可阻止雜音干擾語音的識別，提高識別精度，進而提高了機器人的安全操控;珠海格力電器股份有限公司提出在機器人關節位置設置安全指示燈組，該安全指示燈組包括多個安全指示燈，將指示燈安全在關節軸上，并用指示燈來指示關節旋轉方向，提高了抱閘釋放的安全性，此外，由于安全指示燈可以布置在關節軸的端部或軸向，工作人員可以在各個方向上看到指示燈亮起，進一步提高了抱閘釋放的安全性;北京配天技術有限公司開發了一種機器人系統，其具有松抱閘使能按鈕和松抱閘按鈕，使得機器人能夠明顯增加對松抱閘操作的安全性，提高松抱閘操作的便利性，提高了工作效率;東莞市海億機械設備有限公司設計了一款六軸機械手，該機械手的各軸可實現360°的轉動，通過紅外傳感器可以檢測工作區的狀況，一旦有人進入危險區域，可立即停止工作并發出報警，進而避免事故的發生;而寧夏銀星吳忠儀表流體控制有限公司則在執行器殼體上設置有多組不同顏色的指示燈，通過指示燈的亮暗以及指示燈的顏色即可判斷執行器的工作狀態，使得操作工人能在遠處獲得執行器的工作狀態。

四、機器人控制算法的安全性設計

當機器人面臨危險情況時，通常采用預設的控制算法來避免該危險，庫卡機器人公司等提出了機器人非基礎條件下的危險指數，通過機器人與物體間距離，機器人的速度和慣量三個因素獲得機器人的危險指數的評估，危險指數越大，表示機器人所在環境的風險越高。Lacevic等人也對機器人的結構和速度進行了研究，并指出了影響安全性的因素及具體的解決措施。Yamada在機器人系統的安全問題分析時采用了故障樹分析方法，指出人—機意圖的失諧是導致事故的重要原因。Sneckenberger J提出一種人機共生系統的設計理念，其對機器人控制面板的功能開關進行優化布局，以實現人機的最佳匹配，以適應人體工程學的理念，降低誤操作概率，提高機器人系統運行的可靠性，進而也提高了安全性。

在中國，祁若龍等提出了基于遺傳算法的軌跡避障方法，它得到了一條速度和加速度連續、關節扭矩不超過機器人關節扭矩極限、關節和末端運動行程較短、運動時間較短，并且能夠使整個機械手臂成功避開障礙的一條理想軌跡。王太勇等在負壓式爬行機器人的真空系統中應用了冗余控制理論，進而形成一種雙真空泵冗余系統以提高其安全性。

五、存在的問題和發展趨勢

機器人的安全性研究還有以下幾個方面需要提高和解決：（1）柔順控制算法需要進一步完善，目前的精度控制不高、控制目標也較為單一;（2）機器人安全結構設計也需進一步優化，如何將機器人的結構優化并更加容易操控一直是研究人員追求的目標，在保證了安全性的同時，兼顧小型化、微型化、輕量化的設計;（3）復雜環境機器人判斷能力以及響應速度有待提高，機器人應用的環境越來越復雜，機器人搭載的信息采集機構也越來越多，例如多傳感融合技術等，為保證信息采集的準確性，針對采集的信息能快速的響應，這也是機器人安全性發展的一大趨勢。

參考文獻：

[1] 褚衛中.功能安全技術講座第二十五講： 功能安全產品設計及解決方案.儀器儀表標準化與計量，2011（ 5） ： 20-23.

[2] 陳勝軍. 我國空間機器人RSM問題的若干基本問題探討.機器人，2002， 24 （5） ： 471～474.

[3]饒蘭，張培茗，柴崗等. 基于真實世界數據的達芬奇機器人手術系統安全性研究，中國醫學物理學雜志，2020，37（3）：326-331.