工業機器人安全防護技術綜述*

萬燕英，伍祁林

（1.廣州鐵路職業技術學院信息工程學院，廣州510430；2.深圳市大象機器人科技有限公司，廣東深圳518055）

0 引言

在工業生產中，很多繁重、重復、危險或流程性的作業都可由機器人替代人類完成，從而有效提高產能、產品質量，達到降本增效的目的[1-2]。隨著工業機器人的廣泛應用，其安全問題也逐漸凸顯。由于機器人運動靈活性高、運動范圍大、且部分機型在特定工況下運動速度快、負載大、剛度強，當突發異常情況時，機器人極可能造成嚴重的安全事故[3-5]。如2015年德國大眾工廠一名員工在安裝機器人時，被機器人抓起并擠向金屬板，最終不治身亡。據不完全統計，日本從1987年起累計十幾人因機器人安全事故去世，7 000多人致殘[6]。美國勞工局統計，自1984年以來共有4 585名人員喪生于機器人事故中。

安全已成為機器人最受關注、最重要的性能指標之一。研究機器人安全技術、建立機器人防護系統，對保障工人生命安全、企業安全生產具有重要意義[7]。國內外工業界和學術界對機器人防護技術進行了深入研究，并取得了一系列的研究成果[8-11]。

本文從機器人本體控制、機器人操作、人機干涉碰撞3個方面介紹和歸納了目前機器人安全防護技術的實現方法和特性，為機器人安全防護研究工作提供一定的技術支撐。在此基礎上，針對工業機器人柔性化人機協作、智能化人機交互的發展趨勢，對基于視覺和觸覺多傳感器融合的安全防護技術進行了展望。

1 工業機器人安全防護技術

工業機器人安全事故主要表現為機器人自干涉碰撞、機器人與周邊人員或物體的碰撞。而導致機器人安全事故的原因有機器人本體異常、機器人操作不當和人員非法進入等。

機器人本體異常即機器人控制系統自身軟硬件故障導致機器人出現飛車、失控等。比如機器人控制系統的正逆運動學算法在一些奇異點處理不當時，會致使機器人失速。在硬件方面，伺服驅動器丟失相位或編碼器異常也可能引起機器人關節失控。機器人操作不當主要指應用程序錯誤、參數設置不合理、人員使用失誤等，以致機器人執行錯誤的指令動作。機器人操作不當造成碰撞屬于人為因素，出現概率較大。人員非法進入機器人運行空間是引發機器人安全事故的主要原因。機器人自動運行時，一般速度較快、運動范圍較大，尤其是重載機器人的轉動慣量大。一旦人員進入機器人工作區域發生人機碰撞事故，機器人的瞬時沖擊將對人員造成極大的傷害。

本文針對機器人事故原因，從機器人本體控制、機器人操作、人機干涉碰撞3個方面對機器人安全防護技術展開研究，借助于現代計算機控制技術、傳感器技術、安全隔離技術等來提高機器人的安全防護等級。

1.1 機器人本體控制的安全防護

基于機器人本體控制的安全防護技術主要從本體自身的軟硬件出發，解決方式包括多路冗余控制技術、機器人運行監測技術、軟件容錯技術等。

多路冗余控制技術針對核心邏輯控制單元或通訊鏈路進行軟硬件的冗余設計。可采用組合式實現方式，即由2個或以上的單元共同執行一個功能，其框架如圖1所示。為避免共因失效，各單元之間相互獨立，在監測模塊識別出其中任一單元故障后發出報警[12]。例如在急停安全回路單元中，通常采用信號雙回路和聯鎖機制來提高可靠性。機器人主從站通訊單元中，將EtherCAT總線設計為雙環路。雙環路中任何節點間線路故障時，都可自動切換成冗余鏈路、形成可靠通訊，從而使機器人能預警及安全停車。

圖1 組合式冗余控制框圖

機器人運行監測技術通過交叉校驗來實現。在硬件上采用雙處理器形成高安全等級的主控系統,一般包括一主一從2個處理器，主、從處理器對關鍵信號均進行采集和驅動控制。為防止共因失效，主、從處理器獨立運行，兩者之間通過并行或串行總線進行通訊且互相校驗是否發生異常,并實時處理異常情況,以保障系統的正常工作。在機器人控制系統中，也可采用符合SIL4（IEC 61508）和PL=d（ISO 13 849.1）或更高安全等級的控制器作為監測單元。在軟件上采用心跳監測機制，實時檢測處理器或任務程序的狀態，避免宕機的處理器或任務程序不能正常控制機器人的運動軌跡或及時響應安全信號的處理。若主處理器宕機，從處理器能自動接管控制權限并執行安全處理程序，以確保不會因主處理器宕機而引發安全事故。

以工業機器人控制系統的安全監測模塊為例，其框架如圖2所示，主要包括狀態監測、位姿監測、安全控制執行等部分。工作原理是通過監測機器人軸關節速度、轉矩、位姿等信息來判斷機器人的運動狀態，并由安全執行模塊進行安全等級的劃分和指令執行，從而確保機器人正常運行。

圖2 機器人安全檢測模塊

軟件容錯技術指在軟件上設計容錯策略來增強系統的魯棒性和可靠性。容錯策略包括系統故障識別與診斷、故障處置和恢復等[13]。在軟件結構設計時，嵌入相應的狀態信息輸出控制模塊。軟件運行過程中控制模塊將動態輸出必要的狀態信息，該信息經故障識別模塊處理，再由故障診斷模塊判斷系統是否發生故障。常見的故障識別方法有基于心跳檢測和檢查點檢測結合、軟件任務運行狀態自檢測等。故障處置與恢復模塊根據故障類型、發生區域進行故障處理與恢復。

1.2 機器人操作的安全防護

機器人操作安全事故一般是工作人員近距離編程、調試、測試、故障排查時因操作失誤引起。針對該類安全事故，常用的防護手段包括在軟件層面限制機器人運動參數、三段式安全開關、安全等級權限管理、自碰撞檢測算法、參數合法性檢查算法等。

根據機器人的工況和應用場景，利用軟件限制機器人運動空間、功率、關節速度、關節扭矩、TCP速度、TCP力矩、動量等，以實現機器人安全運行。如設定機器人的允許工作空間來約束機器人運動范圍，當操作人員編程失誤或操作不當而發出錯誤指令時，機器人控制器可依據空間限制參數提前報警或停止運行。而設置機器人的允許功率、速度、扭矩、動量等參數，能夠將機器人限定在相對安全的狀態下，減少因操作不當造成機器人對外界的損害。

三段式安全開關為機器人使能信號之一，用力握緊或釋放開關均會切斷機器人伺服電源。操作人員一直輕握三段式安全開關，機器人才能被正常操作。若突發異常情況，操作員因緊張而釋放或緊握三段式安全開關，都會切斷機器人伺服電源，從而起到一定的安全防護作用。

安全等級權限管理指根據操作內容的安全級別和專業程度設定不同的操作權限。如普通用戶權限僅能使用機器人基礎功能，工程權限可編寫、調試程序等，管理員權限則可最大限度操控機器人功能及系統參數。

自碰撞檢查算法和參數合法性檢查算法利用軟件算法對用戶輸入或調試的參數進行在線檢測，以提前識別出錯誤、避免機器人異常運行。

1.3 人機干涉碰撞的安全防護

大部分機器人安全事故是由于人員非法闖入機器人工作空間導致，因此防止人員非法進入能有效降低事故率。常見做法是將機器人與人員物理隔離，劃分各自的活動區域，避免人機干涉碰撞。隔離手段一般有物理安全護欄和基于傳感器技術的防護。

（1）物理安全護欄

物理護欄是目前預防人機干涉碰撞的主流手段。根據現場實際情況，結合機器人運動軌跡，劃定機器人安全工作區域并安裝圍欄使之與外界隔離。物理護欄能夠保護機器人，有效提升安全等級。護欄一般采用金屬材料制造，具有成本低、安裝簡單等優勢，但護欄本身需要占據一定的安裝空間，且二次更改靈活性較差。

（2）基于傳感器技術的防護

為克服物理護欄的弊端，可采用傳感器技術來檢測有無人員非法進入機器人工作區域。常用的傳感器包括關節力矩傳感器[14]、TCP六維力矩傳感器、本體柔性安全衣[15]、激光雷達、視覺傳感器[16]、安全光幕[17]、安全地毯[18]等。不同類型傳感器的防護特性如表1所示。

表1 不同類型傳感器的防護特性

關節力矩傳感器通過檢測機器人關節實際力矩和期望力矩的偏差來判斷機器人與外界是否發生碰撞。關節力矩傳感器結合機器人動力學算法可實時準確地識別出機器人與外界發生碰撞的關節部位，并能根據機器人運行工況設定力矩閾值，具有碰撞檢測可靠、靈敏的特點，但價格較高、對傳動剛度有損失，故實際中未能普及應用。

TCP六維力矩傳感器安裝于機器人工具末端，能夠檢測工具末端6個維度的力矩。通過力學算法，可實現機器人工具末端的碰撞檢測和防護。六維力矩傳感器只能檢測由機器人工具末端傳導過來的碰撞力矩，防護范圍較小。

本體柔性安全衣由內置壓力傳感器和外層柔軟保護外殼共同構成。機器人本體在觸碰到人時，會立即安全地自動停止。同時其柔軟的外罩殼可以緩和沖擊力，保證人員不會受到傷害。日本發那科、三菱公司均有推出該類機器人。這種傳感器對機器人本體進行了全包裹防護，是一種可靠性較高的防護方式。但因其安裝部署和關節走線的不便，在工業中未能推廣應用。

激光雷達和視覺傳感器屬于主動式檢測傳感器，在未發生人機干涉碰撞之前即可檢測出人員非法闖入的行為，并可設定多級安全報警區域。但該類技術需要過濾機器人本身的運動區域，算法實現較為復雜。

安全光幕利用“光幕技術”模擬物理護欄，包括激光發射器和接收器，根據人機交互的區域進行安裝。安全地毯與安全光幕類似，人員一旦踩踏到地毯立即發出報警信號，如ABB公司推出的“Safe Move（機器人安全區域控制技術）”。這兩類傳感器安裝簡單、可靠性高、成本低，因而應用較廣。

2 未來發展趨勢

為充分發揮機器人的效率和人類的智能，近年來人機協作逐漸成為工業機器人的發展新趨勢。在很多機器人應用場景下，人們需要間歇或連續與機器人緊密合作，例如為機器人補料、更換程序和檢查運行狀態等。人機協作對于提高制造靈活性以適應高混合、小批量、多品種生產至關重要。而人機協作必然要求人類與機器人共處同一空間，此時可靠、靈活、智能的人機安全防護技術顯得尤為重要。

賦予工業機器人視覺和觸覺，采用基于多傳感器融合的安全防護系統，將大大提高機器人安全防護能力。

基于機器視覺的安全防護技術，能夠實時調整監控區域，完成區域分級報警任務。同時可根據現場情況，智能預判事故的發生，并通過對機器人的控制，確保人員和設備的安全。這種方法克服了傳統安全防護措施安裝不便、改造困難、靈活性和適應性差等問題，如若優化算法設計，則應用前景廣闊。

基于新的敏感表面技術的機器人觸感系統具有接近、接觸和壓力測量能力。其表層為柔軟的塑料或軟膠材料且內層覆蓋高密度傳感器，可實現最大20 cm的非接觸式感應距離，具有高可靠性和魯棒性的檢測能力。該技術不僅可用于干涉物安全檢測和報警，還能使機器人在變化的環境中實時調整其運動，以提高操作安全性、適應性以及與操作人員的緊密協作。

視覺和觸覺技術在安全性、靈活性、適應性、速度和生產率方面為機器人提供了卓越的性能，為進一步研究提供方向。

3 結束語

機器人安全性是一項關鍵的設計特性和性能指標。本文分析了造成機器人安全事故的根源，對國內外工業機器人安全防護技術作了有益探索，并展望了未來的發展趨勢。隨著我國工業化進程的不斷深化，工業機器人已廣泛應用于各生產領域，而總結、學習國內外在機器人安全防護方面的研究成果和應用案例，有助于提高我國機器人的安全水平、推動智能制造進程。