服務(wù)機(jī)器人安全

張鋒 褚明杰 于濤

【摘要】未來在中國服務(wù)機(jī)器人將有廣闊的使用前景，但針對(duì)服務(wù)機(jī)器人安全技術(shù)研究方面和國外發(fā)達(dá)國家比還相對(duì)薄弱。原因有多方面，其中最主要的原因是安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的普及率太低。本文主要介紹了服務(wù)機(jī)器人安全設(shè)計(jì)時(shí)所涉及的機(jī)械安全、電氣安全、控制安全和功能安全標(biāo)準(zhǔn)介紹及概念解釋。同時(shí)還介紹了安全標(biāo)準(zhǔn)分類和國外的服務(wù)機(jī)器人安全認(rèn)證機(jī)構(gòu)及國內(nèi)服務(wù)機(jī)器人認(rèn)證現(xiàn)狀。

【關(guān)鍵詞】服務(wù)機(jī)器人；安全標(biāo)準(zhǔn)；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；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

中國人口老齡化日趨嚴(yán)重，據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2014年年末我國65歲及以上人口數(shù)為1.3755億人，占比10.1%；據(jù)中國老齡產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告（2014）預(yù)測(cè)，2050年全世界老年人口將達(dá)到20.2億，其中中國老年人口將達(dá)到4.8億，幾乎占全球老年人口的四分之一，將是世界上老年人口最多的國家[1]。因此，無論是制造業(yè)還是服務(wù)業(yè)包括醫(yī)院、養(yǎng)老院等機(jī)構(gòu)都將面臨勞動(dòng)力的嚴(yán)重不足，解決此問題的關(guān)鍵是大力發(fā)展活躍于這些行業(yè)或機(jī)構(gòu)的服務(wù)機(jī)器人。

服務(wù)機(jī)器人的最大價(jià)值是能和人在共同的生活區(qū)域或工作空間內(nèi)運(yùn)行，從而為人提供幫助。工業(yè)機(jī)器人的“隔離原則”（人和機(jī)器人利用安全護(hù)欄空間分離）和“停止原則”（安全護(hù)欄門口設(shè)置安全聯(lián)鎖，門打開機(jī)器人自動(dòng)停止） [2]很難適用于服務(wù)機(jī)器人。當(dāng)然，適用的可能性也有，但服務(wù)機(jī)器人的實(shí)用性將會(huì)降低。因此，服務(wù)機(jī)器人的實(shí)用性和對(duì)人安全性的并存成為服務(wù)機(jī)器人實(shí)用化的重要課題之一。解決此課題的關(guān)鍵是2014年發(fā)行的服務(wù)機(jī)器人國際安全標(biāo)準(zhǔn)ISO13482[3]，此標(biāo)準(zhǔn)包含移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人、載人機(jī)器人和身體輔助機(jī)器人三大類服務(wù)機(jī)器人的基本安全要求，標(biāo)準(zhǔn)核心是功能安全。功能安全是指機(jī)器人具有即使發(fā)生故障也能保證系統(tǒng)安全的功能，能夠使風(fēng)險(xiǎn)降低到最小。本文主要介紹服務(wù)機(jī)器人安全設(shè)計(jì)時(shí)所涉及的機(jī)械安全、功能安全、電氣安全和控制安全標(biāo)準(zhǔn)介紹及概念解釋。

1.服務(wù)機(jī)器人安全概要

服務(wù)機(jī)器人安全主要包括機(jī)械安全、功能安全、電氣安全和控制安全。

圖1 服務(wù)機(jī)器人安全

2.安全標(biāo)準(zhǔn)

ISO/IEC安全標(biāo)準(zhǔn)一般分為基礎(chǔ)安全標(biāo)準(zhǔn)（A類）、通用安全標(biāo)準(zhǔn)（B類）和專業(yè)機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)（C類），共三類（如圖2）[4]。服務(wù)機(jī)器人國際安全標(biāo)準(zhǔn)ISO13482為C類專業(yè)產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 安全標(biāo)準(zhǔn)分類

A類（基礎(chǔ)安全標(biāo)準(zhǔn)）：適用于所有機(jī)械的基本概念、設(shè)計(jì)原則和一般特征；B類（通用安全標(biāo)準(zhǔn)）：涉及機(jī)械的一種安全特征或使用范圍較寬的一類安全防護(hù)裝置；C類（專業(yè)機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)）：對(duì)一種特定機(jī)械或一組機(jī)械規(guī)定出詳細(xì)的安全要求。

3.機(jī)械安全

ISO14121[5]是機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)中的重要方法性標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了降低風(fēng)險(xiǎn)的一般原則，并通稱為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是以系統(tǒng)方法對(duì)機(jī)械有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析和評(píng)定的一系列邏輯步驟。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)考慮了與機(jī)械相關(guān)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝、使用和拆卸等產(chǎn)品壽命周期的各個(gè)階段；提供了進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)所需要的信息指南；規(guī)定了用于識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)、評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)和評(píng)定風(fēng)險(xiǎn)的程序。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)之后采用ISO12100-1[6]中所描述的方法減小風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)通過采取保護(hù)措施盡可能消除危險(xiǎn)和充分減小風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)重復(fù)進(jìn)行該過程。依據(jù)ISO14121降低風(fēng)險(xiǎn)的一般原則對(duì)機(jī)器人進(jìn)行危險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)分析及評(píng)價(jià)；針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的結(jié)果，根據(jù)ISO12100減小風(fēng)險(xiǎn)的原則實(shí)施減小風(fēng)險(xiǎn)。整個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)減小的過程概念統(tǒng)稱為機(jī)械安全。

4.電氣安全

服務(wù)機(jī)器人在電氣系統(tǒng)方面應(yīng)符合IEC60204-1[7]標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定來做基礎(chǔ)電氣安全設(shè)計(jì)。此標(biāo)準(zhǔn)提供了電擊防護(hù)、設(shè)備防護(hù)、急停等電源相關(guān)基本管理方法，設(shè)備的防塵防水保護(hù)等級(jí)要求等機(jī)械電氣設(shè)備的要求及建議，以提高人員安全性、控制響應(yīng)的一致性及維護(hù)的便利性。

5.控制安全

機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的中樞，控制和檢測(cè)著整個(gè)機(jī)器人的所有的輸入和輸出，并確保系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)既定的作業(yè)。所以評(píng)估一臺(tái)機(jī)器人的功能和安全，控制系統(tǒng)是評(píng)估的重要對(duì)象。ISO13849-1[8]標(biāo)準(zhǔn)通過分析控制電路的結(jié)構(gòu)，按照電路結(jié)構(gòu)，將電路分成B-1-2-3-4共5個(gè)類別，再輔以適當(dāng)?shù)目煽啃愿拍頜TTF（平均危險(xiǎn)失效時(shí)間）值和DC（診斷覆蓋率）值，來達(dá)到預(yù)期的PL （performance level）等級(jí)a-b-c-d-e這5個(gè)等級(jí)，其中涵蓋了液壓和氣動(dòng)元件的分析。

6.功能安全

為了安心和安全，和人共存的服務(wù)機(jī)器人特別要求功能安全。和本質(zhì)安全比較，本質(zhì)安全是從根本上消除風(fēng)險(xiǎn)從而確保安全；功能安全是從根本上不能消除的風(fēng)險(xiǎn)通過其他代替手段（功能）也能確保安全。工業(yè)機(jī)器人附近通過設(shè)置安全護(hù)欄，防止人進(jìn)入實(shí)現(xiàn)了本質(zhì)安全。但是，和人在共同的生活空間或工作空間內(nèi)工作的服務(wù)機(jī)器人因?yàn)椴贿m用本質(zhì)安全，所以必須確保功能安全。服務(wù)機(jī)器人功能安全標(biāo)準(zhǔn)是ISO13482，其上層標(biāo)準(zhǔn)是IEC61508。IEC61508標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了一種整體安全生命周期（如圖3）的技術(shù)框架。此框架包括概念、計(jì)劃、維護(hù)、停用等16個(gè)過程。服務(wù)機(jī)器人的功能安全有必要基于IEC61508標(biāo)準(zhǔn)的整體安全生命周期全過程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

7.安全認(rèn)證

2010年在日本茨城縣筑波市成立了世界首家服務(wù)機(jī)器人安全認(rèn)證機(jī)構(gòu)“生活支援機(jī)器人安全驗(yàn)證中心”。該中心可進(jìn)行機(jī)械安全、電氣安全和功能安全試驗(yàn)；包括運(yùn)行安全試驗(yàn)區(qū)、對(duì)人安全試驗(yàn)區(qū)、強(qiáng)度安全試驗(yàn)區(qū)和EMC安全試驗(yàn)區(qū)，共四個(gè)試驗(yàn)區(qū)域。認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)主要為ISO13482。目前中國還沒有針對(duì)服務(wù)機(jī)器人的安全標(biāo)準(zhǔn)及安全認(rèn)證機(jī)構(gòu)。

圖3 整體安全生命周期

8.結(jié)論

本文主要介紹了服務(wù)機(jī)器人安全設(shè)計(jì)時(shí)所涉及的機(jī)械安全、電氣安全、控制安全和功能安全標(biāo)準(zhǔn)介紹及概念解釋。同時(shí)介紹了國外的服務(wù)機(jī)器人安全認(rèn)證機(jī)構(gòu)及國內(nèi)服務(wù)機(jī)器人認(rèn)證現(xiàn)狀。

參考文獻(xiàn)

[1]中國老齡科學(xué)研究中心.中國老齡產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告.社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)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]張輝.機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì).科技致富向?qū)В?012，（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.