張鋒 褚明杰 于濤

【摘要】未來在中國服務(wù)機器人將有廣闊的使用前景，但針對服務(wù)機器人安全技術(shù)研究方面和國外發(fā)達國家比還相對薄弱。原因有多方面，其中最主要的原因是安全技術(shù)標準的普及率太低。本文主要介紹了服務(wù)機器人安全設(shè)計時所涉及的機械安全、電氣安全、控制安全和功能安全標準介紹及概念解釋。同時還介紹了安全標準分類和國外的服務(wù)機器人安全認證機構(gòu)及國內(nèi)服務(wù)機器人認證現(xiàn)狀。

【關(guān)鍵詞】服務(wù)機器人；安全標準；風(fēng)險評價；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重，據(jù)國家統(tǒng)計局數(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)展報告（2014）預(yù)測，2050年全世界老年人口將達到20.2億，其中中國老年人口將達到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)老院等機構(gòu)都將面臨勞動力的嚴重不足，解決此問題的關(guān)鍵是大力發(fā)展活躍于這些行業(yè)或機構(gòu)的服務(wù)機器人。

服務(wù)機器人的最大價值是能和人在共同的生活區(qū)域或工作空間內(nèi)運行，從而為人提供幫助。工業(yè)機器人的“隔離原則”（人和機器人利用安全護欄空間分離）和“停止原則”（安全護欄門口設(shè)置安全聯(lián)鎖，門打開機器人自動停止） [2]很難適用于服務(wù)機器人。當然，適用的可能性也有，但服務(wù)機器人的實用性將會降低。因此，服務(wù)機器人的實用性和對人安全性的并存成為服務(wù)機器人實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)機器人國際安全標準ISO13482[3]，此標準包含移動作業(yè)機器人、載人機器人和身體輔助機器人三大類服務(wù)機器人的基本安全要求，標準核心是功能安全。功能安全是指機器人具有即使發(fā)生故障也能保證系統(tǒng)安全的功能，能夠使風(fēng)險降低到最小。本文主要介紹服務(wù)機器人安全設(shè)計時所涉及的機械安全、功能安全、電氣安全和控制安全標準介紹及概念解釋。

1.服務(wù)機器人安全概要

服務(wù)機器人安全主要包括機械安全、功能安全、電氣安全和控制安全。

圖1 服務(wù)機器人安全

2.安全標準

ISO/IEC安全標準一般分為基礎(chǔ)安全標準（A類）、通用安全標準（B類）和專業(yè)機械安全標準（C類），共三類（如圖2）[4]。服務(wù)機器人國際安全標準ISO13482為C類專業(yè)產(chǎn)品安全標準。

圖2 安全標準分類

A類（基礎(chǔ)安全標準）：適用于所有機械的基本概念、設(shè)計原則和一般特征；B類（通用安全標準）：涉及機械的一種安全特征或使用范圍較寬的一類安全防護裝置；C類（專業(yè)機械安全標準）：對一種特定機械或一組機械規(guī)定出詳細的安全要求。

3.機械安全

ISO14121[5]是機械安全標準中的重要方法性標準，它規(guī)定了降低風(fēng)險的一般原則，并通稱為風(fēng)險評價。風(fēng)險評價是以系統(tǒng)方法對機械有關(guān)的風(fēng)險進行分析和評定的一系列邏輯步驟。風(fēng)險評價考慮了與機械相關(guān)的設(shè)計、生產(chǎn)、運輸、安裝、使用和拆卸等產(chǎn)品壽命周期的各個階段；提供了進行風(fēng)險評價所需要的信息指南；規(guī)定了用于識別風(fēng)險、評估風(fēng)險和評定風(fēng)險的程序。風(fēng)險評價之后采用ISO12100-1[6]中所描述的方法減小風(fēng)險。當通過采取保護措施盡可能消除危險和充分減小風(fēng)險時，應(yīng)重復(fù)進行該過程。依據(jù)ISO14121降低風(fēng)險的一般原則對機器人進行危險識別、風(fēng)險分析及評價；針對風(fēng)險評價的結(jié)果，根據(jù)ISO12100減小風(fēng)險的原則實施減小風(fēng)險。整個風(fēng)險評價及風(fēng)險減小的過程概念統(tǒng)稱為機械安全。

4.電氣安全

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

5.控制安全

機器人控制系統(tǒng)是機器人的中樞，控制和檢測著整個機器人的所有的輸入和輸出，并確保系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)既定的作業(yè)。所以評估一臺機器人的功能和安全，控制系統(tǒng)是評估的重要對象。ISO13849-1[8]標準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個類別，再輔以適當?shù)目煽啃愿拍頜TTF（平均危險失效時間）值和DC（診斷覆蓋率）值，來達到預(yù)期的PL （performance level）等級a-b-c-d-e這5個等級，其中涵蓋了液壓和氣動元件的分析。

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)險從而確保安全；功能安全是從根本上不能消除的風(fēng)險通過其他代替手段（功能）也能確保安全。工業(yè)機器人附近通過設(shè)置安全護欄，防止人進入實現(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)機器人因為不適用本質(zhì)安全，所以必須確保功能安全。服務(wù)機器人功能安全標準是ISO13482，其上層標準是IEC61508。IEC61508標準中規(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、計劃、維護、停用等16個過程。服務(wù)機器人的功能安全有必要基于IEC61508標準的整體安全生命周期全過程進行設(shè)計。

7.安全認證

2010年在日本茨城縣筑波市成立了世界首家服務(wù)機器人安全認證機構(gòu)“生活支援機器人安全驗證中心”。該中心可進行機械安全、電氣安全和功能安全試驗；包括運行安全試驗區(qū)、對人安全試驗區(qū)、強度安全試驗區(qū)和EMC安全試驗區(qū)，共四個試驗區(qū)域。認證標準主要為ISO13482。目前中國還沒有針對服務(wù)機器人的安全標準及安全認證機構(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)機器人安全設(shè)計時所涉及的機械安全、電氣安全、控制安全和功能安全標準介紹及概念解釋。同時介紹了國外的服務(wù)機器人安全認證機構(gòu)及國內(nèi)服務(wù)機器人認證現(xiàn)狀。

參考文獻

[1]中國老齡科學(xué)研究中心.中國老齡產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告.社會科學(xué)文獻出版社，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.機械安全標準化發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢.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.