协作机器人安全

1. 协作机器人安全概述

1.1 什么是协作机器人安全

协作机器人安全是指确保协作机器人（Collaborative Robot，简称Cobot）与人类在同一工作空间中安全交互的一系列技术、标准和措施。它涉及机器人的设计、编程、操作和维护等各个方面，旨在最小化机器人对人类造成伤害的风险。

1.2 协作机器人的兴起

传统工业机器人通常在安全围栏内工作，与人类隔离。然而，随着制造业的柔性化需求增加，以及机器人技术的进步，协作机器人应运而生。协作机器人能够与人类在同一工作空间中协同工作，提高生产效率和灵活性。

1.3 协作机器人安全的重要性

协作机器人安全的重要性体现在以下几个方面：

人员安全：保护操作人员免受机器人伤害
设备安全：防止机器人和周边设备损坏
生产连续性：减少安全事故导致的生产中断
法规合规：符合相关安全标准和法规要求
用户信任：提高用户对协作机器人的信任度，促进其广泛应用

2. 协作机器人的定义和特点

2.1 协作机器人的定义

根据ISO 10218-1:2011标准，协作机器人是指能够在定义的工作空间内与人类进行直接协作的机器人。协作机器人通常具有以下特点：

力觉感知：能够感知和响应接触力
速度限制：在协作模式下运行速度较低
安全监控：实时监控工作空间和人类位置
碰撞检测：能够检测和避免与人类或物体的碰撞
易于编程：通常采用示教编程或图形化编程

2.2 协作机器人与传统工业机器人的区别

特性	协作机器人	传统工业机器人
工作模式	与人类协作	与人类隔离
安全措施	内置安全功能	依赖外部安全设备
速度	较低	较高
负载	通常较小（<20kg）	较大（可达数百kg）
精度	适中	较高
编程难度	较低	较高
灵活性	较高	较低

2.3 协作机器人的应用场景

协作机器人适用于以下场景：

小批量、多品种生产：易于快速切换任务
人机协同作业：人类负责复杂决策，机器人负责重复性工作
空间受限环境：不需要安全围栏，节省空间
需要灵活部署的场景：易于移动和重新配置
需要人类技能和机器人精度结合的任务：如精密装配、质量检测等

3. 协作机器人的安全标准和规范

3.1 国际安全标准

协作机器人的安全标准主要由国际标准化组织（ISO）和美国国家标准协会（ANSI）制定：

ISO 10218-1:2011：工业机器人安全 - 第1部分：机器人
ISO 10218-2:2011：工业机器人安全 - 第2部分：机器人系统与集成
ISO/TS 15066:2016：协作机器人安全 - 协作操作的安全要求
ANSI/RIA R15.06-2012：工业机器人和机器人系统的安全要求

3.2 ISO/TS 15066:2016 核心内容

ISO/TS 15066:2016是专门针对协作机器人安全的技术规范，其核心内容包括：

协作操作模式：定义了四种协作操作模式
碰撞力和压力限制：规定了机器人与人类碰撞时的最大允许力和压力
安全距离计算：提供了计算安全距离的方法
风险评估：指导如何进行协作机器人的风险评估

3.3 协作操作模式

ISO/TS 15066:2016定义了四种协作操作模式：

安全监控停止（Safety Monitored Stop）：当人类进入协作区域时，机器人停止运动
手动引导（Hand Guiding）：人类通过手把手引导机器人运动
速度和分离监控（Speed and Separation Monitoring）：根据人类与机器人的距离调整机器人速度
功率和力限制（Power and Force Limiting）：限制机器人的功率和力，减少碰撞伤害

3.4 区域性安全标准

不同国家和地区可能有额外的安全标准和法规：

欧盟：CE认证，符合机械指令（2006/42/EC）
美国：OSHA标准，ANSI/RIA R15.06
中国：GB 11291.1-2011，GB 11291.2-2013
日本：JIS B 8433-1:2014，JIS B 8433-2:2014

4. 协作机器人的安全功能和技术

4.1 力觉传感器

力觉传感器是协作机器人的核心安全组件，它能够：

检测碰撞：当机器人与人类或物体碰撞时，感知接触力
控制抓取力：在抓取物体时，控制适当的抓取力
实现柔顺控制：使机器人运动更加平滑，减少冲击力

常用的力觉传感器类型：

关节力矩传感器：安装在机器人关节处，检测关节力矩
末端执行器力传感器：安装在机器人末端，检测末端执行器的力和力矩
皮肤传感器：覆盖在机器人表面，检测接触位置和力

4.2 视觉安全系统

视觉安全系统通过摄像头监控工作空间，实现：

人类检测：检测人类是否进入协作区域
位置跟踪：跟踪人类在工作空间中的位置
姿态识别：识别人类的姿态和动作
安全区域监控：监控预设安全区域的入侵情况

常用的视觉安全系统：

2D视觉系统：使用普通摄像头，检测平面位置
3D视觉系统：使用深度摄像头，检测三维位置
多摄像头系统：使用多个摄像头，实现全方位监控

4.3 安全控制器

安全控制器是协作机器人的安全核心，它负责：

安全逻辑处理：处理安全传感器的输入，执行安全逻辑
安全功能管理：管理各种安全功能，如安全停止、速度限制等
安全监控：监控机器人的状态，确保其在安全范围内运行
故障安全：在发生故障时，确保机器人进入安全状态

安全控制器的特点：

冗余设计：采用冗余电路，提高可靠性
实时性：实时处理安全信号，确保及时响应
认证合规：符合相关安全标准，如IEC 61508

4.4 安全软件

安全软件是协作机器人安全系统的重要组成部分，它提供：

安全配置：配置安全参数，如安全区域、速度限制等
风险评估工具：辅助进行风险评估
安全监控界面：实时显示安全状态和警报
安全日志：记录安全事件和故障信息

安全软件的功能：

安全区域定义：定义不同级别的安全区域
速度和力限制设置：设置不同协作模式下的速度和力限制
碰撞检测算法：实现精确的碰撞检测
安全联锁管理：管理外部安全设备的联锁

5. 协作机器人的风险评估和安全措施

5.1 风险评估的基本步骤

根据ISO 12100:2010标准，协作机器人的风险评估应包括以下步骤：

范围定义：确定评估的范围和边界
危害识别：识别可能的危害，如碰撞、挤压、夹点等
风险分析：分析危害发生的可能性和后果
风险评估：评估风险等级，确定是否需要采取措施
风险降低：采取措施降低风险
评估验证：验证风险降低措施的有效性
文档记录：记录风险评估过程和结果

5.2 常见的安全风险

协作机器人的常见安全风险包括：

碰撞风险：机器人与人类或物体碰撞
挤压风险：人类被机器人和其他物体挤压
夹点风险：人类身体部位被机器人关节或末端执行器夹住
噪声风险：机器人运行产生的噪声
电磁辐射风险：机器人电气系统产生的电磁辐射
材料处理风险：机器人处理的材料可能对人类造成伤害

5.3 安全措施的层次结构

根据ISO 13849-1标准，安全措施应按照以下层次结构实施：

本质安全设计：通过设计消除或减少风险
安全防护措施：通过防护设备减少风险
使用信息：通过警告、培训等减少风险

5.4 具体的安全措施

本质安全设计

圆角设计：机器人部件采用圆角设计，减少碰撞伤害
力限制：限制机器人的最大输出力
速度限制：限制机器人的最大运行速度
关节限位：限制机器人关节的运动范围
能量限制：限制机器人的动能和势能

安全防护措施

安全围栏：在非协作模式下使用安全围栏
安全门：配备安全门和联锁装置
光幕：在协作区域周围设置光幕
激光扫描仪：使用激光扫描仪监控工作空间
急停按钮：在方便的位置设置急停按钮

使用信息

安全培训：对操作人员进行安全培训
操作手册：提供详细的操作手册和安全指南
警告标识：在机器人和工作区域设置警告标识
安全程序：制定详细的安全操作程序
定期检查：定期检查和维护安全设备

6. 协作机器人的安全应用案例

6.1 汽车零部件装配

应用场景：

汽车发动机零部件装配
汽车内饰件安装
汽车电子设备装配

安全措施：

使用力觉传感器，确保装配力适中
采用速度和分离监控模式，根据人类位置调整速度
安装视觉系统，监控人类进入协作区域

安全挑战：

装配任务需要一定的力，如何平衡力和安全性
工作空间狭小，如何避免碰撞
多机器人协作时，如何协调安全

6.2 电子产品制造

应用场景：

手机、平板电脑组装
电子元件贴装
电路板测试

安全措施：

使用功率和力限制模式，减少碰撞伤害
采用手动引导模式，方便快速编程
安装皮肤传感器，提高碰撞检测灵敏度

安全挑战：

电子产品精密，需要高精度操作
工作速度要求快，如何平衡速度和安全性
小零件处理，需要精细的力控制

6.3 食品加工

应用场景：

食品包装
食品分拣
食品质量检测

安全措施：

使用卫生级材料，符合食品接触标准
采用视觉系统，检测人类进入危险区域
安装紧急停止按钮，方便操作人员快速停止机器人

安全挑战：

食品加工环境潮湿，需要防水设计
卫生要求高，需要定期清洁
处理的食品可能对机器人造成污染

6.4 医疗辅助

应用场景：

手术辅助
康复训练
药品配送

安全措施：

使用高精度力觉传感器，确保操作精度
采用冗余安全系统，提高可靠性
安装视觉系统，监控患者和医护人员的位置

安全挑战：

医疗环境要求极高的安全性和可靠性
与患者直接接触，需要温和的力控制
无菌环境要求，需要特殊的材料和设计

7. 协作机器人的安全挑战和解决方案

7.1 力觉感知的挑战

挑战：

力觉传感器的精度和可靠性
不同表面材质对力觉感知的影响
快速碰撞的检测和响应

解决方案：

使用多传感器融合，提高感知精度
采用自适应算法，适应不同表面材质
优化传感器采样率和算法响应速度

7.2 视觉系统的挑战

挑战：

光照变化对视觉系统的影响
遮挡导致的检测失效
复杂环境中的误检测

解决方案：

使用对光照不敏感的摄像头
采用多摄像头系统，减少遮挡影响
使用深度学习算法，提高检测精度

7.3 安全标准的挑战

挑战：

安全标准的不断更新
不同国家和地区的标准差异
新兴应用场景的标准缺失

解决方案：

密切关注标准更新，及时调整安全措施
了解目标市场的标准要求，确保合规
参与标准制定，推动行业发展

7.4 人机交互的挑战

挑战：

人类行为的不可预测性
语言和文化差异导致的沟通障碍
操作人员的安全意识和培训水平

解决方案：

设计更智能的安全系统，适应人类行为
提供多语言的安全界面和培训材料
加强安全培训，提高操作人员的安全意识

7.5 成本和性能的平衡

挑战：

安全设备增加成本
安全措施可能降低机器人性能
小型企业难以承担高昂的安全成本

解决方案：

开发成本效益更高的安全技术
优化安全算法，减少对性能的影响
提供分级安全解决方案，适应不同规模企业的需求

8. 协作机器人的未来发展趋势

8.1 智能化安全系统

未来的协作机器人安全系统将更加智能化：

自适应安全：根据环境和任务自动调整安全参数
预测性安全：预测潜在的安全风险，提前采取措施
学习能力：通过机器学习，不断优化安全策略
情境感知：理解任务情境，做出更智能的安全决策

8.2 多模态感知

未来的协作机器人将集成多种传感器，实现多模态感知：

视觉-力觉融合：结合视觉和力觉信息，提高感知精度
听觉感知：通过声音检测人类的存在和意图
嗅觉感知：检测环境中的异常气味
温度感知：检测环境温度和人类体温

8.3 人机协作的新范式

未来的人机协作将超越简单的任务分配，实现更深度的协作：

意图理解：机器人能够理解人类的意图和需求
自然交互：通过语音、手势等自然方式与人类交互
情感感知：感知人类的情感状态，调整行为
共享决策：与人类共同做出决策，提高任务效率

8.4 安全标准的演进

未来的安全标准将更加完善和适应新的应用场景：

更具体的应用指南：针对不同应用场景提供具体的安全指南
国际标准的统一：减少不同国家和地区的标准差异
新兴技术的标准：为新兴技术如AI、5G等制定安全标准
性能导向的标准：从基于设计的标准向基于性能的标准转变

8.5 数字孪生安全

数字孪生技术将在协作机器人安全中发挥重要作用：

虚拟风险评估：在虚拟环境中进行风险评估
安全验证：在虚拟环境中验证安全措施的有效性
安全培训：通过虚拟环境进行安全培训
实时监控：通过数字孪生实时监控机器人的安全状态

9. 总结与展望

协作机器人安全是协作机器人技术发展的关键，它不仅关系到操作人员的安全，也关系到协作机器人的广泛应用。随着传感器技术、人工智能、机器学习等技术的不断发展，协作机器人的安全系统将变得更加智能、可靠和高效。

未来，协作机器人将能够更好地理解人类的意图和需求，与人类实现更自然、更深度的协作。同时，安全标准的不断完善和统一，也将为协作机器人的发展提供更好的指导和保障。

作为机器人技术的重要组成部分，协作机器人安全将继续受到广泛关注和研究。通过不断创新和改进，协作机器人将在更多领域得到应用，为人类生产和生活带来更多便利。

10. 思考与练习

简述协作机器人的定义和特点。
分析协作机器人与传统工业机器人的安全差异。
讨论ISO/TS 15066:2016标准中定义的四种协作操作模式。
分析协作机器人中力觉传感器的作用和类型。
简述协作机器人风险评估的基本步骤。
讨论协作机器人在汽车零部件装配中的安全挑战和解决方案。
分析视觉安全系统在协作机器人中的应用。
讨论协作机器人安全的未来发展趋势。

11. 拓展阅读

ISO 10218-1:2011 Industrial robots - Safety - Part 1: Robots
ISO 10218-2:2011 Industrial robots - Safety - Part 2: Robot systems and integration
ISO/TS 15066:2016 Collaborative robots - Safety requirements for collaborative operations
ANSI/RIA R15.06-2012 American National Standard for Industrial Robots and Robot Systems - Safety Requirements
IEC 61508 Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems
《协作机器人安全指南》 by 国际机器人联合会（IFR）
《工业机器人安全技术》 by 国家机器人标准化总体组
协作机器人安全相关网站：https://www.robotics.org/