協作機器人系統安全風險評估方法研究

李偉嶺

（中科新松有限公司，上海 201206）

0 引言

協作機器人作為機器人領域的新型產品，它與傳統工業機器人的設計理念不同，它的最終目的是為了讓機器人走進人們的生活，因此它的安全特性是設計過程中要考慮的重要因素；同時，它融入了更多的智能技術，例如視覺、力覺和觸覺等感知傳感器，給協作機器人賦予人的部分屬性，使它更加安全、更加友好，能夠作為人的合作伙伴與人類一起協作完成某項工作；而傳統工業機器人沒有協作機器人的這些屬性，它屬于高端機器設備，是按照預先編好的程序完成某項作業，它只能進行獨立作業，在工作過程中，必須與人進行物理隔離[1]；由于受技術水平的限制，現在很多工廠的工作并不能完全由工業機器人所取代，很多柔性靈活且具有不確定性的工作必須由人工來完成；因此，需要1款更加智能、安全的機器人作為伙伴助手，協助人工完成整個作業。

1 協作機器人的設計理念

1.1 協作機器人概念

根據國家標準規定，協作機器人是在規定的協作空間內能夠與人進行直接交互的機器人[2]。簡單地理解就是協作機器人可以和人類一起協同作業，在工作過程中發揮各自不同的優勢，如圖1所示。

圖1 人機交互示意圖

圖1很直觀地展示了人機協作的應用的場景；人的優勢是善于處理隨機且不確定的工作，而機器人優勢是可以完成準確性和重復性比較高的工作。人機協作的最終目的就是為了將人和機器人的優勢結合起來，共同完成一項復雜的工作。

1.2 協作機器人優勢

協作機器人具有安全特性、拖拽示教、部署靈活以及簡單易用4個特點。

協作機器人的安全特性是指它具有力感知和碰撞檢測的功能，該技術把人的屬性賦予機器人，為機器人與人進行協同作業提供了可能；拖拽示教能夠使人和機器人的互動更加直接、方便；由于機器人采用輕量化設計（5 kg負載機器人的總重大約在20 kg），因此它具有體形小巧、結構緊湊的特點，拆卸和安裝都十分簡單，特別適合部署在狹小的空間；機器人控制系統的LINEX架構為開源設計，能夠進行二次開發，將生態配件嵌入到示教器界面，做到即插即用；再加上對操作界面進行圖像化設計，使人機交互變得更加簡單、易用。

1.3 協作機器人的發展現狀

據公開資料顯示，全球共有近20家企業投入到協作機器人的研發和生產中，國外生產協作機器人的知名廠商有UR、庫卡、ABB以及發那科等[2]，國內協作機器人廠商有新松、遨博、艾利特以及節卡等，其中新松是國內機器人行業的領頭羊，該公司生產的協作機器人代表了行業內的最高技術水平。如圖2所示，該機器人是2015年新松自主研發的雙臂協作機器人（型號為DSCR3），雙臂協作機器人的2個手臂分別有7個自由度，負載為3 kg，它能夠模擬人的2個手臂進行協同作業，特別適合在3C電子行業中應用。如圖3所示，該機器人是新松自主研發的單臂協作機器人，它有7個自由度，負載為5 kg；它比傳統的工業機器人多了1個關節，其運動的靈活性更高、柔性更強，更適用于在狹小的空間中進行作業。

圖2 新松的3 kg雙臂協作機器人

圖3 新松的5 kg單臂協作機器人

2 協作機器人應用

協作機器人典型的應用場景有搬運碼垛、螺釘擰緊、質量檢測、力控裝配、涂膠以及拋光打磨等；在這些應用場景中，機器人與末端工裝夾具以及外圍設備共同組成了1個機器人系統，因此做好整個系統的安全評估和安全方案是至關重要的。該文所說的安全方案的對象是機器人系統，并非機器人本身；機器人本身的設計是符合國家安全標準的，機器人本身安全并不代表機器人系統也安全，因為整個機器人系統還涉及很多其他因素（例如末端工裝和周邊設備等），所以需要對整個系統進行安全風險評估，從而確保系統不會對人員、設備和環境造成傷害[3]。

3 協作機器人系統安全評估

3.1 風險評估方法

根據標準GB/T 36008—2018的規定，在進行協作機器人系統的設計過程中，需要對整個系統進行風險識別、風險評估以及采取相應的措施減小風險。風險評估的步驟如圖4所示，圖4表示對機器人系統進行風險評估的整個過程；在風險評估前，首先需要確定機器人系統的范圍，例如機器人的工作空間、機器人末端工具、機器人運行速度和使用環境等因素；其次，要對整個機器人系統進行風險識別，風險識別需要考慮系統整個生命周期內的所有工作；最后，再對每個風險因子進行風險評估和風險評價。

圖4 風險評估步驟

3.2 風險評估工具

目前風險評估的工具有很多，例如風險矩陣法、風險圖法和數值評分法。系統集成商在進行設計時一般會選擇其中1種方法進行風險評估。任何風險評估工具都涉及至少2個代表風險要素的參數，即傷害的嚴重程度和傷害發生的概率。風險評估的方法如下。

3.2.1 風險矩陣法

表1為風險估計矩陣，先對整個機器人系統的每個風險因子進行傷害嚴重程度和傷害發生概率的評估，然后對照表1進行風險評估和評價。國家標準文件GB/T 16856—2015第8頁對傷害的嚴重程度和傷害發生的概率做了明確說明和界定，系統集成商可以根據相關文件量化風險，因此集成商在對機器人系統進行安全評估時，首先需要準確識別風險因子；其次，客觀合理地評估傷害的嚴重程度和傷害發生的概率；再次，通過表1就可以得到風險等級；最后，針對風險等級要求采取相應的安全措施降低風險，減小傷害，直到風險處于可接受的范圍。

表1 風險估計矩陣

3.2.2 風險圖法

風險圖法也是系統集成商在對機器人系統進行安全評估的常用工具之一；如圖5所示，首先，將風險參數劃分為4個，即嚴重程度、暴露度、危險事件發生的概率和避免的可能性；其次，從4個維度對機器人系統中的每個風險因子進行評估；最后，通過風險圖推導出風險指數。國家標準文件GB/T 16856—2015第9頁和第頁對上述4個風險參數進行了明確說明和定義，因此系統集成商只需要按照標準界定的范圍，從4個維度對需要評估的風險因子進行客觀、合理地評估，并按照風險圖法推導出風險指數。評估結束后，集成商需要根據風險指數采取相應的安全措施，降低風險指數，指數越高，風險越大，最低優先級對應風險指數1和風險指數2，中等優先級對應風險指數3和風險指數4，最高優先級對應風險指數5和風險指數6。

3.2.3 數值評分法

機器人系統風險評估的數值評分法使用的表格，見表2。該方法是將傷害的嚴重程度和傷害發生的概率分為4個等級并分別定義了分值。傷害嚴重程度分數用SS表示，概率分數用PS表示，風險分數用RS表示，風險分數為SS與PS分數的總和，即RS=SS+PS。對傷害情況的說明和定義如下：災難性情況的對應分數為SS=100，嚴重情況的對應分數為99≥SS≥90，中等情況的對應分數為89≥SS≥30，輕微情況的對應分數為29≥SS≥0。當傷害發生的概率為非常可能時，其對應的概率分數為PS=100；當傷害發生的概率為可能時，其對應的概率分數為99≥PS≥70；當傷害發生的概率為不太可能時，其對應的概率分數為69≥PS≥30；當傷害發生的概率為幾乎不可能時，其對應的概率分數為99≥PS≥0。在該風險評估方法中，集成商在對機器人系統進行風險評估時，需要對每個風險進行客觀地評估和評分，由于每個風險等級對應的分數是1個區間范圍，因此評分時，可以在合理區間內根據風險高低給出合理的分數，并經過計算得出最終的風險分數；開會討論并根據風險分數采取相應的措施，從而降低風險等級。

圖5 風險圖法

表2 風險等級評分表

4 協作機器人系統安全方案

4.1 安全方案的設計優先原則

安全方案的設計優先原則包括以下3點：1） 從設計角度消除危險，降低風險。2） 采用安全防護措施防止操作員接觸到危險源或者在操作員接觸到危險源之前，確保危險已經消除；例如停機、限制力以及降至安全速度等。3） 增加補充性保護措施，例如制作安全操作規范指導文件和布置安全警示標識等。

4.2 常用安全方案

在設計協作機器人集成系統的過程中，要盡量避免在機器人末端工裝上設計尖銳棱邊或尖角等，采用倒圓或包附軟材的方式對尖銳棱邊進行處理；如果末端工具有動力源或其他危險源（例如擰緊槍或者夾緊機構等），在工裝與人能夠接觸的區域，必須采取有效的防護措施確保工裝和夾具不會對人員造成傷害；例如增加對激光傳感器的實時監控，避免人員接觸危險。

當系統通過安全評估后，機器人末端工裝與人接觸，就不會對人造成傷害或者傷害風險處于可忽略的等級。機器人在安全速度下運行，可以通過協作機器人自身的安全特性（例如開啟力反饋和碰撞檢測功能），開啟機器人虛擬邊界的功能，從而達到保證系統安全的目的。

當機器人末端工裝與人觸碰且有可能造成傷害或者機器人以非常高的速度運行時，可以采用安全光柵或者安全激光掃描儀對協作區域進行實時監控；當人員在協作區域進行作業時，機器人低速運行或者停止運行，等人工作業完成、人員離開危險區域后，機器人再恢復正常工作。

5 結語

隨著科技和新技術的不斷發展和進步，市場對人機協作應用場景的需求也不斷增加，因此協作機器人的優化升級是機器人領域發展的必然趨勢。由于目前技術水平的限制，因此協作機器人還處于起步階段，產品技術還在不斷迭代中，但是協作機器人的智能化水平正在逐步提升。協作機器人系統的安全方案根據不同的應用場景也有所不同，要根據機器人系統的整體設計進行風險識別、風險評估和風險評價；再根據評價結果采取相應的安全措施降低風險，減小傷害；風險評估的過程是不斷重復的，其最終目的是為了盡可能地消除風險、減小傷害，保證系統的安全性和可靠性。對所有應用場景的機器人系統進行安全風險評估都是十分必要的，該過程意義重大，既可以保證整個機器人系統的穩定、安全和可靠，同時也確保了設備符合國家標準和安全規范，更好地被客戶所接受。