协作机器人系统安全风险评估方法研究

李伟岭

（中科新松有限公司，上海 201206）

0 引言

协作机器人作为机器人领域的新型产品，它与传统工业机器人的设计理念不同，它的最终目的是为了让机器人走进人们的生活，因此它的安全特性是设计过程中要考虑的重要因素；同时，它融入了更多的智能技术，例如视觉、力觉和触觉等感知传感器，给协作机器人赋予人的部分属性，使它更加安全、更加友好，能够作为人的合作伙伴与人类一起协作完成某项工作；而传统工业机器人没有协作机器人的这些属性，它属于高端机器设备，是按照预先编好的程序完成某项作业，它只能进行独立作业，在工作过程中，必须与人进行物理隔离[1]；由于受技术水平的限制，现在很多工厂的工作并不能完全由工业机器人所取代，很多柔性灵活且具有不确定性的工作必须由人工来完成；因此，需要1款更加智能、安全的机器人作为伙伴助手，协助人工完成整个作业。

1 协作机器人的设计理念

1.1 协作机器人概念

根据国家标准规定，协作机器人是在规定的协作空间内能够与人进行直接交互的机器人[2]。简单地理解就是协作机器人可以和人类一起协同作业，在工作过程中发挥各自不同的优势，如图1所示。

图1 人机交互示意图

图1很直观地展示了人机协作的应用的场景；人的优势是善于处理随机且不确定的工作，而机器人优势是可以完成准确性和重复性比较高的工作。人机协作的最终目的就是为了将人和机器人的优势结合起来，共同完成一项复杂的工作。

1.2 协作机器人优势

协作机器人具有安全特性、拖拽示教、部署灵活以及简单易用4个特点。

协作机器人的安全特性是指它具有力感知和碰撞检测的功能，该技术把人的属性赋予机器人，为机器人与人进行协同作业提供了可能；拖拽示教能够使人和机器人的互动更加直接、方便；由于机器人采用轻量化设计（5 kg负载机器人的总重大约在20 kg），因此它具有体形小巧、结构紧凑的特点，拆卸和安装都十分简单，特别适合部署在狭小的空间；机器人控制系统的LINEX架构为开源设计，能够进行二次开发，将生态配件嵌入到示教器界面，做到即插即用；再加上对操作界面进行图像化设计，使人机交互变得更加简单、易用。

1.3 协作机器人的发展现状

据公开资料显示，全球共有近20家企业投入到协作机器人的研发和生产中，国外生产协作机器人的知名厂商有UR、库卡、ABB以及发那科等[2]，国内协作机器人厂商有新松、遨博、艾利特以及节卡等，其中新松是国内机器人行业的领头羊，该公司生产的协作机器人代表了行业内的最高技术水平。如图2所示，该机器人是2015年新松自主研发的双臂协作机器人（型号为DSCR3），双臂协作机器人的2个手臂分别有7个自由度，负载为3 kg，它能够模拟人的2个手臂进行协同作业，特别适合在3C电子行业中应用。如图3所示，该机器人是新松自主研发的单臂协作机器人，它有7个自由度，负载为5 kg；它比传统的工业机器人多了1个关节，其运动的灵活性更高、柔性更强，更适用于在狭小的空间中进行作业。

图2 新松的3 kg双臂协作机器人

图3 新松的5 kg单臂协作机器人

2 协作机器人应用

协作机器人典型的应用场景有搬运码垛、螺钉拧紧、质量检测、力控装配、涂胶以及抛光打磨等；在这些应用场景中，机器人与末端工装夹具以及外围设备共同组成了1个机器人系统，因此做好整个系统的安全评估和安全方案是至关重要的。该文所说的安全方案的对象是机器人系统，并非机器人本身；机器人本身的设计是符合国家安全标准的，机器人本身安全并不代表机器人系统也安全，因为整个机器人系统还涉及很多其他因素（例如末端工装和周边设备等），所以需要对整个系统进行安全风险评估，从而确保系统不会对人员、设备和环境造成伤害[3]。

3 协作机器人系统安全评估

3.1 风险评估方法

根据标准GB/T 36008—2018的规定，在进行协作机器人系统的设计过程中，需要对整个系统进行风险识别、风险评估以及采取相应的措施减小风险。风险评估的步骤如图4所示，图4表示对机器人系统进行风险评估的整个过程；在风险评估前，首先需要确定机器人系统的范围，例如机器人的工作空间、机器人末端工具、机器人运行速度和使用环境等因素；其次，要对整个机器人系统进行风险识别，风险识别需要考虑系统整个生命周期内的所有工作；最后，再对每个风险因子进行风险评估和风险评价。

图4 风险评估步骤

3.2 风险评估工具

目前风险评估的工具有很多，例如风险矩阵法、风险图法和数值评分法。系统集成商在进行设计时一般会选择其中1种方法进行风险评估。任何风险评估工具都涉及至少2个代表风险要素的参数，即伤害的严重程度和伤害发生的概率。风险评估的方法如下。

3.2.1 风险矩阵法

表1为风险估计矩阵，先对整个机器人系统的每个风险因子进行伤害严重程度和伤害发生概率的评估，然后对照表1进行风险评估和评价。国家标准文件GB/T 16856—2015第8页对伤害的严重程度和伤害发生的概率做了明确说明和界定，系统集成商可以根据相关文件量化风险，因此集成商在对机器人系统进行安全评估时，首先需要准确识别风险因子；其次，客观合理地评估伤害的严重程度和伤害发生的概率；再次，通过表1就可以得到风险等级；最后，针对风险等级要求采取相应的安全措施降低风险，减小伤害，直到风险处于可接受的范围。

表1 风险估计矩阵

3.2.2 风险图法

风险图法也是系统集成商在对机器人系统进行安全评估的常用工具之一；如图5所示，首先，将风险参数划分为4个，即严重程度、暴露度、危险事件发生的概率和避免的可能性；其次，从4个维度对机器人系统中的每个风险因子进行评估；最后，通过风险图推导出风险指数。国家标准文件GB/T 16856—2015第9页和第页对上述4个风险参数进行了明确说明和定义，因此系统集成商只需要按照标准界定的范围，从4个维度对需要评估的风险因子进行客观、合理地评估，并按照风险图法推导出风险指数。评估结束后，集成商需要根据风险指数采取相应的安全措施，降低风险指数，指数越高，风险越大，最低优先级对应风险指数1和风险指数2，中等优先级对应风险指数3和风险指数4，最高优先级对应风险指数5和风险指数6。

3.2.3 数值评分法

机器人系统风险评估的数值评分法使用的表格，见表2。该方法是将伤害的严重程度和伤害发生的概率分为4个等级并分别定义了分值。伤害严重程度分数用SS表示，概率分数用PS表示，风险分数用RS表示，风险分数为SS与PS分数的总和，即RS=SS+PS。对伤害情况的说明和定义如下：灾难性情况的对应分数为SS=100，严重情况的对应分数为99≥SS≥90，中等情况的对应分数为89≥SS≥30，轻微情况的对应分数为29≥SS≥0。当伤害发生的概率为非常可能时，其对应的概率分数为PS=100；当伤害发生的概率为可能时，其对应的概率分数为99≥PS≥70；当伤害发生的概率为不太可能时，其对应的概率分数为69≥PS≥30；当伤害发生的概率为几乎不可能时，其对应的概率分数为99≥PS≥0。在该风险评估方法中，集成商在对机器人系统进行风险评估时，需要对每个风险进行客观地评估和评分，由于每个风险等级对应的分数是1个区间范围，因此评分时，可以在合理区间内根据风险高低给出合理的分数，并经过计算得出最终的风险分数；开会讨论并根据风险分数采取相应的措施，从而降低风险等级。

图5 风险图法

表2 风险等级评分表

4 协作机器人系统安全方案

4.1 安全方案的设计优先原则

安全方案的设计优先原则包括以下3点：1） 从设计角度消除危险，降低风险。2） 采用安全防护措施防止操作员接触到危险源或者在操作员接触到危险源之前，确保危险已经消除；例如停机、限制力以及降至安全速度等。3） 增加补充性保护措施，例如制作安全操作规范指导文件和布置安全警示标识等。

4.2 常用安全方案

在设计协作机器人集成系统的过程中，要尽量避免在机器人末端工装上设计尖锐棱边或尖角等，采用倒圆或包附软材的方式对尖锐棱边进行处理；如果末端工具有动力源或其他危险源（例如拧紧枪或者夹紧机构等），在工装与人能够接触的区域，必须采取有效的防护措施确保工装和夹具不会对人员造成伤害；例如增加对激光传感器的实时监控，避免人员接触危险。

当系统通过安全评估后，机器人末端工装与人接触，就不会对人造成伤害或者伤害风险处于可忽略的等级。机器人在安全速度下运行，可以通过协作机器人自身的安全特性（例如开启力反馈和碰撞检测功能），开启机器人虚拟边界的功能，从而达到保证系统安全的目的。

当机器人末端工装与人触碰且有可能造成伤害或者机器人以非常高的速度运行时，可以采用安全光栅或者安全激光扫描仪对协作区域进行实时监控；当人员在协作区域进行作业时，机器人低速运行或者停止运行，等人工作业完成、人员离开危险区域后，机器人再恢复正常工作。

5 结语

随着科技和新技术的不断发展和进步，市场对人机协作应用场景的需求也不断增加，因此协作机器人的优化升级是机器人领域发展的必然趋势。由于目前技术水平的限制，因此协作机器人还处于起步阶段，产品技术还在不断迭代中，但是协作机器人的智能化水平正在逐步提升。协作机器人系统的安全方案根据不同的应用场景也有所不同，要根据机器人系统的整体设计进行风险识别、风险评估和风险评价；再根据评价结果采取相应的安全措施降低风险，减小伤害；风险评估的过程是不断重复的，其最终目的是为了尽可能地消除风险、减小伤害，保证系统的安全性和可靠性。对所有应用场景的机器人系统进行安全风险评估都是十分必要的，该过程意义重大，既可以保证整个机器人系统的稳定、安全和可靠，同时也确保了设备符合国家标准和安全规范，更好地被客户所接受。