機器人安全標準化研究

張利強 李承軒

（1 北京機械工業自動化研究所有限公司，北京，100120；2 中控云天（北京）智能科技有限責任公司，北京，102627）

0 引言

隨著人類社會由工業化、信息化向智能化發展，機器人在人類生產生活當中發揮著越來越重要的作用。隨著機器人向更加高效、靈活、智能方向發展，產品應用領域也逐漸從工業向服務、軍事、醫療等領域快速擴展[1]，為人類社會的發展和進步做出了重要貢獻。

隨著機器人技術的不斷創新和應用的不斷拓展，機器人與人類的互動也越來越密切，機器人安全問題也日益突出[2]，不僅關系到機器人自身的可靠性和壽命，也關系到人員的生命財產安全和社會穩定。因此，急需制定和實施機器人安全標準，保障機器人安全運行、促進機器人產業發展、提高機器人市場競爭力。

機器人安全標準化是指根據科學原理和實踐經驗，制定和實施的一系列關于機器人安全的規范和要求，以保證機器人在設計、制造、運輸、安裝、調試、使用、維護等全生命周期各個環節中不會對自身或周圍人員和環境造成危害或損失[3-6]。

機器人安全的標準化一般具有以下作用：

1）標準化的技術支撐作用：標準的本質是技術規范，標準化是機器人科研、生產、使用三者之間的橋梁，標準化可使新技術和新科研成果快速得到推廣應用，從而促進技術進步；

2）標準化的管理基礎作用：標準是科學管理的重要方法，各種科學管理制度的形式，都以標準化為基礎，通過確立共同遵循的準則，建立穩定的秩序，可促進統一、協調、高效率等管理目的；

3）標準化的引導促進作用：創新與標準相結合，所產生的“乘數效應”能更好地推動科技成果向產業轉化，標準化應用于科學研究，可以避免在研究上的重復勞動；應用于產品設計，可以縮短設計周期；應用于生產，可使生產科學、有序。

因此，機器人安全問題有必要通過標準或者法規給予指導和約束。國家相關部門通過制定標準、實施標準、監督標準應用情況等，來保障機器人設計研發、生產制造和使用維護的操作規范性與風險可控性，加強對新型機器人、新技術、新場景的安全標準化研究，制定相應的安全標準或指南，為機器人的安全運行提供規范和保障。

1 機器人危險性分析

根據機器人的類型和使用場景的不同，機器人在使用過程中可能存在多種危險因素，產生不同的危害后果。如工業機器人通常具有較大的體積、重量和運動速度，在與人員共享工作空間時可能造成夾傷、撞擊；服務機器人與人員接觸時可能造成點擊、燙傷、劃傷等。

1.1 機器人安全風險

機器人使用過程中的安全風險，可能表現為多種類型的事故：

1）干涉碰撞：較重的往復運動部件撞人，形成的沖擊碰撞傷害，傷害程度與運動部件的動量有關；

2）飛車失控：機器人運動速度升高時超速保護失效，轉速失控，超出轉速限制；

3）失速異動：油、電、機械部分出現故障，機器人失去動力及控制；

4）擠壓拍擊：運動部件、工具、加工件與人體接觸引起的擠壓，高速接觸引起的拍擊傷害；

5）零件故障：結構零件故障造成機器人異位、異常姿勢，運動零件故障造成機器人異動；

6）電氣故障：電線出現破損導致機器人金屬部件帶電，液壓、氣動泄漏造成飛濺；

7）系統失效：機器人軟硬件系統故障造成各種異常行為。

1.2 機器人危險原因分析

人與機器人的互動有多個與之相關的危險因素，即：

1）人為失誤操作：技術不熟練、操作方法不當、準備不充分、安排不周密等造成的人為判斷錯誤；

2）控制指令錯誤：人為、系統、網絡等造成的控制指令異常；

3）非法訪問篡改：外部人為通過非法途徑，故意進行破壞性篡改；

4）機械設備故障：設備失效或故障；

5）環境異常干擾：不良的操作環境，如作業區雜亂、通道不暢、地面積水，電磁干擾等，通風、防毒、防塵、照明、防震、防噪聲以及氣象條件異常；

6）能源系統波動：供電、液壓系統等儲能和動力源故障，靜電、電磁、沖擊等干擾可能造成控制系統和動力輸出異常；

7）非規范化安裝使用，安全防護設施不完善等。

許多機器人事故是在如編程、維護、測試、設置或調整等非常規操作條件下發生的，通常在進行此類操作時，工人會進入機器人的工作范圍內，任何意外操作都可能會發生意外危險，從而導致人員受傷。

2 機器人安全性分析

針對不同類型的機器人生命周期環節、應用場景，機器人安全具有不同的特征和要求。因此，機器人安全可考慮按以下各要素進行分類。

1）安全威脅：包括人、財產、環境等；

2）生命周期：包括設計、制造、安裝調試和運行維護等；

3）組成部分：包括機械、電氣、控制系統、信息、使用空間和環境等；

4）機器人類型：包括工業機器人、服務機器人等。

針對不同的機器人安全分類，我們通常需要進行相應的安全評估，開展安全技術研究應用[1]，制定相應的安全防護措施規范，進行安全應對，以實現機器人安全性提升。

2.1 開展機器人安全評估

風險評估是通過對機器人在全生命周期可能存在的風險進行危害性、發生概率、頻次的評價，包括風險分析、風險評定和風險減小三個過程[7-8]。通過安全評估，可以識別和評價機器人可能存在的各種危險和風險，制定相應的防護措施和應急方案，以及監控和改進機器人的安全性能，從而將機器人對人類的生命、財產、環境可能產生的損害控制在能接受的水平。機器人安全評估可以幫助機器人設計者、制造者、集成者、用戶和監管者提高對機器人安全性的認識和責任感，促進機器人技術的發展和應用。

相關評估方法和要求應有標準化文件支持，當前，我國已發布有《工業機器人 安全實施規范》（GB/T 20867—2007）《娛樂機器人 安全要求及測試方法》（GB/T 41393—2022）《服務機器人功能安全評估》（GB/T 38260—2019）等機器人安全評估相關規范。

2.2 應用機器人主動安全技術

機器人安全技術包括事前主動預防和事后控制[9]。機器人主動安全技術包括：

1）主動感知與交互：包括機器人運動狀態、周圍環境等危險源感知技術，集成與智能化人機交互等技術；

2）柔順與應急控制：包括機器人運動控制、應急控制技術；

3）機器人運動規劃：包括工藝規劃、任務規劃、路徑規劃等；

4）安全管理：包括人、設備、安全規范等。

通過開展機器人安全技術的研究與應用，提高機器人安全可靠性。

2.3 強化落實機器人安全防護措施

針對機器人，安全性應從控制危害發生概率、降低危害程度入手[10]?；谙到y安全，機器人安全事故預防需要完全貫通機器人的全生命周期，即設計制造、集成使用、維護保養和拆解報廢的全過程。同時，機器人安全防護強調使用急停、專員操作、規范指導、安全監控、力速限制等基礎安全支持措施。

全生命周期機器人安全防護著重考慮以下幾個方面：

1）多種感知通道冗余設計：通過使用多種傳感器，如攝像頭、激光、雷達、超聲波等，提高機器人對周圍環境的感知能力和精度，以及應對故障的容錯能力；

2）強化本質安全：通過對機器人的結構、材料、動力等方面進行優化（例如，使用輕質材料、圓角設計、限制速度和力矩等，可以減少機器人與人或物體發生碰撞時的沖擊力），使機器人本身具有較低的危險性和傷害性；

3）整體安全：使用統一的安全標準和規范，結合安全監測和管理系統，對機器人系統各組成部分進行優化調整，保障機器人系統在各個階段和環節都能夠滿足安全要求；

4）軟件和服務：通過對機器人軟件的開發、測試、更新等過程進行規范和監督，例如，使用代碼審查、漏洞掃描、加密簽名等信息安全技術，防止數據被篡改或植入惡意代碼），以保障機器人軟件的質量和安全性；

5）人機協作融合：對人類和機器人之間的協作模式、協作規則等方面設計和優化（例如，通過使用虛擬現實、增強現實、腦機接口等技術，增強人類對機器人的控制和感知），實現高效安全協作；

6）智能與云服務：通過機器人的智能化和云化（例如，使用機器學習、云計算等技術，使機器人具有更強的學習、計算和適應能力），提高機器人的自主性和靈活性，以應對復雜多變的環境和任務。

3 機器人安全標準規范分析

實踐證明，沒有絕對安全的機器人。要確保機器人的安全應用，只有通過標準或者法規給予指導。

3.1 機器人安全標準化組織

標準是機器人產業國際競爭的技術依據和有效手段，國際最早的機器人標準化組織為ISO/TC184，該技術委員會于二十世紀80 年代成立，最初為“工業自動化”下的SC2“制造環境機器人”小組委員會。自2016 年國際標準化組織ISO/TC184/SC2 升級為ISO/TC299，并冠以“機器人”稱號后，日本、韓國和德國等國家的對口標委會均響應國際的變化，升級為TC。2021 年，我國也成立了全國機器人標準化技術委員會SAC/TC591。

目前，國際上與機器人相關的標準化組織及其標準化工作方向如表1 所列。

表1 機器人相關標準化組織及其標準化工作方向

3.2 國際機器人安全相關標準現狀

機器人的本質屬性是可重復編程的機電一體化產品，但其組裝應用的組件工具，通常來自不同廠家設計、生產、使用、運維，而其應用操作維護人員更是千差萬別。在國際標準化組織機器人技術委員會（ISO/TC299）中，第三工作組（WG3）專注于機器人的安全，第五工作組（WG5）涉及醫用機器人安全，和WG3 中的機器人安全有相關之處。

首先，機器人安全標準需要解決：

1）危險源識別，包括危險源和危險類型識別；

2）風險評估，評估隨著機器人系統部署的變化（安裝、編程、操作等）而帶來的風險；

3）風險消減措施，即消除或充分減小這些危險的措施。

其次，機器人安全標準需要對機器人系統集成、安裝、功能測試、編程、維護和修理等提供安全指導。因此，工業機器人國際標準《機器人與機器人裝置 工業機器人安全需求》（ISO 10218）應運而生。

當前，ISO 機器人相關標準由ISO/TC 299 委員會編制，安全問題一直散落于ISO 的標準中，表現為對機器人安全風險進行分級，并針對安全風險分級制定相應機器人安全標準，如表2 所列。

表2 機器人安全分級相關標準（節選）

3.3 國內機器人安全標準現狀

我國的第一個工業機器人安全標準于1989 年發布，標準號為GB 11291—1989，后于1997 年9 月進行了修訂。

2017 年5 月國家標準化管理委員會、國家發展改革委員會等部門聯合印發的《國家機器人標準體系建設指南》中，機器人的安全標準分為電氣安全、機械安全、功能安全和信息安全四大類。近年來，我國陸續出臺了多項機器人安全國家標準，并持續研制新標準，部分標準如表3 所列。

表3 我國現行機器人安全標準（節選）

4 機器人安全標準應用

4.1 安全標準引領機器人產業健康發展

機器人安全標準的意義在于為同類產品提供規制或框架，使市場競爭有序、各市場主體（諸如生產商、集成商和用戶）之間權責分明，并提供風險管理與評估的規范以及降低風險的措施。另外，全球性的標準兼容也有利于促進機器人產品的全球化。

目前，部分機器人領域最重要的基礎安全標準被其他國家標準、行業標準、企業標準以及科技論文廣泛引用。如《機器人與機器人裝備 工業機器人的安全要求 第2部分：機器人系統與集成》（GB 11291.2—2013）等工業機器人領域國家強制標準，在機器人全行業進行了實施和應用。此外，2016 年，國家發布“中國機器人”認證標志，同時頒發了首批機器人產品認證證書，為機器人全行業推廣應用安全規范提供重要支持。

這些標準規范的推廣和應用，對支撐國家政策制定、規范行業發展、指導企業研發設計、加快機器人安全應用，具有重要的引領性作用。

4.2 安全標準提升機器人產品性能

機器人本體機械設備、電氣控制、功能運行、信息系統的安全是保證機器人安全運行的重要因素，機器人安全標準的應用和實施，可以系統地指導機器人相關單位開展機器人相關工作，重視和提高機器人安全性。

（1）機械設備安全。

1）對機械設備的結構、物理特性、類人功效進行分析，識別與監控評估危險源，進行機械結構本質安全設計、安全防護及保護措施設計，并提供安全分析信息，以提高機器人本質安全的設計要求；

2）對機械設備應用現場的基礎設施，采取防火、防盜、防靜電、防潮措施，以及補充隔離、逃生等安全保護措施，以避免或限制傷害發生；

3）對機械設備及其配套裝置，利用多種傳感監控系統，實時監控其運行狀態指標，及時進行故障預警和應急處置，以保障機械設備系統穩定安全運行。

（2）電氣控制安全。

通過極限電壓、極限電流、漏電、接地、斷電和恢復等安全測試，確保電器層面的安全性。

（3）功能運行安全。

針對機器人的各項功能開展風險評估，分析機器人在各種潛在風險下的失效概率和嚴重程度，通過減少風險和設定風險等級，增加應急限制作業范圍、應急降速、應急限制輸出作用力、緊急制動、安全聯鎖或脫機等機器人安全功能，制定相應措施，以提高功能運行可靠性和規避風險。

（4）信息系統安全。

信息系統安全包括網絡、操作系統和數據庫等的安全，主要通過網絡隔離、信息加密和追蹤、身份驗證和入侵識別處置等信息系統安全手段，提高機器人信息系統安全防護能力；通過針對各項信息系統安全的功能、性能不斷進行檢測評估和提升整改，以確保機器人信息系統的安全性。

4.3 安全標準提高機器人應用規范性

機器人操作安全事故常因工作人員近距離編程、調試、測試、故障排查時的操作失誤引起。ISO 出版的“在操作人員與機器人協作工作時，如何確保操作人員安全的技術指南”——ISO/TS15066，開始針對機器人操作應用內容進行指導和規范。

（1）操作安全。

通過設置安全柵、圍欄，完善各種安全裝置、安全措施，并采用自碰撞檢測算法、參數合法性檢查算法等，在軟件層面限制機器人運動參數、增加三段式安全開關、開展安全等級權限管理，對使用者進行安全教育，安全監督管理等，以提高操作人員的安全意識和操作規范性。

（2）應用安全。

通過過載、耐久、非正常操作、緊急停止、碰撞力和壓強強化測試，制定機械安全范圍，軟件方面針對關聯及關鍵數據進行加密存儲，防止重要數據的非法篡改，確保機器人在正常和非正常使用狀態下的安全性。

（3）災害處置安全。

通過增加安全聯鎖、屏蔽裝置、隔離擋板、安全通道和標識，加裝災害下的應急處置設施，指導建立有效的災害處置規范和用戶手冊，以提高機器人應用安全預防和應急補救能力。

軟件方面通過冗余數據庫備份，提供數據動態恢復或向前恢復等功能，確保數據源的可靠性和數據的一致性，并通過操作日志數據庫，實現業務過程實時追蹤與歷史追蹤。

5 我國機器人安全需求與標準化發展

當前，我國“機器人+”戰略帶動機器人產業全面高速發展，新一代信息技術、新材料、生物技術等快速融合，以及智能制造工業應用和智慧生活服務應用的高速發展，催生出大量新型機器人產品、高速迭代機器人新業態，新型機器人產品又推動機器人應用不斷走向深入。在這些新技術與應用領域，人機協作場景越來越多，機器人應用安全要求越來越高，機器人安全標準化工作迫切需要盡快走到前列，規范和引導機器人相關新技術、新產品和新應用的安全性主要涉及：

1）機器人安全策略：需針對不同機器人、不同應用場景，制定更合理有效的安全策略；

2）機器人安全技術轉化：隨著機器人軟硬件、控制等技術突破，需及時將相應技術應用于機器人產品及其應用規范，如機器人視覺和觸覺等；

3）機器人安全標準升級：截至2023 年3 月，我國共發布國家標準103 項，其中安全標準12 項，許多方面尚未覆蓋，亟需加快機器人安全方面標準化工作。

4）提升檢測認證能力：我國需要盡快提升針對機器人安全的試驗驗證能力，通過推動機器人產品安全檢測，提高機器人產品供給質量與可靠性；這就需要開展中國機器人認證體系建設，而機器人認證體系，首先就必須出臺相應的機器人產品和安全標準檢測規范，培育相應的機器人檢測與評定能力機構，來實施機器人安全檢測認證。

6 結束語

加強機器人安全標準化工作是保障機器人安全性能和促進機器人產業發展的重要手段。隨著科技創新和社會變革，新型機器人產品和應用場景不斷涌現，對安全標準提出了更高的要求。我國應加快建立和完善覆蓋機器人全生命周期的安全標準體系，通過加強機器人安全相關的研究和開發，制修訂機器人安全相關標準和規范，提升我國在機器人安全領域的話語權和影響力。