工業(yè)機(jī)器人安全性工程研究綜述

李祥亮

摘 要：隨著工業(yè)機(jī)器人逐漸進(jìn)入各行業(yè)的加工生產(chǎn)中，給人類生活帶來(lái)了巨大的改變，但是機(jī)器人也會(huì)發(fā)生安全事故，事故的發(fā)生不但給工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)許多預(yù)料不大的損失，也可能會(huì)人身安全帶來(lái)威脅，因此，工業(yè)機(jī)器人的安全性工程研究成為了一項(xiàng)重要的研究方向。本文主要從機(jī)器人的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，機(jī)器人結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計(jì)，機(jī)器人控制算法的安全性設(shè)計(jì)以及存在的問(wèn)題、發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行綜述。

關(guān)鍵詞：安全性工程;風(fēng)險(xiǎn);故障

一、引言

眾所周知，機(jī)器人均具有較多的自由度，其各個(gè)部件可以在較大空間內(nèi)運(yùn)行，具有高速運(yùn)動(dòng)的大功率機(jī)械手臂和自主控制的動(dòng)作，若機(jī)器人發(fā)生故障可能造成非常嚴(yán)重的危害，而機(jī)器人安全性工程就是在機(jī)器人的壽命周期內(nèi)，利用專業(yè)知識(shí)和系統(tǒng)工程方法，檢測(cè)、評(píng)價(jià)、排除或控制機(jī)器人中的危險(xiǎn)因素，保證機(jī)器人的安全性，使機(jī)器人具有最佳安全程度的工程，它的目的即是確保機(jī)器人可靠、安全地運(yùn)行[1] 。

據(jù)日本的相關(guān)統(tǒng)計(jì)，機(jī)器人事故發(fā)生的事件中，控制系統(tǒng)的故障約為67%，機(jī)器人裝置上的執(zhí)行部件，如焊槍等故障占約19%，工作環(huán)境中噪聲等干擾引起的事故占約11%，其余原因的事故占約3%。

二、機(jī)器人的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

隨著機(jī)器人逐漸被廣泛應(yīng)用于地面的搬運(yùn)、航空、水下、醫(yī)療及核環(huán)境等各個(gè)領(lǐng)域[2]，機(jī)器人的安全性問(wèn)題也日益凸顯，許多專家也進(jìn)行了大量的研究，并嘗試制定機(jī)器人的安全性標(biāo)準(zhǔn)，從而對(duì)機(jī)器人的安全性和穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 11291-2011，針對(duì)工業(yè)機(jī)器人所制定的安全標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)在使用過(guò)程中的安全判定、危險(xiǎn)評(píng)估及如何降低風(fēng)險(xiǎn)等措施，其代替了GB 11291-1997成為新的標(biāo)準(zhǔn)，但是該標(biāo)準(zhǔn)不適合水下、軍用和空間機(jī)器人、假肢、康復(fù)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人等非工業(yè)機(jī)器人。

ISO13482： 2014標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了使用個(gè)人輔助機(jī)器人的安全設(shè)計(jì)、安全措施和用戶信息的要求和說(shuō)明，尤其是針對(duì)個(gè)人輔助機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人助手等，該標(biāo)準(zhǔn)提出了如何應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)的各種措施，該標(biāo)準(zhǔn)同樣也適應(yīng)于陸地機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍師機(jī)器人以及工業(yè)機(jī)器人等。

此外，相關(guān)研究者制定了協(xié)作機(jī)器人的安全標(biāo)準(zhǔn) ISO 15066： 2016，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)人機(jī)協(xié)作過(guò)程中的速度和距離監(jiān)控、壓強(qiáng)和力度限制等問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，該標(biāo)準(zhǔn)也為機(jī)器人的安全性提供了參考。除此之外，一些研究者還對(duì)其他類型機(jī)器人的安全性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究。各國(guó)專家學(xué)者均是為了能夠從安全標(biāo)準(zhǔn)的制定以對(duì)機(jī)器人的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估，進(jìn)而為降低風(fēng)險(xiǎn)提供關(guān)鍵的科學(xué)依據(jù)[3]。

三、機(jī)器人結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計(jì)

對(duì)于機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人安全組件是非常必要的選擇，它們會(huì)降低危險(xiǎn)事故發(fā)生的概率，也為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)降低了難度。其中，安全組件主要有：安全地毯、安全繼電器、急停開(kāi)關(guān)等。

Choi等人提出了一種安全關(guān)節(jié)的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，其采用了多自由度重力補(bǔ)償裝置，可以保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的安全性。2000 年，Lim 等開(kāi)發(fā)了一種人機(jī)友好的機(jī)器人的安全設(shè)計(jì)方法，其采用了一系列安全措施，包括機(jī)器人主體設(shè)置彈性材料、被動(dòng)式的機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)等，實(shí)現(xiàn)真正意義上的人機(jī)共生。

上海寰晟新能源科技有限公司通過(guò)設(shè)置藍(lán)牙數(shù)據(jù)接收器，可遠(yuǎn)程語(yǔ)音操控機(jī)器人，且設(shè)置雙層真空隔音箱，可阻止雜音干擾語(yǔ)音的識(shí)別，提高識(shí)別精度，進(jìn)而提高了機(jī)器人的安全操控;珠海格力電器股份有限公司提出在機(jī)器人關(guān)節(jié)位置設(shè)置安全指示燈組，該安全指示燈組包括多個(gè)安全指示燈，將指示燈安全在關(guān)節(jié)軸上，并用指示燈來(lái)指示關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)方向，提高了抱閘釋放的安全性，此外，由于安全指示燈可以布置在關(guān)節(jié)軸的端部或軸向，工作人員可以在各個(gè)方向上看到指示燈亮起，進(jìn)一步提高了抱閘釋放的安全性;北京配天技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)了一種機(jī)器人系統(tǒng)，其具有松抱閘使能按鈕和松抱閘按鈕，使得機(jī)器人能夠明顯增加對(duì)松抱閘操作的安全性，提高松抱閘操作的便利性，提高了工作效率;東莞市海億機(jī)械設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)了一款六軸機(jī)械手，該機(jī)械手的各軸可實(shí)現(xiàn)360°的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)紅外傳感器可以檢測(cè)工作區(qū)的狀況，一旦有人進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，可立即停止工作并發(fā)出報(bào)警，進(jìn)而避免事故的發(fā)生;而寧夏銀星吳忠儀表流體控制有限公司則在執(zhí)行器殼體上設(shè)置有多組不同顏色的指示燈，通過(guò)指示燈的亮暗以及指示燈的顏色即可判斷執(zhí)行器的工作狀態(tài)，使得操作工人能在遠(yuǎn)處獲得執(zhí)行器的工作狀態(tài)。

四、機(jī)器人控制算法的安全性設(shè)計(jì)

當(dāng)機(jī)器人面臨危險(xiǎn)情況時(shí)，通常采用預(yù)設(shè)的控制算法來(lái)避免該危險(xiǎn)，庫(kù)卡機(jī)器人公司等提出了機(jī)器人非基礎(chǔ)條件下的危險(xiǎn)指數(shù)，通過(guò)機(jī)器人與物體間距離，機(jī)器人的速度和慣量三個(gè)因素獲得機(jī)器人的危險(xiǎn)指數(shù)的評(píng)估，危險(xiǎn)指數(shù)越大，表示機(jī)器人所在環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)越高。Lacevic等人也對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和速度進(jìn)行了研究，并指出了影響安全性的因素及具體的解決措施。Yamada在機(jī)器人系統(tǒng)的安全問(wèn)題分析時(shí)采用了故障樹(shù)分析方法，指出人—機(jī)意圖的失諧是導(dǎo)致事故的重要原因。Sneckenberger J提出一種人機(jī)共生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，其對(duì)機(jī)器人控制面板的功能開(kāi)關(guān)進(jìn)行優(yōu)化布局，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)的最佳匹配，以適應(yīng)人體工程學(xué)的理念，降低誤操作概率，提高機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，進(jìn)而也提高了安全性。

在中國(guó)，祁若龍等提出了基于遺傳算法的軌跡避障方法，它得到了一條速度和加速度連續(xù)、關(guān)節(jié)扭矩不超過(guò)機(jī)器人關(guān)節(jié)扭矩極限、關(guān)節(jié)和末端運(yùn)動(dòng)行程較短、運(yùn)動(dòng)時(shí)間較短，并且能夠使整個(gè)機(jī)械手臂成功避開(kāi)障礙的一條理想軌跡。王太勇等在負(fù)壓式爬行機(jī)器人的真空系統(tǒng)中應(yīng)用了冗余控制理論，進(jìn)而形成一種雙真空泵冗余系統(tǒng)以提高其安全性。

五、存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)器人的安全性研究還有以下幾個(gè)方面需要提高和解決：（1）柔順控制算法需要進(jìn)一步完善，目前的精度控制不高、控制目標(biāo)也較為單一;（2）機(jī)器人安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也需進(jìn)一步優(yōu)化，如何將機(jī)器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化并更加容易操控一直是研究人員追求的目標(biāo)，在保證了安全性的同時(shí)，兼顧小型化、微型化、輕量化的設(shè)計(jì);（3）復(fù)雜環(huán)境機(jī)器人判斷能力以及響應(yīng)速度有待提高，機(jī)器人應(yīng)用的環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，機(jī)器人搭載的信息采集機(jī)構(gòu)也越來(lái)越多，例如多傳感融合技術(shù)等，為保證信息采集的準(zhǔn)確性，針對(duì)采集的信息能快速的響應(yīng)，這也是機(jī)器人安全性發(fā)展的一大趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

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