協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法研究

李偉嶺

（中科新松有限公司，上海 201206）

0 引言

協(xié)作機(jī)器人作為機(jī)器人領(lǐng)域的新型產(chǎn)品，它與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)理念不同，它的最終目的是為了讓機(jī)器人走進(jìn)人們的生活，因此它的安全特性是設(shè)計(jì)過程中要考慮的重要因素；同時(shí)，它融入了更多的智能技術(shù)，例如視覺、力覺和觸覺等感知傳感器，給協(xié)作機(jī)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(xié)作完成某項(xiàng)工作；而傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人沒有協(xié)作機(jī)器人的這些屬性，它屬于高端機(jī)器設(shè)備，是按照預(yù)先編好的程序完成某項(xiàng)作業(yè)，它只能進(jìn)行獨(dú)立作業(yè)，在工作過程中，必須與人進(jìn)行物理隔離[1]；由于受技術(shù)水平的限制，現(xiàn)在很多工廠的工作并不能完全由工業(yè)機(jī)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(lái)完成；因此，需要1款更加智能、安全的機(jī)器人作為伙伴助手，協(xié)助人工完成整個(gè)作業(yè)。

1 協(xié)作機(jī)器人的設(shè)計(jì)理念

1.1 協(xié)作機(jī)器人概念

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，協(xié)作機(jī)器人是在規(guī)定的協(xié)作空間內(nèi)能夠與人進(jìn)行直接交互的機(jī)器人[2]。簡(jiǎn)單地理解就是協(xié)作機(jī)器人可以和人類一起協(xié)同作業(yè)，在工作過程中發(fā)揮各自不同的優(yōu)勢(shì)，如圖1所示。

圖1 人機(jī)交互示意圖

圖1很直觀地展示了人機(jī)協(xié)作的應(yīng)用的場(chǎng)景；人的優(yōu)勢(shì)是善于處理隨機(jī)且不確定的工作，而機(jī)器人優(yōu)勢(shì)是可以完成準(zhǔn)確性和重復(fù)性比較高的工作。人機(jī)協(xié)作的最終目的就是為了將人和機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，共同完成一項(xiàng)復(fù)雜的工作。

1.2 協(xié)作機(jī)器人優(yōu)勢(shì)

協(xié)作機(jī)器人具有安全特性、拖拽示教、部署靈活以及簡(jiǎn)單易用4個(gè)特點(diǎn)。

協(xié)作機(jī)器人的安全特性是指它具有力感知和碰撞檢測(cè)的功能，該技術(shù)把人的屬性賦予機(jī)器人，為機(jī)器人與人進(jìn)行協(xié)同作業(yè)提供了可能；拖拽示教能夠使人和機(jī)器人的互動(dòng)更加直接、方便；由于機(jī)器人采用輕量化設(shè)計(jì)（5 kg負(fù)載機(jī)器人的總重大約在20 kg），因此它具有體形小巧、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，拆卸和安裝都十分簡(jiǎn)單，特別適合部署在狹小的空間；機(jī)器人控制系統(tǒng)的LINEX架構(gòu)為開源設(shè)計(jì)，能夠進(jìn)行二次開發(fā)，將生態(tài)配件嵌入到示教器界面，做到即插即用；再加上對(duì)操作界面進(jìn)行圖像化設(shè)計(jì)，使人機(jī)交互變得更加簡(jiǎn)單、易用。

1.3 協(xié)作機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀

據(jù)公開資料顯示，全球共有近20家企業(yè)投入到協(xié)作機(jī)器人的研發(fā)和生產(chǎn)中，國(guó)外生產(chǎn)協(xié)作機(jī)器人的知名廠商有UR、庫(kù)卡、ABB以及發(fā)那科等[2]，國(guó)內(nèi)協(xié)作機(jī)器人廠商有新松、遨博、艾利特以及節(jié)卡等，其中新松是國(guó)內(nèi)機(jī)器人行業(yè)的領(lǐng)頭羊，該公司生產(chǎn)的協(xié)作機(jī)器人代表了行業(yè)內(nèi)的最高技術(shù)水平。如圖2所示，該機(jī)器人是2015年新松自主研發(fā)的雙臂協(xié)作機(jī)器人（型號(hào)為DSCR3），雙臂協(xié)作機(jī)器人的2個(gè)手臂分別有7個(gè)自由度，負(fù)載為3 kg，它能夠模擬人的2個(gè)手臂進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，特別適合在3C電子行業(yè)中應(yīng)用。如圖3所示，該機(jī)器人是新松自主研發(fā)的單臂協(xié)作機(jī)器人，它有7個(gè)自由度，負(fù)載為5 kg；它比傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人多了1個(gè)關(guān)節(jié)，其運(yùn)動(dòng)的靈活性更高、柔性更強(qiáng)，更適用于在狹小的空間中進(jìn)行作業(yè)。

圖2 新松的3 kg雙臂協(xié)作機(jī)器人

圖3 新松的5 kg單臂協(xié)作機(jī)器人

2 協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用

協(xié)作機(jī)器人典型的應(yīng)用場(chǎng)景有搬運(yùn)碼垛、螺釘擰緊、質(zhì)量檢測(cè)、力控裝配、涂膠以及拋光打磨等；在這些應(yīng)用場(chǎng)景中，機(jī)器人與末端工裝夾具以及外圍設(shè)備共同組成了1個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，因此做好整個(gè)系統(tǒng)的安全評(píng)估和安全方案是至關(guān)重要的。該文所說的安全方案的對(duì)象是機(jī)器人系統(tǒng)，并非機(jī)器人本身；機(jī)器人本身的設(shè)計(jì)是符合國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)的，機(jī)器人本身安全并不代表機(jī)器人系統(tǒng)也安全，因?yàn)檎麄€(gè)機(jī)器人系統(tǒng)還涉及很多其他因素（例如末端工裝和周邊設(shè)備等），所以需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，從而確保系統(tǒng)不會(huì)對(duì)人員、設(shè)備和環(huán)境造成傷害[3]。

3 協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)安全評(píng)估

3.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 36008—2018的規(guī)定，在進(jìn)行協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及采取相應(yīng)的措施減小風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的步驟如圖4所示，圖4表示對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的整個(gè)過程；在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估前，首先需要確定機(jī)器人系統(tǒng)的范圍，例如機(jī)器人的工作空間、機(jī)器人末端工具、機(jī)器人運(yùn)行速度和使用環(huán)境等因素；其次，要對(duì)整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別需要考慮系統(tǒng)整個(gè)生命周期內(nèi)的所有工作；最后，再對(duì)每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

圖4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估步驟

3.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工具

目前風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的工具有很多，例如風(fēng)險(xiǎn)矩陣法、風(fēng)險(xiǎn)圖法和數(shù)值評(píng)分法。系統(tǒng)集成商在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)一般會(huì)選擇其中1種方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。任何風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工具都涉及至少2個(gè)代表風(fēng)險(xiǎn)要素的參數(shù)，即傷害的嚴(yán)重程度和傷害發(fā)生的概率。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法如下。

3.2.1 風(fēng)險(xiǎn)矩陣法

表1為風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)矩陣，先對(duì)整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行傷害嚴(yán)重程度和傷害發(fā)生概率的評(píng)估，然后對(duì)照表1進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和評(píng)價(jià)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)文件GB/T 16856—2015第8頁(yè)對(duì)傷害的嚴(yán)重程度和傷害發(fā)生的概率做了明確說明和界定，系統(tǒng)集成商可以根據(jù)相關(guān)文件量化風(fēng)險(xiǎn)，因此集成商在對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行安全評(píng)估時(shí)，首先需要準(zhǔn)確識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)因子；其次，客觀合理地評(píng)估傷害的嚴(yán)重程度和傷害發(fā)生的概率；再次，通過表1就可以得到風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；最后，針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)要求采取相應(yīng)的安全措施降低風(fēng)險(xiǎn)，減小傷害，直到風(fēng)險(xiǎn)處于可接受的范圍。

表1 風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)矩陣

3.2.2 風(fēng)險(xiǎn)圖法

風(fēng)險(xiǎn)圖法也是系統(tǒng)集成商在對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行安全評(píng)估的常用工具之一；如圖5所示，首先，將風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)劃分為4個(gè)，即嚴(yán)重程度、暴露度、危險(xiǎn)事件發(fā)生的概率和避免的可能性；其次，從4個(gè)維度對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)中的每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行評(píng)估；最后，通過風(fēng)險(xiǎn)圖推導(dǎo)出風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)文件GB/T 16856—2015第9頁(yè)和第頁(yè)對(duì)上述4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)進(jìn)行了明確說明和定義，因此系統(tǒng)集成商只需要按照標(biāo)準(zhǔn)界定的范圍，從4個(gè)維度對(duì)需要評(píng)估的風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行客觀、合理地評(píng)估，并按照風(fēng)險(xiǎn)圖法推導(dǎo)出風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。評(píng)估結(jié)束后，集成商需要根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)采取相應(yīng)的安全措施，降低風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，指數(shù)越高，風(fēng)險(xiǎn)越大，最低優(yōu)先級(jí)對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)1和風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)2，中等優(yōu)先級(jí)對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)3和風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)4，最高優(yōu)先級(jí)對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)5和風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)6。

3.2.3 數(shù)值評(píng)分法

機(jī)器人系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的數(shù)值評(píng)分法使用的表格，見表2。該方法是將傷害的嚴(yán)重程度和傷害發(fā)生的概率分為4個(gè)等級(jí)并分別定義了分值。傷害嚴(yán)重程度分?jǐn)?shù)用SS表示，概率分?jǐn)?shù)用PS表示，風(fēng)險(xiǎn)分?jǐn)?shù)用RS表示，風(fēng)險(xiǎn)分?jǐn)?shù)為SS與PS分?jǐn)?shù)的總和，即RS=SS+PS。對(duì)傷害情況的說明和定義如下：災(zāi)難性情況的對(duì)應(yīng)分?jǐn)?shù)為SS=100，嚴(yán)重情況的對(duì)應(yīng)分?jǐn)?shù)為99≥SS≥90，中等情況的對(duì)應(yīng)分?jǐn)?shù)為89≥SS≥30，輕微情況的對(duì)應(yīng)分?jǐn)?shù)為29≥SS≥0。當(dāng)傷害發(fā)生的概率為非?？赡軙r(shí)，其對(duì)應(yīng)的概率分?jǐn)?shù)為PS=100；當(dāng)傷害發(fā)生的概率為可能時(shí)，其對(duì)應(yīng)的概率分?jǐn)?shù)為99≥PS≥70；當(dāng)傷害發(fā)生的概率為不太可能時(shí)，其對(duì)應(yīng)的概率分?jǐn)?shù)為69≥PS≥30；當(dāng)傷害發(fā)生的概率為幾乎不可能時(shí)，其對(duì)應(yīng)的概率分?jǐn)?shù)為99≥PS≥0。在該風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法中，集成商在對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，需要對(duì)每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行客觀地評(píng)估和評(píng)分，由于每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)是1個(gè)區(qū)間范圍，因此評(píng)分時(shí)，可以在合理區(qū)間內(nèi)根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)高低給出合理的分?jǐn)?shù)，并經(jīng)過計(jì)算得出最終的風(fēng)險(xiǎn)分?jǐn)?shù)；開會(huì)討論并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分?jǐn)?shù)采取相應(yīng)的措施，從而降低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

圖5 風(fēng)險(xiǎn)圖法

表2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)分表

4 協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)安全方案

4.1 安全方案的設(shè)計(jì)優(yōu)先原則

安全方案的設(shè)計(jì)優(yōu)先原則包括以下3點(diǎn)：1） 從設(shè)計(jì)角度消除危險(xiǎn)，降低風(fēng)險(xiǎn)。2） 采用安全防護(hù)措施防止操作員接觸到危險(xiǎn)源或者在操作員接觸到危險(xiǎn)源之前，確保危險(xiǎn)已經(jīng)消除；例如停機(jī)、限制力以及降至安全速度等。3） 增加補(bǔ)充性保護(hù)措施，例如制作安全操作規(guī)范指導(dǎo)文件和布置安全警示標(biāo)識(shí)等。

4.2 常用安全方案

在設(shè)計(jì)協(xié)作機(jī)器人集成系統(tǒng)的過程中，要盡量避免在機(jī)器人末端工裝上設(shè)計(jì)尖銳棱邊或尖角等，采用倒圓或包附軟材的方式對(duì)尖銳棱邊進(jìn)行處理；如果末端工具有動(dòng)力源或其他危險(xiǎn)源（例如擰緊槍或者夾緊機(jī)構(gòu)等），在工裝與人能夠接觸的區(qū)域，必須采取有效的防護(hù)措施確保工裝和夾具不會(huì)對(duì)人員造成傷害；例如增加對(duì)激光傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)控，避免人員接觸危險(xiǎn)。

當(dāng)系統(tǒng)通過安全評(píng)估后，機(jī)器人末端工裝與人接觸，就不會(huì)對(duì)人造成傷害或者傷害風(fēng)險(xiǎn)處于可忽略的等級(jí)。機(jī)器人在安全速度下運(yùn)行，可以通過協(xié)作機(jī)器人自身的安全特性（例如開啟力反饋和碰撞檢測(cè)功能），開啟機(jī)器人虛擬邊界的功能，從而達(dá)到保證系統(tǒng)安全的目的。

當(dāng)機(jī)器人末端工裝與人觸碰且有可能造成傷害或者機(jī)器人以非常高的速度運(yùn)行時(shí)，可以采用安全光柵或者安全激光掃描儀對(duì)協(xié)作區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；當(dāng)人員在協(xié)作區(qū)域進(jìn)行作業(yè)時(shí)，機(jī)器人低速運(yùn)行或者停止運(yùn)行，等人工作業(yè)完成、人員離開危險(xiǎn)區(qū)域后，機(jī)器人再恢復(fù)正常工作。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著科技和新技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，市場(chǎng)對(duì)人機(jī)協(xié)作應(yīng)用場(chǎng)景的需求也不斷增加，因此協(xié)作機(jī)器人的優(yōu)化升級(jí)是機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢(shì)。由于目前技術(shù)水平的限制，因此協(xié)作機(jī)器人還處于起步階段，產(chǎn)品技術(shù)還在不斷迭代中，但是協(xié)作機(jī)器人的智能化水平正在逐步提升。協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)的安全方案根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景也有所不同，要根據(jù)機(jī)器人系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；再根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果采取相應(yīng)的安全措施降低風(fēng)險(xiǎn)，減小傷害；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的過程是不斷重復(fù)的，其最終目的是為了盡可能地消除風(fēng)險(xiǎn)、減小傷害，保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。對(duì)所有應(yīng)用場(chǎng)景的機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估都是十分必要的，該過程意義重大，既可以保證整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全和可靠，同時(shí)也確保了設(shè)備符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和安全規(guī)范，更好地被客戶所接受。