摘要:隨著科技發(fā)展和進(jìn)步,服務(wù)機(jī)器人在人們生活中越來(lái)越普及。目前,我國(guó)尚無(wú)針對(duì)公共服務(wù)機(jī)器人電磁兼容安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),存在監(jiān)管盲區(qū),安全質(zhì)量難以保證。文中對(duì)公共服務(wù)機(jī)器人的電磁兼容性進(jìn)行研究,深入探究服務(wù)機(jī)器人在電磁兼容方面的安全風(fēng)險(xiǎn),并提出具體應(yīng)對(duì)建議。
關(guān)鍵詞:公共服務(wù)機(jī)器人;電磁兼容;傳導(dǎo)騷擾;輻射騷擾
Research on Security Risk Monitoring of Electromagnetic Compatibility of Public Service Robot
ZHANG Xuebin1, 2
(1 Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute, Fuzhou 350008, Fujian, China)
(2 National Quality Inspection and Testing Center of Special Robot Product (Fujian), Quanzhou362000, Fujian, China)
Abstract: With the development and progress of science and technology, service robots are becoming more and more popular in people's lives. At present,there is no national standard for the security risk monitoring of EMC of public service robot in China and there are regulatory blind spots, thus the safety quality is difficult to guarantee.This paper studies the electromagnetic compatibility of public service robot, discusses its safety risks,and gives specific countermeasures.
Key Words:" Public service robot; Electromagnetic compatibility; Conducted emission; Radiated emission
0引言
隨著社會(huì)發(fā)展,科技進(jìn)步,人口老齡化加劇帶來(lái)的服務(wù)業(yè)招工難、用工成本攀升等問(wèn)題,使得服務(wù)機(jī)器人成為人類(lèi)社會(huì)青睞的對(duì)象。服務(wù)機(jī)器人在商場(chǎng)、銀行、酒店、醫(yī)院、公共服務(wù)大廳等場(chǎng)所實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。但是市場(chǎng)對(duì)于公共服務(wù)機(jī)器人的監(jiān)管還不夠完善,市面上的各種公共服務(wù)機(jī)器人質(zhì)量參差不齊,逐漸顯露出一些潛在的質(zhì)量安全問(wèn)題,例如電氣危險(xiǎn)、機(jī)械危險(xiǎn)、輻射危險(xiǎn)、化學(xué)危險(xiǎn)等等。由于人工智能特性帶來(lái)的安全問(wèn)題,其中電磁兼容(EMC)方面帶來(lái)的質(zhì)量安全問(wèn)題不容忽視。公共服務(wù)機(jī)器人由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度高,一方面,外部環(huán)境的電磁干擾容易致使機(jī)器人性能下降,機(jī)器人失控、無(wú)法正常工作的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。另一方面,服務(wù)機(jī)器人本身也存在對(duì)周邊環(huán)境的電磁干擾,影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行,特別是在銀行、政府機(jī)構(gòu)、醫(yī)院重要應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹃P(guān)鍵設(shè)備造成系統(tǒng)性事故,將導(dǎo)致難以估量的損失。
1風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和標(biāo)準(zhǔn)選擇
1.1電磁兼容與安全風(fēng)險(xiǎn)
隨著社會(huì)和科技的發(fā)展,越來(lái)越多的公共服務(wù)機(jī)器人進(jìn)入人們的日常生活,如在大型商場(chǎng)、酒店、餐廳、銀行、醫(yī)院、場(chǎng)館等場(chǎng)所都能看到,但給生活帶來(lái)便利的同時(shí),也產(chǎn)生了一系列的問(wèn)題。服務(wù)機(jī)器人在使用過(guò)程中產(chǎn)生的電磁騷擾不僅會(huì)干擾公共通信設(shè)施的正常工作,而且對(duì)居民的文化生活,甚至人身安全都會(huì)造成影響和傷害。因此,大多數(shù)的發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)都把電磁兼容干擾視為安全風(fēng)險(xiǎn)因數(shù)之一,將其納入國(guó)家環(huán)境保護(hù)和法制管理范圍。
電磁兼容(EMC,Electro Magnetic Compatibility):即電氣、電子設(shè)備或系統(tǒng)在預(yù)期的電磁環(huán)境中,按設(shè)計(jì)要求正常工作的能力[1]。它屬于電氣、電子設(shè)備或系統(tǒng)的一種重要技術(shù)性能,包含以下三方面:
1)電磁干擾(EMI,Electro Magnetic Interference):即處于一定環(huán)境中的設(shè)備或系統(tǒng),在其正常運(yùn)行時(shí),不應(yīng)產(chǎn)生超過(guò)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求的電磁能量[1]?;镜腅MI測(cè)試項(xiàng)目有:電源線傳導(dǎo)騷擾、信號(hào)/控制線傳導(dǎo)騷擾、輻射騷擾、諧波電流、電壓波動(dòng)和閃爍。電磁干擾超標(biāo)可能產(chǎn)生的危害有[2]:
a.妨礙公共通信數(shù)據(jù)傳輸,造成重要數(shù)據(jù)信息的丟失和破壞。
b.影響無(wú)線廣播、電視、電話、手機(jī)等信息設(shè)備的正常使用和播放。
c.導(dǎo)致各種電氣、電子設(shè)備的不正常工作。
d.引起醫(yī)療器械、導(dǎo)航系統(tǒng)、自動(dòng)控制器等專(zhuān)用設(shè)備的工作狀態(tài)異常、故障頻發(fā)。
此外,過(guò)強(qiáng)電磁場(chǎng)輻射騷擾還會(huì)對(duì)處于其電磁環(huán)境中的動(dòng)植物和人身安全造成不可預(yù)估的影響和傷害。
2)電磁抗擾度(EMS,Electro Magnetic Susceptibility):即處于一定環(huán)境中的設(shè)備或系統(tǒng),在其正常運(yùn)行時(shí),能承受相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)的電磁能量干擾[1]。
3)電磁環(huán)境:即設(shè)備或系統(tǒng)的工作環(huán)境[1]。
1.2監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和標(biāo)準(zhǔn)分析
目前,我國(guó)公共服務(wù)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系還不完善,其產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和方法標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量較少。2019年10月 GB/T 38124-2019《服務(wù)機(jī)器人性能測(cè)試方法》發(fā)布,標(biāo)準(zhǔn)僅僅只對(duì)服務(wù)機(jī)器人在移動(dòng)性能、定位導(dǎo)航、操作能力、續(xù)航能力、能耗、語(yǔ)音交互、人臉識(shí)別7個(gè)方面規(guī)定了性能測(cè)試方法,而未涉及到服務(wù)機(jī)器人的電磁兼容性。GB/T 37284-2019《服務(wù)機(jī)器人 電磁兼容通用標(biāo)準(zhǔn) 發(fā)射要求和限值》規(guī)定了測(cè)量服務(wù)機(jī)器人所產(chǎn)生的電磁騷擾電平的程序、騷擾限值、測(cè)量方法、運(yùn)行條件和結(jié)果的處理。GB/T 37283-2019《服務(wù)機(jī)器人 電磁兼容 通用標(biāo)準(zhǔn) 抗擾度要求和限值》規(guī)定了服務(wù)機(jī)器人電磁兼容抗擾度試驗(yàn)要求。GB/T 38260-2019 《服務(wù)機(jī)器人功能安全評(píng)估》對(duì)服務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)功能安全評(píng)估的要求及流程、危害識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了規(guī)范和明確。
福建省市場(chǎng)監(jiān)管局2021年產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督抽查任務(wù)之一:公共服務(wù)機(jī)器人電磁兼容安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè),其EMC安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目為傳導(dǎo)騷擾(電源端子)和輻射騷擾,依據(jù)GB/T 37284-2019《服務(wù)機(jī)器人 電磁兼容通用標(biāo)準(zhǔn) 發(fā)射要求和限值》進(jìn)行項(xiàng)目監(jiān)測(cè)。
2風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)過(guò)程分析
2.1采樣方法和樣品分布情況
本次風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)針對(duì)服務(wù)機(jī)器人中的公共服務(wù)機(jī)器人,采用現(xiàn)場(chǎng)抽樣方式,抽取了不同類(lèi)型、不同規(guī)格、不同型號(hào)、不同價(jià)位的產(chǎn)品,共計(jì)10批次。采樣產(chǎn)品的種類(lèi)、數(shù)量及應(yīng)用領(lǐng)域如表1、表2所示,覆蓋了服務(wù)機(jī)器人在城市公共服務(wù)應(yīng)用的多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。
2.2 測(cè)試方法與過(guò)程分析
2.2.1 測(cè)試環(huán)境
測(cè)試應(yīng)在指定的測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行,以確保測(cè)試樣品(EUT)的正確運(yùn)行,具體環(huán)境要求如下:
周?chē)h(huán)境溫度:15~35℃;
相對(duì)濕度:10%~75%;
空氣壓力:86~106kPa。
若上述環(huán)境條件不能保證服務(wù)機(jī)器人的正常工作需求,則可以按照制造商規(guī)定的工作條件進(jìn)行測(cè)試。
2.2.2 試驗(yàn)一般要求
服務(wù)機(jī)器人根據(jù)其安裝方式[3],可分為移動(dòng)式服務(wù)機(jī)器人和固定式服務(wù)機(jī)器人兩類(lèi),相應(yīng)的試驗(yàn)要求如下:
a.移動(dòng)式服務(wù)機(jī)器人:
其運(yùn)行狀態(tài)可分為充電模式、典型工作模式及回充尋找模式[3]。
在充電工作模式下的試驗(yàn)項(xiàng)目:傳導(dǎo)騷擾、輻射騷擾、諧波電流、電壓波動(dòng)與閃爍;
在典型工作模式下的試驗(yàn)項(xiàng)目:輻射騷擾;
在回充尋找模式下的試驗(yàn)項(xiàng)目:輻射騷擾、諧波電流、電壓波動(dòng)與閃爍。
b.固定式服務(wù)機(jī)器人:
在典型工作模式下進(jìn)行全部項(xiàng)目的測(cè)試。按照正常工作狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量,模擬固定式服務(wù)機(jī)器人正常工作,如有提供服務(wù)的輔助設(shè)備,應(yīng)包含在測(cè)試中;測(cè)試時(shí),充電電纜或者充電器應(yīng)參考實(shí)際使用要求考慮是否接入[3]。
2.2.3 測(cè)試過(guò)程
本次風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)所檢測(cè)的機(jī)器人均為移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人,其測(cè)試過(guò)程方法如下(以某品牌智能消殺機(jī)器人為例):
1)傳導(dǎo)騷擾試驗(yàn)(電源端子)
試驗(yàn)場(chǎng)地:3m法半電波暗室。
試驗(yàn)布置:按照GB/T 37284-2019標(biāo)準(zhǔn)要求(見(jiàn)圖1)。
智能消殺機(jī)器人狀態(tài):
試驗(yàn)過(guò)程:將機(jī)器人放置在距水平參考接地平板0.10m高度的絕緣木板上。對(duì)電源端子,使用人工電源網(wǎng)絡(luò)(AMN),把被測(cè)電路和電網(wǎng)上的背景噪聲隔離開(kāi),在相線與參考地之間、中線與參考地之間測(cè)量傳導(dǎo)騷擾;記錄6個(gè)最大的騷擾電平及其所對(duì)應(yīng)的頻率。
結(jié)果判定依據(jù):見(jiàn)表3要求。
2)輻射騷擾試驗(yàn)
試驗(yàn)場(chǎng)地:3m法半電波暗室,測(cè)量距離為3m。
試驗(yàn)布置:按照GB/T 37284-2019標(biāo)準(zhǔn)要求(見(jiàn)圖2、圖3)。
智能消殺機(jī)器人狀態(tài):
試驗(yàn)過(guò)程:將機(jī)器人放置在距水平參考接地平板0.10m高度的絕緣木板上。1GHz以下的輻射發(fā)射測(cè)量使用TRILOG寬帶天線;1GHz以上輻射發(fā)射測(cè)量使用寬帶喇叭天線。在每一個(gè)測(cè)試頻率,應(yīng)在接地平板上方1~4m的范圍內(nèi)調(diào)整天線高度,同時(shí)改變天線和機(jī)器人(EUT)之間的方位角以尋找最大的場(chǎng)強(qiáng)讀數(shù)。試驗(yàn)時(shí)天線分為水平和垂直兩個(gè)極化方向分別進(jìn)行。
結(jié)果判定依據(jù):見(jiàn)表4與表5要求。
3風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析
3.1監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)
本次風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的產(chǎn)品是服務(wù)機(jī)器人中的公共服務(wù)機(jī)器人,不論被抽樣檢驗(yàn)的該類(lèi)產(chǎn)品是否明示執(zhí)行現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn),均按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)以及《2021年福建省產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)實(shí)施方案公共服務(wù)機(jī)器人》進(jìn)行檢測(cè)和判定。產(chǎn)品所有檢驗(yàn)項(xiàng)目符合標(biāo)準(zhǔn)要求,即判定為一致,任何一項(xiàng)不符合標(biāo)準(zhǔn)要求即判該產(chǎn)品為不一致。
本次電磁兼容(EMC)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)各類(lèi)服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品共計(jì)4個(gè)領(lǐng)域10個(gè)批次,其中傳導(dǎo)騷擾項(xiàng)目有住宿、餐飲領(lǐng)域共3批次產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)不一致,符合率為30%。輻射騷擾測(cè)試結(jié)果符合率見(jiàn)表6與表7。
3.2風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源分析
3.2.1傳導(dǎo)騷擾(電源端子)
傳導(dǎo)騷擾這個(gè)試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)樣品工作時(shí),是否通過(guò)電源線產(chǎn)生過(guò)強(qiáng)的騷擾發(fā)射。圖4、圖5為本次風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)1臺(tái)智能消殺服務(wù)機(jī)器人傳導(dǎo)騷擾測(cè)試結(jié)果的曲線圖,可以看出該機(jī)器人共模傳導(dǎo)騷擾發(fā)射超標(biāo),主要原因在于電源模塊或適配器,其AC/DC電源工作時(shí)濾波不足,導(dǎo)致傳導(dǎo)騷擾干擾超標(biāo),容易通過(guò)電源線傳導(dǎo)發(fā)射到公共電網(wǎng),引起在同一電源網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下工作的其他敏感電子設(shè)備受到干擾,以致于設(shè)備受損而無(wú)法正常工作。
3.2.2輻射騷擾
輻射騷擾這個(gè)試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)樣品工作時(shí),是否會(huì)產(chǎn)生過(guò)強(qiáng)的電磁波輻射,對(duì)周?chē)拿舾须娮釉O(shè)備進(jìn)行干擾。圖6、圖7為本次風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)1臺(tái)導(dǎo)覽機(jī)器人輻射騷擾(30~1000MHz)測(cè)試結(jié)果的曲線圖,可以看出該機(jī)器人(30~1000MHz)輻射騷擾發(fā)射超標(biāo)。導(dǎo)致這一超標(biāo)結(jié)果的原因有許多。移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人,它是由主板、控制器、電源模塊、傳感器、電機(jī)等設(shè)備組合而成的一個(gè)具備復(fù)雜功能的機(jī)電一體化系統(tǒng)。例如機(jī)器人的移動(dòng)是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的,供電電壓高低,轉(zhuǎn)速快慢都會(huì)直接影響到輻射騷擾水平大小,其中DC110V和DC220V供電的直流電機(jī)產(chǎn)生的電磁干擾尤其嚴(yán)重,若沒(méi)有施加抑制措施,長(zhǎng)期使用可能會(huì)對(duì)周?chē)^為敏感的設(shè)備造成電磁干擾。各個(gè)部件在其設(shè)計(jì)制造過(guò)程中,未能保證其電磁兼容性都經(jīng)過(guò)測(cè)試符合要求,因此90%以上的電子設(shè)備在進(jìn)行輻射騷擾測(cè)試時(shí)都會(huì)出現(xiàn)輻射值超標(biāo)。由此建議服務(wù)機(jī)器人研發(fā)制造部門(mén)在組裝生產(chǎn)一臺(tái)機(jī)器人之前,從機(jī)器人系統(tǒng)各個(gè)組成部件入手,在其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)格把關(guān)各部件的電磁兼容性,只有這樣才能保證由許多部件組成的服務(wù)機(jī)器人,其整體的電磁兼容性符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
4風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)建議和措施
4.1對(duì)監(jiān)管部門(mén)的建議
根據(jù)實(shí)施本次項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題,從行政監(jiān)管的角度,建議出臺(tái)鼓勵(lì)性政策,支持國(guó)產(chǎn)品牌的產(chǎn)品質(zhì)量提升,加大力度對(duì)企業(yè)進(jìn)行政策宣講和技術(shù)扶持,使企業(yè)及其員工提高意識(shí),了解產(chǎn)品認(rèn)證的重要性,并將該類(lèi)產(chǎn)品的產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督抽查工作和風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)工作常態(tài)化,督促企業(yè)使產(chǎn)品符合安全質(zhì)量要求。
4.2對(duì)企業(yè)的建議
通過(guò)本次風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的實(shí)施和對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的分析,反映出產(chǎn)品成熟度不高且市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力較低,從我國(guó)公共服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品降低自身風(fēng)險(xiǎn)和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力角度出發(fā),建議在公共服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品設(shè)計(jì)的研發(fā)階段,可引入第三方協(xié)助,進(jìn)行功能安全的評(píng)估,構(gòu)建在設(shè)計(jì)前期發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題的能力;在產(chǎn)品出廠前,引入第三方的檢驗(yàn),以提升質(zhì)量問(wèn)題的把控能力。
4.3對(duì)消費(fèi)者的建議
消費(fèi)者在購(gòu)買(mǎi)和使用公共服務(wù)機(jī)器人時(shí),應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
1)購(gòu)買(mǎi)時(shí)最好認(rèn)準(zhǔn)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)安全要求生產(chǎn)的產(chǎn)品。
2)盡量選擇市面上口碑較好的主流品牌,避免因商家介紹誤導(dǎo),追求宣稱(chēng)的獨(dú)特使用效果,而選擇一些新奇的產(chǎn)品。
3)購(gòu)買(mǎi)時(shí)和使用前應(yīng)仔細(xì)閱讀使用說(shuō)明書(shū),要根據(jù)自己的需求選擇產(chǎn)品,并按規(guī)定方法操作。
5結(jié)語(yǔ)
服務(wù)機(jī)器人電磁兼容領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)尚在起步階段,本次風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)主要針對(duì)福建省內(nèi)生產(chǎn)銷(xiāo)售領(lǐng)域,由于服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品單體價(jià)值較高,采樣過(guò)程存在難度,因此在選擇監(jiān)測(cè)試驗(yàn)項(xiàng)目時(shí),也多選擇非破壞性的試驗(yàn),導(dǎo)致部分關(guān)鍵的電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目,如靜電放電抗擾度、射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度、浪涌、工頻磁場(chǎng)等項(xiàng)目未能被選擇。雖然本次監(jiān)測(cè)結(jié)果基本上可以反映福建省內(nèi)服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品當(dāng)前的風(fēng)險(xiǎn)情況,但是并不能代表和體現(xiàn)國(guó)內(nèi)公共服務(wù)機(jī)器人整體水平的高低。建議今后的電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)能擴(kuò)大采樣領(lǐng)域和范圍、增加采樣批次和產(chǎn)品類(lèi)型,并適當(dāng)?shù)卦黾右恍┍容^可能出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè),將產(chǎn)品的問(wèn)題更加全面、細(xì)致地反映出來(lái)。
參考文獻(xiàn)
[1]鄭軍奇.EMC電磁兼容設(shè)計(jì)與測(cè)試案例分析[M].北京:電子工業(yè)出版社,2018(7):1-2.
[2]電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施指南(修訂版)[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2010(12):75-85.
[3]服務(wù)機(jī)器人 電磁兼容 通用標(biāo)準(zhǔn) 發(fā)射要求和限值:GB/T 37284-2019[S].
收稿日期:2022-03-31
作者簡(jiǎn)介:張學(xué)斌,男,福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院/國(guó)家特種機(jī)器人產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心(福建),EMC高級(jí)工程師