协作机器人安全评估

技术概述

协作机器人（Collaborative Robot，简称Cobot）是一种设计用于在共享工作空间中与人类进行直接交互的机器人系统。与传统的工业机器人需要在安全围栏内独立运行不同，协作机器人的核心设计理念是"人机协作"，即机器人与人类工作者可以在同一空间内安全地协同完成任务。这种创新的工作模式极大提高了生产效率，同时也对机器人的安全性提出了更为严格的要求。

协作机器人安全评估是指依据国际和国内相关标准，对协作机器人在设计、制造、运行等各个环节的安全性能进行系统性检测和评价的过程。该评估旨在确保协作机器人在与人类协作过程中，能够有效控制各类风险，防止对人体造成伤害。随着工业4.0和智能制造的深入推进，协作机器人在电子制造、汽车零部件、食品加工、医疗康复等领域的应用日益广泛，其安全评估的重要性也愈发凸显。

从技术原理角度来看，协作机器人的安全设计主要依赖于四大核心技术的支撑：首先是安全受限运动控制技术，通过限制机器人的运动速度、力和功率来降低碰撞风险；其次是碰撞检测与响应技术，机器人能够实时感知与人体或其他障碍物的接触，并迅速做出安全响应；第三是人机接口安全技术，包括安全触觉传感器、安全视觉系统等，用于监测人员位置和动作；第四是安全控制系统架构，采用冗余设计、故障安全原则等来保障系统可靠性。

国际标准化组织（ISO）发布的ISO 10218系列标准和ISO/TS 15066技术规范是协作机器人安全评估的核心依据。ISO 10218-1和ISO 10218-2分别规定了工业机器人的安全要求和机器人系统及集成的要求，而ISO/TS 15066则专门针对协作机器人的安全要求进行了详细阐述。在国内，GB/T 36075、GB/T 37244等标准也为协作机器人的安全评估提供了重要参考。

协作机器人安全评估具有多层次、多维度的特点。评估内容涵盖机械安全、电气安全、控制系统安全、功能安全等多个方面，评估方法包括设计审查、型式试验、例行检验、现场验证等多种形式。通过全面、系统的安全评估，可以有效识别协作机器人在全生命周期中可能存在的风险，为风险降低措施的制定提供科学依据，最终实现"本质安全"的设计目标。

检测样品

协作机器人安全评估的检测样品范围涵盖协作机器人的各类核心组件和完整系统。根据产品形态和技术特点，检测样品主要可以分为以下几个类别：

协作机器人整机系统是安全评估中最主要的检测对象。整机系统包括机械臂本体、控制器、示教器、末端执行器以及相关的安全防护装置等完整配置。对于整机系统的检测，需要考虑机器人在各种工况下的安全性能，包括正常运行状态、异常工况处理、紧急停止响应等多个维度。检测样品应具备完整的设计文件、使用说明书、维护手册等技术资料。

协作机器人关节模块作为机器人的核心运动单元，是安全检测的重要样品类型。关节模块通常集成有驱动电机、减速器、传感器、制动器等多个部件，其安全性能直接影响整机系统的可靠性。关节模块的检测样品需要涵盖不同规格型号，以满足多样化应用需求。

安全控制系统组件也是重要的检测样品类别。安全控制系统包括安全控制器、安全输入输出模块、安全编码器、安全力传感器等关键部件。这些组件是实现协作机器人安全功能的核心载体，其检测需要依据功能安全相关标准进行。

末端执行器及工具作为协作机器人直接与工件或人员接触的部分，其安全性能同样需要评估。检测样品包括各类夹爪、吸盘、软体抓手以及专用工具等。末端执行器的检测需要考虑其与机械臂本体的集成匹配性，以及在各种接触场景下的安全表现。

• 协作机器人整机系统（含机械臂、控制器、示教器）
• 关节模块及驱动单元
• 安全控制器及安全I/O模块
• 安全传感器（力传感器、接近传感器、视觉传感器等）
• 末端执行器及工具
• 安全防护装置及附件

检测样品的准备需要满足一定的技术要求。首先，样品应处于正常工作状态，能够完整展现其设计功能；其次，样品的技术文件应齐全，包括设计图纸、电路原理图、软件版本信息、风险评估报告等；此外，样品的数量应满足检测项目的需求，对于破坏性测试项目，可能需要准备备用样品。

检测项目

协作机器人安全评估的检测项目体系完整、内容丰富，涵盖了机械安全、电气安全、控制系统安全、功能安全以及特定应用安全等多个领域。以下对主要检测项目进行详细说明：

机械安全检测项目主要评估协作机器人机械结构的安全性能。碰撞力测量是协作机器人安全评估的核心项目，需要测量机器人在各种接触场景下对人体可能产生的冲击力，包括瞬态接触力和准静态接触力。运动参数测量包括关节运动速度、加速度、运动范围等，用于验证机器人是否在安全限值内运行。挤压和剪切点检测用于识别可能导致人体夹伤的危险区域。表面温度测量评估机器人在长时间运行后的表面温度是否对人体构成烫伤风险。

电气安全检测项目依据电气安全相关标准对协作机器人进行评估。绝缘电阻测量检验机器人电气系统对地的绝缘性能。介电强度测试验证电气绝缘在高压条件下的可靠性。接地连续性测试确保保护接地回路的完整性。漏电流测量评估机器人在正常和异常条件下的泄漏电流水平。电源接口安全检查包括电源连接器、电源线缆的安全性评估。

控制系统安全检测项目聚焦于机器人控制系统的安全性能。安全功能验证包括安全停止功能、安全速度限制功能、安全力限制功能等的有效性测试。响应时间测量评估安全功能从触发到执行的响应速度。控制可靠性测试验证控制系统在各种工况下的稳定性和可靠性。软件安全评估对嵌入式软件的安全性进行分析和验证。

功能安全检测项目依据GB/T 20438/IEC 61508系列标准进行。安全完整性等级（SIL）评估确定安全相关系统的安全完整性要求。硬件可靠性分析对安全相关硬件的可靠性进行计算和验证。软件安全生命周期评估覆盖软件需求、设计、编码、测试等各阶段的安全管理。

特定应用安全检测项目针对协作机器人的具体应用场景进行定制化评估。人机协作区域安全评估对共享工作区的安全措施进行验证。工具和工件安全评估考虑末端工具对安全的影响。环境适应性检测评估机器人在不同工作环境下的安全性能。

• 碰撞力测量（瞬态接触力、准静态接触力）
• 运动参数测量（速度、加速度、运动范围）
• 力矩限制功能验证
• 功率限制功能验证
• 碰撞检测与响应功能测试
• 安全停止功能验证
• 绝缘电阻测量
• 介电强度测试
• 接地连续性测试
• 漏电流测量
• 安全完整性等级（SIL）评估
• 响应时间测量
• 表面温度测量
• 噪声测量
• 电磁兼容性测试

检测方法

协作机器人安全评估采用多种科学、规范的检测方法，确保评估结果的准确性和可重复性。检测方法的选取需要综合考虑评估目标、样品特性、标准要求等因素。

碰撞力测量方法是协作机器人安全评估的核心技术。根据ISO/TS 15066的规定，碰撞力测量分为瞬态接触测量和准静态接触测量两种模式。瞬态接触测量采用碰撞测试装置，模拟机器人与人体各部位的瞬时碰撞场景，测量峰值接触力和力作用时间。准静态接触测量使用专用夹具模拟人体被机器人挤压的场景，测量持续接触力的大小。测量结果需要与标准规定的生物力学限值进行比对，以判定是否满足安全要求。

运动参数测量方法采用运动捕捉系统或编码器检测技术。通过在机器人关节或末端安装高精度位置传感器，实时记录机器人的运动轨迹、速度和加速度。测量过程中需要机器人在各种工况下运行，包括空载、负载、示教模式、自动模式等。测量数据经分析处理后，用于验证运动参数是否在设计限值范围内。

电气安全测试方法依据GB/T 5226.1/IEC 60204-1等标准执行。绝缘电阻测试使用绝缘电阻测试仪，在规定测试电压下测量电气系统对地的绝缘电阻值。介电强度测试使用耐压测试仪，在规定试验电压下对电气绝缘施加一定时间的电压，检验其耐受能力。接地连续性测试使用接地电阻测试仪，测量保护接地电路的电阻值。漏电流测试使用漏电流测试仪，测量机器人在正常和异常状态下的对地漏电流。

功能安全评估方法采用GB/T 20438/IEC 61508系列标准规定的分析方法。首先通过风险评估确定安全功能的安全完整性等级要求，然后采用故障树分析（FTA）、故障模式与影响分析（FMEA）等方法对安全相关系统进行可靠性分析，最后通过功能测试验证安全功能的实现效果。评估过程需要考虑硬件随机失效、系统性失效等多种失效模式。

环境适应性测试方法模拟协作机器人在实际使用环境中可能遇到的各种条件。温湿度试验将机器人置于气候试验箱中，在高低温、高湿等环境下运行并检测其安全性能。振动试验模拟运输和运行过程中的振动条件，检验结构的稳定性。电磁兼容性测试评估机器人在电磁干扰环境下的工作稳定性，以及自身产生的电磁干扰是否在限值范围内。

现场安全验证方法针对已安装运行的协作机器人系统进行评估。检查内容包括安全防护措施的完整性、安全标识的规范性、操作规程的合理性等。通过现场观察、操作测试、文件审查等方式，全面评估协作机器人在实际应用中的安全状态。对于发现的安全隐患，需要提出整改建议并跟踪验证。

检测仪器

协作机器人安全评估需要借助多种专业检测仪器和设备，以实现精确、可靠的测量和验证。以下对主要检测仪器进行详细介绍：

碰撞力测试系统是协作机器人安全评估的核心设备。该系统通常由碰撞测试仪、力传感器、数据采集单元和专用软件组成。力传感器采用高精度应变式或压电式传感器，测量范围覆盖0-1000N，响应频率可达数kHz。数据采集单元具有高速采样能力，能够准确捕捉碰撞瞬间的力信号变化。专用软件支持数据处理、峰值检测、力-时间积分计算等功能，可自动与生物力学限值进行比对分析。

运动分析系统用于测量协作机器人的运动参数。系统采用光学运动捕捉技术或惯性测量单元（IMU）技术，通过在机器人关键位置安装标记点或传感器，实时追踪三维空间中的运动轨迹。系统测量精度可达亚毫米级，能够同步记录位置、速度、加速度等多个参数。配合专用分析软件，可生成运动轨迹图、速度曲线、加速度曲线等可视化结果。

电气安全综合测试仪集成了多种电气安全测试功能。该仪器可执行绝缘电阻测试、介电强度测试、接地连续性测试、漏电流测试等。测试参数可编程设置，支持自动测试序列，能够按照标准要求自动完成各项电气安全测试。测试结果自动判定和记录，便于生成测试报告。

安全控制器测试平台用于评估协作机器人安全控制系统的功能安全性能。平台配备安全输入输出模块、安全编码器接口、安全通信接口等，能够模拟各种安全场景，验证安全控制器的响应特性。平台支持安全完整性等级（SIL）验证测试，可测量安全功能的响应时间、诊断覆盖率等关键参数。

环境试验设备包括气候试验箱、振动试验台、电磁兼容测试设备等。气候试验箱可模拟-40℃至+85℃的温度范围和95%RH以上的湿度环境。振动试验台能够执行正弦振动、随机振动、冲击等试验。电磁兼容测试设备包括电磁干扰接收机、功率放大器、天线、耦合装置等，用于执行辐射抗扰度、传导抗扰度、静电放电抗扰度等测试。

噪声测量系统用于评估协作机器人运行噪声水平。系统由声级计、声学分析软件、校准器等组成，测量范围覆盖20-140dB(A)。系统支持等效连续声级测量、频谱分析等功能，能够准确评估机器人噪声是否符合职业健康安全要求。

• 碰撞力测试仪（含力传感器、数据采集单元）
• 光学运动捕捉系统
• 惯性测量单元（IMU）系统
• 电气安全综合测试仪
• 绝缘电阻测试仪
• 耐压测试仪
• 接地电阻测试仪
• 漏电流测试仪
• 安全控制器测试平台
• 高精度测力台
• 气候试验箱
• 振动试验台
• 电磁兼容测试系统
• 声级计及噪声分析系统
• 红外热像仪

应用领域

协作机器人凭借其安全、灵活、易用等特点，已在多个行业领域得到广泛应用。安全评估工作需要针对不同应用领域的特殊需求进行定制化考量。

电子制造行业是协作机器人应用最为广泛的领域之一。在电子产品组装、零部件检测、包装码垛等工序中，协作机器人展现出优异的灵活性和精度优势。电子制造环境通常对洁净度有较高要求，协作机器人的安全评估需要考虑洁净室应用的特殊性。同时，电子产品的多样性要求机器人能够快速切换工作任务，安全评估需要验证频繁任务切换场景下的安全性能。

汽车零部件行业是协作机器人的重要应用领域。在零部件装配、上下料、检测等环节，协作机器人能够与工人协同完成复杂任务。汽车零部件生产环境通常存在多种危险源，如冲压设备、焊接设备等，协作机器人的安全评估需要考虑与周边设备的集成安全。对于含有锋利边缘或高温表面的零部件，需要特别关注末端执行器的安全设计。

食品加工行业对协作机器人的安全要求具有特殊性。食品卫生安全是首要考量，协作机器人的结构设计需要便于清洁消毒，表面材料需要符合食品级要求。安全评估需要验证机器人在潮湿、低温等特殊环境下的安全性能，以及清洁剂对电气安全的影响。

医疗康复领域是协作机器人应用的前沿领域。在手术辅助、康复训练、药物调配等场景中，协作机器人直接与患者接触，安全评估的标准更为严格。医疗用协作机器人的安全评估需要依据医疗器械相关标准，考虑生物相容性、感染控制、失效保护等特殊要求。

物流仓储行业中协作机器人应用于拣选、分拣、包装等环节。物流环境人流密集、物料复杂，协作机器人的安全评估需要充分考虑动态变化的工作场景。对于移动式协作机器人，还需要评估其自主导航、避障功能的安全性能。

科研教育领域是协作机器人的重要应用方向。在高校实验室、职业培训机构中，协作机器人用于教学演示和实践训练。教育环境中的使用者可能缺乏专业机器人知识，安全评估需要特别关注人机接口的友好性和误操作防护。

• 电子制造行业（组装、检测、包装）
• 汽车零部件行业（装配、上下料）
• 食品加工行业（分拣、包装）
• 医疗康复领域（手术辅助、康复训练）
• 物流仓储行业（拣选、分拣）
• 科研教育领域（教学、培训）
• 金属加工行业（机床上料、检测）
• 注塑行业（取件、后处理）

常见问题

问：协作机器人安全评估的主要标准有哪些？

答：协作机器人安全评估主要依据以下国际和国内标准：ISO 10218-1:2011《机器人-机器人安全要求-第1部分：机器人》、ISO 10218-2:2011《机器人-机器人安全要求-第2部分：机器人系统和集成》、ISO/TS 15066:2016《机器人-协作机器人》、GB/T 36075-2018《机器人安全设计导则》、GB/T 5226.1-2019《机械电气安全 机械电气设备 第1部分：通用技术条件》、GB/T 20438系列《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》等。评估时需要根据产品特性和应用场景选择适用的标准。

问：协作机器人的碰撞力限值是如何规定的？

答：根据ISO/TS 15066的规定，协作机器人对人体各部位的碰撞力限值基于生物力学研究确定。标准给出了人体15个身体区域的疼痛阈值数据，包括前额、面部、胸部、腹部、手臂、手、大腿、小腿等。例如，手背区域的瞬态接触力限值为280N，前臂区域为220N，上臂区域为150N。准静态接触力限值同样根据身体区域给出相应数值。在安全评估中，测量得到的碰撞力需要与对应身体区域的限值进行比对，以判定是否满足安全要求。

问：协作机器人安全评估需要多长时间？

答：协作机器人安全评估的周期受多种因素影响，包括评估范围、检测项目数量、样品状态、技术资料完整性等。一般而言，完整的型式试验评估周期约为数周。如果产品设计成熟、技术资料齐全、样品准备充分，评估周期可以相应缩短。对于复杂的协作机器人系统，评估周期可能需要更长时间。建议在产品设计阶段即开始规划安全评估工作，合理安排时间节点。

问：协作机器人安全评估是否需要进行现场验证？

答：协作机器人安全评估包括型式试验和现场验证两个环节。型式试验在实验室条件下对样品进行系统检测，验证产品设计是否符合安全标准要求。现场验证则在实际安装使用环境中进行，评估系统集成后的安全状态，包括安全防护措施、操作规程、人员培训等方面。根据ISO 10218-2的要求，协作机器人在投入使用前需要完成现场安全验证。建议由专业人员执行现场验证，并形成书面验证报告。

问：协作机器人安全评估中的功能安全评估如何进行？

答：协作机器人的功能安全评估依据GB/T 20438/IEC 61508系列标准进行。评估过程包括：首先通过危险分析和风险评估确定需要实现的安全功能及其安全完整性等级（SIL）要求；然后对安全相关系统进行技术分析，采用可靠性计算方法评估其是否达到要求的SIL等级；最后通过功能测试验证安全功能的实际表现。对于SIL2及以上等级的安全功能，需要特别关注系统性失效的控制措施。功能安全评估需要专业人员执行，并形成完整的评估报告。

问：协作机器人使用过程中如何保持安全评估的有效性？

答：协作机器人的安全评估具有时效性，为确保持续安全，建议采取以下措施：一是建立定期检查制度，按照制造商建议和维护手册要求执行定期维护；二是当机器人系统发生变更时，如更换末端执行器、调整工作参数、修改工作区域等，需要重新评估变更部分的安全影响；三是建立安全事件报告和分析机制，及时处理发现的异常情况；四是定期组织安全培训，确保操作人员具备必要的安全意识和技能；五是关注安全标准和技术的更新发展，适时进行再评估或技术升级。

问：协作机器人安全评估对技术资料有哪些要求？

答：协作机器人安全评估需要提交完整的技术资料，主要包括：产品设计说明书（含设计参数、工作原理、安全措施描述）、总装图和零部件图、电气原理图和接线图、控制系统软件说明、风险评估报告、使用维护手册、已获得的安全认证证书（如有）等。技术资料应真实、准确地反映产品设计状态，便于评估人员理解安全设计思路和验证安全措施的有效性。对于软件安全评估，还需要提供软件架构设计文档、软件需求规格、测试报告等资料。