工业机器人风险评估研究及应用

李森 于龙飞

上海振华重工电气有限公司 上海 201208

1 机器人安全功能的定义

机器人安全功能一般是由输入信号触发并通过控制系统有关安全部件处理的，能使机器人及其系统达到安全状态的功能。安全功能一般依赖于系统或设备对输入的正确操作，当系统满足以下条件时就可以认为功能是安全的，即当任一随机故障、系统故障或组件故障都不会导致系统的安全故障，从而引起人员的伤害或死亡、环境的破坏、设备财产的损失，也就是说系统的安全功能无论在正常情况或者有故障存在的情况下都可以保证正确实施。另外，功能安全是设备安全的一部分，其主要是从电气、电子、可编程电子相关的控制系统考虑，着重避免由于受控设备及其相关系统在故障或者失效的情况下导致的风险，而对于非电控的风险，如锋利毛边、高温表面、噪声、辐射等导致的危险，本课题并没有做涉及，需参见其他相关标准或文档中的要求。另外，依靠被动的方式获得的安全不是功能安全，例如安全围栏对机器人的隔离本质上采取的就是被动方式，虽然也可以对危险起到保护作用，但不是功能安全[1]。

2 工业机器人的风险分析

（1）各种限制的确定。进行风险分析，首先应确定工业机器人的各种限制，包括使用限制、空间限制、时间限制、其他限制。使用限制包括预定使用和合理预见的误用，包括工业机器人在不同运行模式下的运行、不同水平操作者对设备的操作等。空间限制主要考虑工业机器人的运行范围，人机交互的方式及空间要求。时间限制主要考虑在工业机器人使用中，某些组件或零部件的寿命限制。其他限制是除上述限制之外可能对安全产生较大影响的因素，如工业机器人使用环境等[2]。

（2）危险识别。在确定工业机器人的各种限制之后，需要对其生命周期所有阶段可合理预见的危险事件进行识别。工业机器人全生命周期主要包含运输阶段、示教阶段、操作阶段、维护保养阶段、故障排除阶段、报废阶段。为了预防或减少工业机器人造成的伤害，必须先识别机器人岗位上发生的常见危险，使在进行机器人系统设计和风险评估时，便于危险的分析。危险识别时应考虑如下因素：①工业机器人生命周期内人与机器的相互作用。需要考虑机器人生命周期内所有阶段的所有相关任务，主要任务类型包括但不限于设定、测试、示教、启动、所有运行模式、急停。②工业机器人可能的状态，包括正常运行和非正常运行状态。正常运行状态是机器执行预定功能。非正常运行状态指的是由于各种原因，机器不能执行预定功能，这些原因包括机器人的一个或多个辅助装置失效、外部干扰等[3]。③非预期的操作者条件反射行为或对机器合理预见的误用。

（3）风险估计。危险识别后，需要对每种危险进行风险估计。风险估计需要考虑伤害的严重程度和伤害发生的概率两大风险要素。伤害的严重程度需要综合其损害人体健康严重程度和伤害的范围进行估计。伤害发生的概率需要从人员暴露于危险的频率、危险事件的发生概率、避免或限制伤害的可能性这三个维度进行考量。

3 工业机器人风险对策及控制措施

（1）器人风险对策。因机器人应用和功能的不同，危险的类型和严重程度也有所区别，采取的安全保护措施也不会全部相同，在具体“风险评价”中，评价的关键在于明确界限，明确那些是机器人本身产生的危险，采取合适的安全对策，达到消除危险的目的。首先应通过设计或替代使得安全控制系统的性能是可靠的，然后再用安全防护和其他补救措施，尽可能消除或减少风险。任何遗留的风险应采用其他措施来减少，然后重新进行风险评估，最终确定系统的安全等级是否满足要求，风险评价要关注过程的严谨性，无论结果是否精确，最终的目标是提高机器人的安全性能。估算安全相关系统PL时，采用的参数为每小时的危险失效概率。当发生的错误阻碍了系统的保护功能时却又未检测出时，则认为是危险失效。一般来说，危险因素减少的越多，每小时危险失效概率越低。每小时危险失效概率仅仅是评估PL需要的参数之一，要达到特定的PL等级，还必须证明符合了所有的要求标准[4]。

（2）机器人风险控制措施。在风险控制之前，最重要的是识别工业机器人发生概率较大的风险，然后针对不同风险采用不同的控制措施。对应工业机器人的主要危险，风险控制措施的优先选用原则从高到低依次是：完全消除危险源或风险、降低或减少风险、个人防护或培训认知。比如“机器人手臂或外部附件的运动”风险评价后属于“极其危险，不能继续作业”，对应的风险控制措施可能是通过安全围栏进行隔离的“个人防护”，而对于“控制柜的电气干扰”风险控制措施则是“降低的减少风险”。

4 结语

随着工业机器人的普及，其安全性受到越来越多的关注。为预防或减少机器人造成的伤害，必须在其设计阶段对其进行全面的风险评估。风险评估是包括风险分析和风险评价在内的全过程。从工业机器人的全生命周期出发，对工业机器人的风险评估进行深入研究。详细分析风险评估的过程及注意事项，并结合某工业机器人的案例，对风险评估的应用进行详解，可为设计人员提供参考。