机器人安全标准化研究

张利强 李承轩

（1 北京机械工业自动化研究所有限公司，北京，100120；2 中控云天（北京）智能科技有限责任公司，北京，102627）

0 引言

随着人类社会由工业化、信息化向智能化发展，机器人在人类生产生活当中发挥着越来越重要的作用。随着机器人向更加高效、灵活、智能方向发展，产品应用领域也逐渐从工业向服务、军事、医疗等领域快速扩展[1]，为人类社会的发展和进步做出了重要贡献。

随着机器人技术的不断创新和应用的不断拓展，机器人与人类的互动也越来越密切，机器人安全问题也日益突出[2]，不仅关系到机器人自身的可靠性和寿命，也关系到人员的生命财产安全和社会稳定。因此，急需制定和实施机器人安全标准，保障机器人安全运行、促进机器人产业发展、提高机器人市场竞争力。

机器人安全标准化是指根据科学原理和实践经验，制定和实施的一系列关于机器人安全的规范和要求，以保证机器人在设计、制造、运输、安装、调试、使用、维护等全生命周期各个环节中不会对自身或周围人员和环境造成危害或损失[3-6]。

机器人安全的标准化一般具有以下作用：

1）标准化的技术支撑作用：标准的本质是技术规范，标准化是机器人科研、生产、使用三者之间的桥梁，标准化可使新技术和新科研成果快速得到推广应用，从而促进技术进步；

2）标准化的管理基础作用：标准是科学管理的重要方法，各种科学管理制度的形式，都以标准化为基础，通过确立共同遵循的准则，建立稳定的秩序，可促进统一、协调、高效率等管理目的；

3）标准化的引导促进作用：创新与标准相结合，所产生的“乘数效应”能更好地推动科技成果向产业转化，标准化应用于科学研究，可以避免在研究上的重复劳动；应用于产品设计，可以缩短设计周期；应用于生产，可使生产科学、有序。

因此，机器人安全问题有必要通过标准或者法规给予指导和约束。国家相关部门通过制定标准、实施标准、监督标准应用情况等，来保障机器人设计研发、生产制造和使用维护的操作规范性与风险可控性，加强对新型机器人、新技术、新场景的安全标准化研究，制定相应的安全标准或指南，为机器人的安全运行提供规范和保障。

1 机器人危险性分析

根据机器人的类型和使用场景的不同，机器人在使用过程中可能存在多种危险因素，产生不同的危害后果。如工业机器人通常具有较大的体积、重量和运动速度，在与人员共享工作空间时可能造成夹伤、撞击；服务机器人与人员接触时可能造成点击、烫伤、划伤等。

1.1 机器人安全风险

机器人使用过程中的安全风险，可能表现为多种类型的事故：

1）干涉碰撞：较重的往复运动部件撞人，形成的冲击碰撞伤害，伤害程度与运动部件的动量有关；

2）飞车失控：机器人运动速度升高时超速保护失效，转速失控，超出转速限制；

3）失速异动：油、电、机械部分出现故障，机器人失去动力及控制；

4）挤压拍击：运动部件、工具、加工件与人体接触引起的挤压，高速接触引起的拍击伤害；

5）零件故障：结构零件故障造成机器人异位、异常姿势，运动零件故障造成机器人异动；

6）电气故障：电线出现破损导致机器人金属部件带电，液压、气动泄漏造成飞溅；

7）系统失效：机器人软硬件系统故障造成各种异常行为。

1.2 机器人危险原因分析

人与机器人的互动有多个与之相关的危险因素，即：

1）人为失误操作：技术不熟练、操作方法不当、准备不充分、安排不周密等造成的人为判断错误；

2）控制指令错误：人为、系统、网络等造成的控制指令异常；

3）非法访问篡改：外部人为通过非法途径，故意进行破坏性篡改；

4）机械设备故障：设备失效或故障；

5）环境异常干扰：不良的操作环境，如作业区杂乱、通道不畅、地面积水，电磁干扰等，通风、防毒、防尘、照明、防震、防噪声以及气象条件异常；

6）能源系统波动：供电、液压系统等储能和动力源故障，静电、电磁、冲击等干扰可能造成控制系统和动力输出异常；

7）非规范化安装使用，安全防护设施不完善等。

许多机器人事故是在如编程、维护、测试、设置或调整等非常规操作条件下发生的，通常在进行此类操作时，工人会进入机器人的工作范围内，任何意外操作都可能会发生意外危险，从而导致人员受伤。

2 机器人安全性分析

针对不同类型的机器人生命周期环节、应用场景，机器人安全具有不同的特征和要求。因此，机器人安全可考虑按以下各要素进行分类。

1）安全威胁：包括人、财产、环境等；

2）生命周期：包括设计、制造、安装调试和运行维护等；

3）组成部分：包括机械、电气、控制系统、信息、使用空间和环境等；

4）机器人类型：包括工业机器人、服务机器人等。

针对不同的机器人安全分类，我们通常需要进行相应的安全评估，开展安全技术研究应用[1]，制定相应的安全防护措施规范，进行安全应对，以实现机器人安全性提升。

2.1 开展机器人安全评估

风险评估是通过对机器人在全生命周期可能存在的风险进行危害性、发生概率、频次的评价，包括风险分析、风险评定和风险减小三个过程[7-8]。通过安全评估，可以识别和评价机器人可能存在的各种危险和风险，制定相应的防护措施和应急方案，以及监控和改进机器人的安全性能，从而将机器人对人类的生命、财产、环境可能产生的损害控制在能接受的水平。机器人安全评估可以帮助机器人设计者、制造者、集成者、用户和监管者提高对机器人安全性的认识和责任感，促进机器人技术的发展和应用。

相关评估方法和要求应有标准化文件支持，当前，我国已发布有《工业机器人 安全实施规范》（GB/T 20867—2007）《娱乐机器人 安全要求及测试方法》（GB/T 41393—2022）《服务机器人功能安全评估》（GB/T 38260—2019）等机器人安全评估相关规范。

2.2 应用机器人主动安全技术

机器人安全技术包括事前主动预防和事后控制[9]。机器人主动安全技术包括：

1）主动感知与交互：包括机器人运动状态、周围环境等危险源感知技术，集成与智能化人机交互等技术；

2）柔顺与应急控制：包括机器人运动控制、应急控制技术；

3）机器人运动规划：包括工艺规划、任务规划、路径规划等；

4）安全管理：包括人、设备、安全规范等。

通过开展机器人安全技术的研究与应用，提高机器人安全可靠性。

2.3 强化落实机器人安全防护措施

针对机器人，安全性应从控制危害发生概率、降低危害程度入手[10]。基于系统安全，机器人安全事故预防需要完全贯通机器人的全生命周期，即设计制造、集成使用、维护保养和拆解报废的全过程。同时，机器人安全防护强调使用急停、专员操作、规范指导、安全监控、力速限制等基础安全支持措施。

全生命周期机器人安全防护着重考虑以下几个方面：

1）多种感知通道冗余设计：通过使用多种传感器，如摄像头、激光、雷达、超声波等，提高机器人对周围环境的感知能力和精度，以及应对故障的容错能力；

2）强化本质安全：通过对机器人的结构、材料、动力等方面进行优化（例如，使用轻质材料、圆角设计、限制速度和力矩等，可以减少机器人与人或物体发生碰撞时的冲击力），使机器人本身具有较低的危险性和伤害性；

3）整体安全：使用统一的安全标准和规范，结合安全监测和管理系统，对机器人系统各组成部分进行优化调整，保障机器人系统在各个阶段和环节都能够满足安全要求；

4）软件和服务：通过对机器人软件的开发、测试、更新等过程进行规范和监督，例如，使用代码审查、漏洞扫描、加密签名等信息安全技术，防止数据被篡改或植入恶意代码），以保障机器人软件的质量和安全性；

5）人机协作融合：对人类和机器人之间的协作模式、协作规则等方面设计和优化（例如，通过使用虚拟现实、增强现实、脑机接口等技术，增强人类对机器人的控制和感知），实现高效安全协作；

6）智能与云服务：通过机器人的智能化和云化（例如，使用机器学习、云计算等技术，使机器人具有更强的学习、计算和适应能力），提高机器人的自主性和灵活性，以应对复杂多变的环境和任务。

3 机器人安全标准规范分析

实践证明，没有绝对安全的机器人。要确保机器人的安全应用，只有通过标准或者法规给予指导。

3.1 机器人安全标准化组织

标准是机器人产业国际竞争的技术依据和有效手段，国际最早的机器人标准化组织为ISO/TC184，该技术委员会于二十世纪80 年代成立，最初为“工业自动化”下的SC2“制造环境机器人”小组委员会。自2016 年国际标准化组织ISO/TC184/SC2 升级为ISO/TC299，并冠以“机器人”称号后，日本、韩国和德国等国家的对口标委会均响应国际的变化，升级为TC。2021 年，我国也成立了全国机器人标准化技术委员会SAC/TC591。

目前，国际上与机器人相关的标准化组织及其标准化工作方向如表1 所列。

表1 机器人相关标准化组织及其标准化工作方向

3.2 国际机器人安全相关标准现状

机器人的本质属性是可重复编程的机电一体化产品，但其组装应用的组件工具，通常来自不同厂家设计、生产、使用、运维，而其应用操作维护人员更是千差万别。在国际标准化组织机器人技术委员会（ISO/TC299）中，第三工作组（WG3）专注于机器人的安全，第五工作组（WG5）涉及医用机器人安全，和WG3 中的机器人安全有相关之处。

首先，机器人安全标准需要解决：

1）危险源识别，包括危险源和危险类型识别；

2）风险评估，评估随着机器人系统部署的变化（安装、编程、操作等）而带来的风险；

3）风险消减措施，即消除或充分减小这些危险的措施。

其次，机器人安全标准需要对机器人系统集成、安装、功能测试、编程、维护和修理等提供安全指导。因此，工业机器人国际标准《机器人与机器人装置 工业机器人安全需求》（ISO 10218）应运而生。

当前，ISO 机器人相关标准由ISO/TC 299 委员会编制，安全问题一直散落于ISO 的标准中，表现为对机器人安全风险进行分级，并针对安全风险分级制定相应机器人安全标准，如表2 所列。

表2 机器人安全分级相关标准（节选）

3.3 国内机器人安全标准现状

我国的第一个工业机器人安全标准于1989 年发布，标准号为GB 11291—1989，后于1997 年9 月进行了修订。

2017 年5 月国家标准化管理委员会、国家发展改革委员会等部门联合印发的《国家机器人标准体系建设指南》中，机器人的安全标准分为电气安全、机械安全、功能安全和信息安全四大类。近年来，我国陆续出台了多项机器人安全国家标准，并持续研制新标准，部分标准如表3 所列。

表3 我国现行机器人安全标准（节选）

4 机器人安全标准应用

4.1 安全标准引领机器人产业健康发展

机器人安全标准的意义在于为同类产品提供规制或框架，使市场竞争有序、各市场主体（诸如生产商、集成商和用户）之间权责分明，并提供风险管理与评估的规范以及降低风险的措施。另外，全球性的标准兼容也有利于促进机器人产品的全球化。

目前，部分机器人领域最重要的基础安全标准被其他国家标准、行业标准、企业标准以及科技论文广泛引用。如《机器人与机器人装备 工业机器人的安全要求 第2部分：机器人系统与集成》（GB 11291.2—2013）等工业机器人领域国家强制标准，在机器人全行业进行了实施和应用。此外，2016 年，国家发布“中国机器人”认证标志，同时颁发了首批机器人产品认证证书，为机器人全行业推广应用安全规范提供重要支持。

这些标准规范的推广和应用，对支撑国家政策制定、规范行业发展、指导企业研发设计、加快机器人安全应用，具有重要的引领性作用。

4.2 安全标准提升机器人产品性能

机器人本体机械设备、电气控制、功能运行、信息系统的安全是保证机器人安全运行的重要因素，机器人安全标准的应用和实施，可以系统地指导机器人相关单位开展机器人相关工作，重视和提高机器人安全性。

（1）机械设备安全。

1）对机械设备的结构、物理特性、类人功效进行分析，识别与监控评估危险源，进行机械结构本质安全设计、安全防护及保护措施设计，并提供安全分析信息，以提高机器人本质安全的设计要求；

2）对机械设备应用现场的基础设施，采取防火、防盗、防静电、防潮措施，以及补充隔离、逃生等安全保护措施，以避免或限制伤害发生；

3）对机械设备及其配套装置，利用多种传感监控系统，实时监控其运行状态指标，及时进行故障预警和应急处置，以保障机械设备系统稳定安全运行。

（2）电气控制安全。

通过极限电压、极限电流、漏电、接地、断电和恢复等安全测试，确保电器层面的安全性。

（3）功能运行安全。

针对机器人的各项功能开展风险评估，分析机器人在各种潜在风险下的失效概率和严重程度，通过减少风险和设定风险等级，增加应急限制作业范围、应急降速、应急限制输出作用力、紧急制动、安全联锁或脱机等机器人安全功能，制定相应措施，以提高功能运行可靠性和规避风险。

（4）信息系统安全。

信息系统安全包括网络、操作系统和数据库等的安全，主要通过网络隔离、信息加密和追踪、身份验证和入侵识别处置等信息系统安全手段，提高机器人信息系统安全防护能力；通过针对各项信息系统安全的功能、性能不断进行检测评估和提升整改，以确保机器人信息系统的安全性。

4.3 安全标准提高机器人应用规范性

机器人操作安全事故常因工作人员近距离编程、调试、测试、故障排查时的操作失误引起。ISO 出版的“在操作人员与机器人协作工作时，如何确保操作人员安全的技术指南”——ISO/TS15066，开始针对机器人操作应用内容进行指导和规范。

（1）操作安全。

通过设置安全栅、围栏，完善各种安全装置、安全措施，并采用自碰撞检测算法、参数合法性检查算法等，在软件层面限制机器人运动参数、增加三段式安全开关、开展安全等级权限管理，对使用者进行安全教育，安全监督管理等，以提高操作人员的安全意识和操作规范性。

（2）应用安全。

通过过载、耐久、非正常操作、紧急停止、碰撞力和压强强化测试，制定机械安全范围，软件方面针对关联及关键数据进行加密存储，防止重要数据的非法篡改，确保机器人在正常和非正常使用状态下的安全性。

（3）灾害处置安全。

通过增加安全联锁、屏蔽装置、隔离挡板、安全通道和标识，加装灾害下的应急处置设施，指导建立有效的灾害处置规范和用户手册，以提高机器人应用安全预防和应急补救能力。

软件方面通过冗余数据库备份，提供数据动态恢复或向前恢复等功能，确保数据源的可靠性和数据的一致性，并通过操作日志数据库，实现业务过程实时追踪与历史追踪。

5 我国机器人安全需求与标准化发展

当前，我国“机器人+”战略带动机器人产业全面高速发展，新一代信息技术、新材料、生物技术等快速融合，以及智能制造工业应用和智慧生活服务应用的高速发展，催生出大量新型机器人产品、高速迭代机器人新业态，新型机器人产品又推动机器人应用不断走向深入。在这些新技术与应用领域，人机协作场景越来越多，机器人应用安全要求越来越高，机器人安全标准化工作迫切需要尽快走到前列，规范和引导机器人相关新技术、新产品和新应用的安全性主要涉及：

1）机器人安全策略：需针对不同机器人、不同应用场景，制定更合理有效的安全策略；

2）机器人安全技术转化：随着机器人软硬件、控制等技术突破，需及时将相应技术应用于机器人产品及其应用规范，如机器人视觉和触觉等；

3）机器人安全标准升级：截至2023 年3 月，我国共发布国家标准103 项，其中安全标准12 项，许多方面尚未覆盖，亟需加快机器人安全方面标准化工作。

4）提升检测认证能力：我国需要尽快提升针对机器人安全的试验验证能力，通过推动机器人产品安全检测，提高机器人产品供给质量与可靠性；这就需要开展中国机器人认证体系建设，而机器人认证体系，首先就必须出台相应的机器人产品和安全标准检测规范，培育相应的机器人检测与评定能力机构，来实施机器人安全检测认证。

6 结束语

加强机器人安全标准化工作是保障机器人安全性能和促进机器人产业发展的重要手段。随着科技创新和社会变革，新型机器人产品和应用场景不断涌现，对安全标准提出了更高的要求。我国应加快建立和完善覆盖机器人全生命周期的安全标准体系，通过加强机器人安全相关的研究和开发，制修订机器人安全相关标准和规范，提升我国在机器人安全领域的话语权和影响力。