安全的人与机器人的合作：从理论到应用
机器人应用在生产流程自动化中发挥着越来越重要的作用。随着效率的提高，人和机器人的合
作也变得越来越密切。静态或一维的安全保护正日益逼近其极限。行业趋势正从全封闭的机器
人单元转向人与机器人的合作（HRC），后者尽可能不采用保护装置，但仍会保证操作员的安
全。在实践中，每个应用都需要单独进行安全相关的评估。
机器人应用效率的提高，使人和机器之间能够进行更加密切的合作。同时，这也对安全提出了更高的要求。
因此每个应用都需要接受单独的安全相关的评估。
安全的人与机器人合作应用最终是多个因素共同作用的结果：规范的框架条件和以此为基础的
复杂风险分析之间的相互作用，选择具备相关安全功能的机器人，选择合适、额外的安全组件
以及最终通过系统集成商进行的验证。
在工业上，传统的实现安全的方式是用各种机械防护装置为设备和机械提供保护。要想实
现最大程度的合作，就必须通过严格的工作区域分隔来实现。要想进一步发掘人与机器人合作
的经济潜力，操作员和机器必须尽可能密切地合作。这就增加了对智能且动态的安全解决方案
的需求，这种解决方案的安全功能能更灵活地适应保护需求的变化。
正在执行的新标准
欧盟的《机械指令》将机器人归类为半成品机械。可以参阅ISO10218“工业机器人的安全”
中的两项标准：第一部分“机器人”和第二部分“机器人系统和集成”，进一步了解相关的安全要
求。这两个部分的德文版本分别是ENISO10218-1:2011和ENISO10218-2:2011，在欧盟机
械指令2006/42/EC中它们被列为C类协调标准。第二部分：“机器人系统和集成”中还有关于
协同运行的信息。
系统集成商在规划人与机器人合作的应用时，至关重要的一点就是如何选择机器人。EN
ISO10218-1还包括安全驱动功能。根据EN61800-5-2(调速电力驱动系统第5-2部分:安全要
求–功能)，这些功能包括：安全操作停止（SOS）、安全限制速度（SLS）、安全速度范围（SSR）
以及安全限制转矩（SLT）。
ENISO10218-2“机器人系统和集成”第5.2条明确规定了“控制系统中安全相关部件（电气、
液压、气动和软件）”的要求。在设计控制系统的安全相关部件时，必须符合第3类可编程逻
辑器件（ISO13849-1:2006）或带单一容错的安全完整性等级2的要求，且其平均无危险故障
时间至少为20年（IEC62061:2005）。
可以采用多种方法核实和验证安全要求，例如目视检查、实际试验和测量。系统集成商共需要
对200多个安全点进行核实和验证。
因此，从理论上说，这一标准的重要性显而易见。然而，在实践中，问题在于能否在标准
框架下安全地实施人与机器人的合作。为了确立相关的方法，国际标准委员会ISO/TC184/SC2
WG3肩负起制定技术规范ISO/TS15066：“机器人和机器人装置—合作型工业机器人”的重任。
皮尔磁公司是一家全方位的安全自动化供应商，也是该国际标准委员会的成员。它积极与机器
人制造商、集成商、英国燃气（BG）等欧盟公告机构及其它自动化公司合作，制定该技术规
范。技术规范ISO/TS15066：“机器人和机器人装置—合作型工业机器人”的现行草案强化了在
工业环境中实现安全的人与机器人合作的解决方案。
疼痛阈值的体表面积模型
技术规范（TS）的附录中定义了体表面积模型。该模型定义了相应体表面积的点，并详述
了各自的疼痛阈值。技术规范ISO/TS15066发布后，这些疼痛阈值可以用来对安全的人与机
器人合作进行验证。体表面积模型详述了身体各部分（例如头、手、臂或腿）的相应疼痛阈值，
这标志着疼痛阈值的起步阶段。在人和机器人发生任何接触时，若该应用仍保持在上述疼痛阈
值范围内，可视为符合标准。
目前这一技术规范处于由国际标准委员会起草阶段。与一个标准的任何新草案一样，很难
判断ISO/TS15066的最终版本将在何时发布。根据当前的蓝图，ISOStage60.60计划于2015
年年底发布。
非工业部门中个人护理机器人的单独标准
ISO13482(机器人和机器人装置–个人护理机器人安全要求)是非工业部门中首个针对人
员与机器人直接接触的安全标准。皮尔磁公司积极参与制定的ISO13482是国际标准工作小组
ISO/TC184/SC2WG7下的C类标准。2014年2月1日，ISO13482坐为ISO标准发布，现在
正被翻译成德文版本。
实现安全的人与机器人合作应用的步骤
实施标准化规范时，考虑到欧盟的《机械指令》将机器人单元归类为机械的事实，必须完
成合规性评定程序中每一步骤。需要指出的是，机器人本身只是一个半成品机械，只有安装相
关应用所需的夹钳或必要工具后，机器人才能被称为成品机械。集成商或用户变成了机械制造
商，应负责包括CE认证在内的安全相关检查。
要实现安全的机器人应用，最重要的一点是按照ENISO12100进行风险分析。风险分析
应该包括鉴别相关的协调标准和规则、确定机器的限值、鉴别机器使用寿命各个阶段的所有危
险、对风险的实际估计和评价，以及所推荐的降低风险的方法。机器人应用中，风险评估所面
临的风险是消除人和机器工作区域之间的界限。除了来自机器人的危险外，还必须考虑操作员
的运动。不过，就其他人的速度、反射作用或突然接近而言，这些并非总是可以计算的。
以风险分析为基础，下一步是“安全理念”和“安全设计”，其中包括选择组件。采用“风险
分析”和“安全理念”的结果来证实风险评估中所选用的安全措施并在“系统实施”中实施这些措
施。下一步是“验证”，这一步将重新对之前的步骤进行检查。这些保护措施是否已被正确实施？
是否已经结合机械控制系统正确地设计安全理念并按照安全规则予以实施？“验证”对于证明
机械安全至关重要。ENISO10218-2的检查表中包含了额外的有关机器人应用的指导。通过附
加CE认证标志，集成商最终做出确认，在用于预期目的时，机器人单元本身及其得到保证的
属性均满足欧盟《机械指令》2006/42/EC的所有法律要求。
选择机器人及安全组件
传统方式：通过严格的人机工作区域分隔来实现安全。
安全摄像系统SafetyEYE能够探测并报告进入警告区域和探测区域的物体，而且上述区域可自由界定。
人与机器人的合作需要三维摄像系统SafetyEYE等智能安全控制系统，此类系统可用于安全地监控人机合作
的区域（甚至可以没有保护装置）。
市面上有许多机器人系统，它们适用于各种不同的应用领域。它们构成了安全的机器人应
用的基础，不过要实施安全的人与机器人的合作，总是需要对应用及任何附加组件和系统进行
安全相关的评估。
采用彻底关机来处理安全相关事件只能是退而求其次的手段。不能再仅仅通过简单的逻辑
关联就激发响应，相反必须根据复杂状态或复杂的计算结果做出响应，为此安全功能必须恰当
地做出响应。
未来我们需要更加智能的安全系统，以便人与机器人合作的安全区可以被安全地设计，甚
至可以没有保护装置。例如，该类系统可能是实际的机器人控制系统的一部分，用来安全地评
估机器人的运动。这使得事先计算机器人手臂的路径成为可能。不过，在很多情况下，诸如此
类的安全运动功能并不足以实现安全目标。经常需要进行包括近场保护（例如机器人手臂上的
触觉传感器或红外传感器）在内的整合，个人防护设备（护目镜和安全服）及安全传感器技术
来监控探测区域。
借助软件，通过使用SafetyEYE配置器软件，可以在个人电脑上快速简便地设置警告区域和探测区域。您可
以定义这些区域，根据您的需要对它们合并分组或改变这些区域的安排。
根据动态安全理念，这些传感器必须能够清晰地对事件进行不同级别的评估。例如，它们
应该能够区分一个人是否进入了危险活动的潜在作用半径（警告区域）或是已经进入具有更高
的安全要求的区域（探测区域）。比方说，它必须能动态地调整这些区域并追踪机器或机器人
的运动。SafetyEYE是皮尔磁公司提供的安全的三维摄像系统，它能以三维技术安全地监控警
告区域和探测区域。就规划动态的过程循环及人与机器人安全合作的工作区域而言，传感器、
控制和执行机构技术的集成为我们开拓了一片新的天地。
综述
人与机器人之间的互动越来越需要新的技术和解决方案，以保证双方能够安全的合作。实
际中，每个机器人应用都有所不同。在实施安全理念时，唯有通过选择正确的并和智能安全组
件相结合的机器人及其安全功能，才能实现机器人安全应用。安全在机器人应用中举足轻重。
为了尽可能实现人与机器人之间的密切合作，新的标准已经被发布。就满足功能安全的标准化
规范而言，工业中对用于人与机器人合作的“强大”机器人的需求将是未来面临的挑战。
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