随着机器人技术的快速发展，特别是人机协作机器人的广泛应用，功能安全标准也在不断更新和完善。从传统的工业机器人标准ISO 10218到专门针对协作机器人的ISO/TS 15066，功能安全已成为机器人设计和制造的核心考量。本文将为您全面解读机器人功能安全标准的最新动态及测试要求。
一、机器人功能安全概述
功能安全是指系统在发生故障时，能够通过安全机制将风险降低到可接受水平的能力。对于机器人系统，功能安全涉及控制系统的硬件、软件、传感器和执行器等各个方面，确保机器人在正常工作和故障情况下都不会对人员或设备造成伤害。
机器人功能安全的核心标准包括：
- ISO 12100： 机械安全 设计通则 风险评估与风险减小（基础标准）
- ISO 13849-1： 机械安全 控制系统安全相关部件 第1部分：设计通则（定义PL等级）
- IEC 62061： 机械安全 与安全有关的电气、电子和可编程控制系统（定义SIL等级）
- ISO 10218-1/-2： 工业机器人安全要求（机器人本体和机器人系统）
- ISO/TS 15066： 协作机器人安全要求
二、ISO 10218系列标准更新
ISO 10218是工业机器人安全的基石标准，分为两部分：
- ISO 10218-1： 机器人本体安全要求，涵盖机器人的设计、防护装置、急停、速度限制、单点故障等方面。
- ISO 10218-2： 机器人系统与集成安全要求，涵盖机器人的安装、编程、操作、维护以及与周边设备的集成安全。
目前，ISO 10218系列正在进行修订，主要更新方向包括：
- 更明确地与ISO 12100风险评估框架整合；
- 对协作机器人应用提供更详细的指导；
- 纳入更多关于机器人控制系统的功能安全要求；
- 更新与最新控制技术和通信协议的兼容性。
三、ISO/TS 15066：协作机器人安全要求
ISO/TS 15066是专门针对协作机器人应用的技术规范，于2016年发布，补充了ISO 10218在协作应用方面的不足。它定义了四种协作操作模式：
| 协作模式 | 定义 | 安全要求 |
|---|---|---|
| 安全级监控停止 | 当操作员进入协作区域时，机器人停止运动 | 安全级的位置监控，确保停止可靠 |
| 手导操作 | 操作员通过手柄直接引导机器人运动 | 安全级的速度监控，限制最大速度 |
| 速度和距离监控 | 机器人根据与操作员的距离动态调整速度和停止 | 安全级的距离和速度监控，确保安全分离距离 |
| 功率和力限制 | 通过机械设计或控制系统限制机器人的功率和力 | 满足ISO/TS 15066规定的力/压力限值 |
ISO/TS 15066还首次提出了生物力学限值，定义了人体不同部位所能承受的最大力和压力，为功率和力限制的协作机器人提供了量化依据。
四、机器人功能安全的核心测试项目
机器人功能安全测试通常包括以下方面：
1. 风险评估（依据ISO 12100）
识别机器人在所有操作模式（编程、示教、自动运行、维护）下的危险源，评估风险等级，确定所需的性能等级（PL）或安全完整性等级（SIL）。
2. 安全功能验证（依据ISO 13849-1或IEC 62061）
对机器人的各项安全功能进行测试，包括：
- 急停功能： 触发急停后，机器人是否能可靠停止，停止时间/距离是否符合要求。
- 安全防护装置： 安全门开关、安全光幕、安全地毯等触发后，机器人是否能进入安全状态。
- 双手控制： 双手控制装置的功能和可靠性测试。
- 限位/限速功能： 验证机器人是否能在设定的速度和空间范围内运行。
- 使能装置： 示教器使能开关的功能测试。
3. 协作机器人专项测试（依据ISO/TS 15066）
- 功率和力限制测试： 测量机器人末端或关节在碰撞时的力和压力，与生物力学限值比对。
- 安全分离距离验证： 在不同速度下，验证机器人与操作员的安全距离是否符合要求。
- 停止性能测试： 测量机器人的停止时间和停止距离。
4. 控制系统的可靠性评估
- 硬件架构评估： 计算PFH（每小时危险失效概率），评估DC（诊断覆盖率），确定类别（Cat. B/1/2/3/4）。
- 软件评估： 审查软件生命周期、软件架构、模块测试和集成测试记录，确保符合V模型开发要求。
- 故障注入测试： 模拟传感器故障、通信故障、电源故障等，验证安全响应的可靠性。
五、机器人功能安全认证流程
- 概念与风险评估： 确定机器人的应用场景、危险源和安全目标，设定所需的PL/SIL等级。
- 设计与开发： 依据ISO 13849-1/IEC 62061进行安全相关控制系统的设计和开发，包括硬件选型、软件编程、安全功能分配。
- 验证与测试： 对设计进行验证（FMEA、FTA等分析）和测试（功能测试、故障注入测试、环境测试）。
- 文档编制： 编制风险评估报告、安全功能定义、硬件/软件设计文档、测试报告、使用和维护手册。
- 第三方评估： 由认证机构（如TÜV、SGS等）进行功能安全评估，包括文档审查、测试见证、现场审核。
- 发证与维护： 通过评估后获得功能安全证书，并在产品变更时进行再评估。
六、机器人功能安全的未来趋势
- 人工智能与安全： 随着AI在机器人中的应用（如视觉识别、路径规划），AI功能安全成为新课题，相关标准（如ISO/IEC TR 5469）正在制定中。
- 安全通信： 工业以太网、无线通信在机器人中的应用日益广泛，安全通信协议（如PROFIsafe、CIP Safety）的功能安全认证成为必要。
- 复杂人机协作： 移动协作机器人、多机器人协同等场景对功能安全提出更高要求，动态风险评估成为研究热点。
- 系统级安全： 从单一机器人安全向机器人系统、整条产线的系统级安全扩展，强调安全相关系统的集成和互操作性。
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- 风险评估服务： 协助企业进行危险识别和风险评估，确定所需的PL/SIL等级。
- 安全功能测试： 提供急停、安全防护、限速、协作机器人力限等专项测试服务。
- 硬件可靠性计算： 根据标准要求，计算PFH、MTTFd、DC、CCF等关键参数，评估硬件架构的可靠性。
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