如何确保工业机器人安全可靠的运行也变得越来越重要

摘要：随着机器人技术的发展，根据功能的不同，机器人又被分为一般机器人和智能机器人。其中，一般机器人是指只具有一般编程能力和操作能力的机器人，目前我国生产的机器人大多数属于这一类，最初的工业机器人只能在相当封闭的空间里运动或移动，安全功能极其有限，安全性能也不高，后续随着自动化控制理论和安全器件陆续出现，安全功能才逐步完善，使得工业机器人能够适应更多的生产环境和工作任务，也使得人机协同工作成为可能，但安全事故还是时有发生，随着世界各国对人民生命与财产安全越来越重视，如何确保工业机器人安全可靠的运行也变得越来越重要。

1工业机器人风险评估

针对机械设备的危险因素，相关国际和国内标准都提出了一套系统的流程，目的在于选择并采用合适的安全措施来降低或根除风险。

1.1工业机器人危险识别

为了预防或减少机器人造成的伤害，必须先识别机器人岗位上发生的常见危险，使在进行机器人及其系统设计和风险评估时，便于危险的识别和分析ＰＳ。对于工业机器人及其系统，其危险源并不相同，常见的危险源主要包括：设施失效或故障、机械部件运动、储能或动力源、危险气体、材料或条件、有噪声引起的危险、干扰产生的危险、人为差错产生的危险（包括设计、制造、安装、试运行、测试、编程、验证、维护等）、机器人系统或辅助部件的移动、搬运或更换等。

1.2工业机器人风险评估

风险与特殊情况或技术开发过程中所考虑的危险有关，它是该危险可能伤害的严重度和伤害出现的概率及避免或限制伤害的可能性函数。

为了支持机器人风险评估过程，有很多有效的风险评估工具，使用者可根据不同的机器人采用不同的评价工具。工业机器人一般推荐采用数值评分法，用一个具体数值代表可接受的风险水平，能够为风险减少提供关键依据。

2机器人控制系统安全设计

控制系统是机器人的核心，保证控制系统正常、稳定的工作是安全功能实现的关键，然而控制系统的性能和稳定性往往是相互制约的，如果要更好地、更安全的完成机器人的控制工作，必须在两者之间有所平衡，从安全控制的角度，机器人控制系统设计应该满足下几点：

（１）采巧成熟、稳定的和规范化的软件开发平台，满足安全功能相关参数的配置和软件编程。

（２）开发型的控制系统，安全模块和安全器件可自由添加，具备可扩展性、互操作性。

（３）实时性好，能够及时处理外围的安全相关任务。高可靠性是复杂机器人控制技术的首要解决问题之一，只有解决了控制系统的可靠性才能解决工业机器人技术发展带来的不确定因素P21，现有新时达机器人控制系统软件开发平台采用的是德国3S公司的CODESYS多轴机器人控制系统，其开发巧、实时性较好，可满足机器人控制系统开发对于安全功能的可靠性要求。

3机器人不同状态下安全停止功能的实现策略

当一个外部信号触发或异常状态发生时，机器人应该以合适的方式停止下来，采用何种制动方式主要从风险分析的角度，综合考虑机器人安全、性能等方面因素来最终确定。

3.1伺服驱动供电电源断开时

根据上述安全回路的电气原理图，伺服驱动供电电源断开主要有以下几种可能：

（１）外部电源断开，例如工厂突然断电等。

（２）接触器线圈断开，主要原因可能是接触器故障，安全回路故障等。此时如果机器人伺服系统处于使能或运行状态，控制系统检测到主电源断开信号后，按照一般的处理过程，伺服应该立即关断电机抱间后再切断伺服使能输出，相当于触发了紧急制动过程，但因电机抱闽本身的延迟，根据机器人当前的位置姿态及速度等因素不可避免带来了一定程度的跌落问题。

首先我们先从伺服驱动断电时，机器人伺服系统处于使能状态开始分折，此时电机处于使能状态（速度接近于零）。

（１）此时可能危险源主要来自于机械部件运动的跌落或下坠，根源在于制动装置（电机拖间）的制动延时时间不足以响应机械部件重力下坠的影响，根据风险评估的分析过程，严重度、伤害的出现的概率、避开的可能性分别属于S1（轻度损伤）、E1（不频繁暴露）、Ａ１（可能避免），一般采用简单的安全控制和培训认知即可避免。

3.2机器人控制系统可控报警时

当机器人控制系统报普后，机器人立即制动停止，采用哪种制动停止方式要看报瞥的类型，从伺服系统的角度，主要分为可控报警和不可控报警，它们的区别如下：

（１）可控报瞥，报警时伺服系统使能输出未关断、电机是可控的、严重程度相对较低的报警，如输入缺相、位置超限、通巧故障等。

（２）不可控报普，报普时伺服系统使能输出立即关断、电机是不可控的、严重程度较高的报警，如电机过流、编码器故障、伺服过载等。

4.3机器人伺服系统不可控巧警时

此时可能危险源主要来自于机械部件的高速运动和制动后可能产生的跌落情况，根据风险评估的分析过程，严重度、伤害的出现的概率、避开的可能性分别属于S2（严重损伤）、E2（不频繁暴露）、Ａ１（可能避免），一般需采用可靠的安全控制和安全围栏避免，但伤害的出现的概率相对较低，下面进一步分析如何降低此危险。

(2）如果缺少动态制动的过程，电机不会很快停止，在负载和速度较大时将产生一定跌落，且仅紧急制动将加重电机抱阐的磨损，影响使用寿命。

（3）与可控报警相同，也需要由安全回路断开主电源。

5机器人系统安全功能试验方法

功能测试的常用方法为黑盒测试，即把系统功能看作一个不能打开的黑盒子，在完全不考虑系统内部架构和内部特性的情况下，在系统功能接口进行测试。机器人功能测试只需检査系统功能是否按照功能需求的说明正常使用，控制系统是否能适当地接收输入信号并进行正确的动作，黑盒测试更多的时候是从用户的角度出发，从输入数据与输出结果的对应关系出发进行测试的。很明显，如果控制系统本身设计有问题，用黑盒测试方法是发现不了的。

机器人系统功能测试的一般步骤：首先准备好相关文档，理解需求，并且对机器人系统要实现的功能充分准确理解，了解实际操作步骤及环境条件，然后着手制订试验的测试用例。