机器人功能安全评估

技术概述

机器人功能安全评估是针对机器人控制系统及其安全相关部件开展的系统化安全性评价活动，其核心目标是确认机器人在正常操作、可预见的误操作以及故障条件下，均不会对人员、设备或环境造成不可接受的风险。随着工业自动化和智能制造的快速发展，机器人应用场景日益复杂，人机协作、多机联动等新模式不断涌现，功能安全已经成为机器人产品进入市场、通过验收和获得用户信任的关键门槛。

机器人功能安全评估的理论基础源于风险分析与安全功能设计。评估过程通常依据ISO 12100进行风险识别与风险评估，再结合ISO 10218-1、ISO 10218-2对工业机器人及机器人系统的安全要求，参照ISO 13849-1或IEC 62061对安全相关控制系统的性能等级（PL）或安全完整性等级（SIL）进行验证。对于协作机器人，还需满足ISO/TS 15066中关于功率与力限制、速度与分离监控等协作模式的特殊要求。

功能安全评估区别于传统的电气安全或电磁兼容检测，它关注的是安全功能在系统层面能否可靠执行。例如，当机器人检测到人员进入防护区域时，安全相关的减速或停机功能必须在规定时间内、以足够的可靠性级别完成动作。评估工作贯穿产品的设计、开发、验证与运行全生命周期，是机器人安全生命周期管理中不可或缺的环节。

检测样品

机器人功能安全评估适用的样品范围广泛，涵盖各类机器人本体、控制系统及集成系统，主要包括：

• 工业机器人：六轴关节机器人、SCARA机器人、DELTA并联机器人、直角坐标机器人等；
• 协作机器人：具备力限制、安全区域设置等人机协作功能的轻型机械臂；
• 移动机器人：AGV自动导引车、AMR自主移动机器人、叉车式移动机器人；
• 服务机器人：商用清洁机器人、配送机器人、导览机器人、陪伴机器人等；
• 专用机器人：焊接机器人、喷涂机器人、码垛机器人、装配机器人、医疗辅助机器人；
• 机器人控制器与安全模块：安全PLC、安全继电器、安全输入输出模块、安全编码器等安全相关部件。

检测项目

机器人功能安全评估的检测项目围绕安全功能的正确性与可靠性展开，常见项目包括：

• 急停功能测试：验证急停装置的响应时间、停机类别及重启联锁逻辑；
• 安全限速功能测试：验证安全监控停止、安全限速等速度与位置监控功能；
• 安全区域监控测试：验证安全软区、硬区设置的正确性及越界响应能力；
• 力与压力限制测试：针对协作机器人，验证接触时作用于人体模型的允许压力与力阈值；
• 速度与分离监控测试：验证人机分离监控系统的响应时间与保护距离计算；
• 控制系统安全相关部分评估：电路结构、冗余设计、平均危险故障间隔时间（MTTFd）等参数验证；
• 性能等级与安全完整性等级验证：按照ISO 13849-1或IEC 62061验证PL、Category、SIL等级；
• 故障模式分析：通过FMEA等方法验证故障条件下的安全行为；
• 制动性能测试：验证安全制动器的停止距离与停止时间；
• 软件安全生命周期评估：验证安全软件的验证、确认与配置管理流程。

检测方法

机器人功能安全评估采用分析与试验相结合的方法，主要包括以下几个环节：

首先是风险评估与安全需求确认。依据ISO 12100对机器人的所有操作模式、任务阶段和故障场景进行危险识别，确定所需的风险降低措施，并将安全功能需求文档化，明确每个安全功能的目标性能等级或安全完整性等级。

其次是安全功能验证。通过功能试验逐项验证每个安全功能的触发条件、响应行为和恢复逻辑是否与安全需求一致，包括急停、防护装置联锁、模式切换、使能装置等典型功能，验证过程覆盖正常条件与异常条件。

再次是故障注入测试。在安全相关控制电路中人为引入短路、断路、元器件失效等故障，验证系统在单故障或多故障条件下能否进入安全状态，评估诊断覆盖率与故障反应时间。

然后是参数与等级评定。结合安全相关部件的可靠性数据、电路结构类别、诊断覆盖率等指标，计算并验证MTTFd、PFH等参数，确认实际达到的PL或SIL等级满足设计要求。

最后是文件审查与现场见证。对设计文件、风险分析报告、验证记录、使用说明书等进行审查，必要时在用户现场对集成后的机器人系统进行见证测试，确保评估结果真实完整。

检测仪器

为完成上述测试项目，评估过程需要借助多种专业检测仪器与设备：

• 力与压力测量系统：动态力传感器、生物力学力限值测量装置，用于协作机器人接触力测量；
• 高速摄像与运动分析系统：用于捕捉机器人运动轨迹、停止时间与停止距离；
• 激光跟踪仪：用于机器人位姿重复性及运动范围的精确测量；
• 安全回路分析仪：用于安全控制回路响应时间测试与故障注入试验；
• 多通道数据采集系统：记录开关量与模拟量信号的时间关系，分析功能响应时序；
• 示波器与数字万用表：用于电气信号波形分析与基础电参数测量；
• 人体模型测试装置：模拟人体各部位刚度特性的标准测量工装；
• 环境试验设备：温湿度试验箱等，用于验证安全功能在环境应力下的稳定性。

应用领域

机器人功能安全评估服务于机器人产业链的众多领域：

• 汽车制造：白车身焊接线、总装线机器人系统的安全验收与改造评估；
• 3C电子：精密装配、视觉检测环节使用的SCARA及协作机器人评估；
• 物流仓储：AGV、AMR车队在人流混行环境下的功能安全验证；
• 机械加工：机床上下料机器人的防护联锁与安全集成评估；
• 食品医药：洁净环境下机器人设备的安全综合评估；
• 公共服务：商用服务机器人在公共场所运行的安全评估；
• 科研教育：高校及科研机构自研机器人平台的安全合规咨询。

常见问题

问题一：机器人功能安全评估的检测周期是多久？

机器人功能安全评估的检测周期一般为7-15个工作日。具体周期受多个因素影响：检测项目的数量与复杂程度、送检样品的数量、评估依据标准的层级、是否需要现场见证测试以及文件审查的工作量等。如果仅针对急停等部分安全功能进行验证，周期相对较短；若涉及完整的性能等级评定、故障注入测试或多个机器人型号的批量评估，所需时间会相应延长。对于时间紧迫的项目，可以与工程师沟通加急安排，实验室会根据实际情况统筹排期，尽量压缩检测周期。

问题二：机器人功能安全评估的检测价格是多少？

机器人功能安全评估的费用没有统一固定值，主要取决于检测项目的多少、所选评估标准与方法、样品数量及型号差异、检测周期要求以及是否需要现场见证等因素。例如，仅对个别安全功能进行验证，与开展涵盖性能等级评定、故障注入和协作力限制测试的完整评估，其工作量和技术难度差别很大，费用自然不同。有检测需求时，建议提前与技术工程师沟通评估范围和技术要求，获取针对性的报价方案，从而获得准确的费用信息。

问题三：机器人功能安全评估测试需要什么资质？

开展机器人功能安全评估应选择具备相应资质与能力的检测机构。我们旗下拥有CMA和CNAS资质，检测能力范围覆盖机器人安全功能测试、控制系统性能等级验证等多个领域。同时，实验室配备了力测量系统、运动分析设备等先进仪器，技术团队由经验丰富的工程师组成，熟悉ISO 10218、ISO/TS 15066、ISO 13849等主流标准体系，能够为各类机器人产品提供规范、专业的评估服务。

问题四：机器人功能安全评估主要依据哪些标准？

机器人功能安全评估涉及的核心标准包括：ISO 12100（风险评估与风险降低）、ISO 10218-1和ISO 10218-2（工业机器人和机器人系统的安全要求）、ISO/TS 15066（协作机器人技术规范）、ISO 13849-1（安全相关控制系统性能等级）、IEC 62061（安全完整性等级）以及IEC 61508（功能安全基础标准）。针对移动机器人，还会参考ISO 3691-4等相关标准。具体采用哪些标准，需根据机器人类型、应用场景和目标市场确定。

问题五：协作机器人功能安全评估与工业机器人有何不同？

协作机器人评估在通用工业机器人要求的基础上，增加了人机协作特有的考核内容。依据ISO/TS 15066，协作机器人需验证四种协作模式：安全停止监控、手动引导、速度与分离监控、功率与力限制。其中功率与力限制测试需要使用模拟人体各部位刚度特性的测量装置，验证意外接触时施加给人体的压力和力不超过允许阈值。此外，还需评估碰撞检测功能、安全参数配置的完整性以及协作空间设计的合理性，评估深度和技术要求均高于传统隔离运行的工业机器人。

问题六：机器人功能安全评估的一般流程是怎样的？

评估流程通常包括以下步骤：第一步是需求沟通与技术资料收集，包括产品说明书、控制原理图、安全功能清单等；第二步是风险评估，确定各安全功能所需的风险降低等级；第三步是制定评估方案，明确测试项目、方法和判定准则；第四步是开展实验室测试或现场见证测试，包括功能验证与故障注入；第五步是数据分析和等级评定；第六步是汇总评估结果，对不满足要求的部分给出整改建议。整个过程中，委托方与工程师保持密切沟通，确保评估高效推进。

问题七：功能安全评估中发现不符合项怎么办？

在评估过程中发现不符合项是比较常见的情况，委托方无需过度担心。实验室会详细记录不符合项的具体表现、对应的条款要求和风险影响，并给出清晰的整改建议，例如调整安全电路结构、优化诊断措施、修改安全参数配置或补充验证测试等。委托方完成整改后，实验室针对整改部分进行复测确认，全部满足要求后即可完成评估。在设计阶段提前与工程师沟通介入风险分析，可以有效减少后期不符合项的数量，缩短整体评估周期。