机器人安全性研究现状及发展趋势

 　　随着机器人逐渐应用于生产生活的各个领域，安全性也成为了机器人研究的重要方向之一。根据安全性研究目标对象的不同，分别从机器人自身安全性和交互安全性两方面概述了国内外研究现状，分析了机械结构与控制算法对提高机器人安全性所起到的作用。在此基础上分析了目前研究还存在结构设计过于传统、对突发情况判断能力较弱、复杂条件下控制柔顺性不足等问题，限制了机器人的推广应用。指出了机器人安全性的研究正向着刚柔混合一体化机构、准确快速的环境判断、良好的柔顺控制的方向发展。

　　《机器人产业》是由中国电子信息产业发展研究院主办的期刊。主管单位：中华人民共和国工业和信息化部，主办单位：中国电子信息产业发展研究院，创刊时间：2015年3月25日，出版周期：双月刊，国内刊号：CN10-1324/TP 国际刊号，ISSN2096-0182， 邮发代号：82-933。

　　随着机器人技术的不断发展，机器人逐渐被应用于地面运输、航空及核环境探测、医疗服务等众多领域。与传统的、仅应用于固定环境下的工业机器人相比，现有机器人具有功能多样化、运动环境复杂、智能化程度高、人机交互性强等特点[1]。由于机器人运动灵活性高，工作空间大，且部分机器人具有高刚度、高负载、高运动速度的特点，当机器人遇到紧急突发情况时，很难像一般自动系统那样通过人工去采取应急的急停措施，这就极易引起重大安全事故，对生命财产造成严重的损害[2-6]。因此，在非结构化及动态环境中的安全性已经成为了机器人所应具备的重要性能之一，同时也是机器人在人类生产生活领域应用的首要问题和强制性约束[7]。

　　随着机器人安全性问题的日益突出，许多学者参与制定了机器人安全性标准，以对机器人安全性进行有效评估。例如，ISO 10218即为针对工业机器人所制定的安全标准，其对工业机器人在使用过程中安全判定、风险评估及降低风险的措施进行了详细地说明[8-9]。随着个人护理机器人的发展及与人交互的日益紧密，安全性标准ISO 13482对个人护理机器人安全问题产生的原因及相应的处理措施进行了分析[10]。此外，相关专家

　　制定了协作机器人安全标准ISO 15066，该标准对人机协作过程中的速度和距离监控、压强和力度限制等问题进行了详细地说明，为机器人的安全page9应用提供了参考[7,10]。除了工业机器人及护理机器人外，部分学者还对医疗机器人的安全性标准进行了研究[11]。基于上述安全性标准，研究人员还对机器人的故障及安全性评价方法进行了进一步分析。例如，机器人潜在的安全隐患可用故障树分析(FTA，Fault Tree Analysis)方法对故障模式逻辑关系作演绎分析[12-13]，通过定性或定量的方法来判断机器人是否处于安全状态。影响及危害性分析(FMEA ， Failure Mode and EffectsAnalysis)也是一种常见的方法，其通过分析元器件的故障模式、故障影响及故障原因，对机器人的安全性进行评估[14]。此外，许多学者还提出了其他的机器人安全可靠性的评估方法，以保障机器人运行的安全[15-17]。

　　根据机器人的应用环境与功能需求，其安全性可分为两类：自身安全性和交互安全性。机器人自身安全性是指其在运动过程中不会因为突发情况造成机器人本体的损坏。该类安全性研究的对象集中在机器人本身，主要研究机器人尚未与周围环境发生接触碰撞前对自身安全的保护。随着工业机器人、服务机器人的快速发展，机器人负荷过载时，关节模块的下接口会有脱离上接口不可避免地会周围环境发生交互，这不仅要求机的轴向位移，当接口模块分离到一定程度时，放器人能够保证自身安全运行，还需要保证其在与置在下接口下端的电机急停按钮会被触发，电机周围物体或人发生交互时，不会对其造成伤害，停止运转，从而实现安全保护功能。徐丰羽等[25]这就需要进一步对机器人交互安全性进行研究针对于缆绳监测机器人，提出了一种基于反电动[18-20]。交互安全性侧重于同时考虑机器人和人的势理论的安全节能回收方法，应用曲柄滑块驱动安全性，是机器人即将或已经与周围人员发生接气缸设计了气体阻尼机构。实验表明，气阻尼下触后所采取的保护性措施。降是一种机械式的下滑方式，其具有很高的可靠在安全保护方式方面，由于普通人的反应时性，可以确保机器人在发生电气故障时的安全性，间大多为 0.15 秒-0.4 秒[21]，所以当系统出现故障避免很大的速度冲击对机器人造成损坏。时，依靠人来解决安全性问题是不实际的。机器通过机械结构保证突发情况下的安全性是机人最初多通过安全保护结构(如离合器、限位机器人设计中较为常见的思路。该类方法几乎不考构等)以提高其安全性。随着机器人应用环境的虑环境因素的影响，只考虑机器人在特定条件下复杂程度不断提高，新型的控制方法被逐渐应用是否能够实现急停等运动。安全保护结构增加了于机器人安全性研究中，并通过机械机构与新型机器人的复杂程度，且该类装置大多仅能应用于控制算法的共同作用，最终保证机器人的安全性。机器人内部某一零部件的安全性，当机器人整体目前，许多学者已经针对机器人安全性这一结构遇到突然状况时，很难通过机械结构进行安问题展开了研究，并取得了一系列的成果全保护。

　　1 机器人自身安全性

　　1.1 基于机械结构的自身安全性

　　机械结构是机器人设计的基础，同时也是实现机器人安全性的重要方式，可以使得机器人在突发情况下具有限位、急停等功能。相对于电气保护而言，安全结构具有可靠性高、响应时间短的特点，从而起到安全保护的作用。

　　Choi 等[23]提出了一种具有安全关节和多自由度重力补偿装置的机械臂结构，如图 1 所示。其中，安全关节(弹簧离合器)是由弹簧、凸轮和一个关节扭矩传感器组成，当施加的扭矩低于预先设定的阈值时，弹簧离合器作为输入和输出之间的刚性连接;当施加的扭矩超过阈值时，弹簧离合器释放，关节变为自由转动关节。由于关节扭矩与机械臂姿态直接相关，因此具有恒定阈值的弹簧离合器不能够最大限度的保证使用的安全性。为解决这一问题，研究人员设计了一种重力补偿装置，以进一步保证机器人运动的安全性。

　　2 机器人交互安全性

　　2.1 基于机械结构的交互安全性

　　医疗康复机器人是典型的人-机一体化系统，机器人通过与患者肢体直接接触，带动患者实现康复训练。因此，保证人-机接触安全性是康复机器人研究的重要目标之一。由于人体肢体运动规律较为复杂，康复机器人不可避免地会与人体运动规律产生差异，这会使得康复运动过程中机器人与患者肢体产生干涉现象，从而对患者造成不必要的伤害，严重影响交互安全性[60]。许多科研人员通过结构设计减小或解除了人-机之间的干涉，实现了灵活的运动。Galinski等[61-62]设计了一种肩关节康复机器人，如图7所示。该机器人没有采用机械关节与人体关节一一对应的设计方法，而是将两个主动关节通过多个被动关节与人体相连，并以此对机械结构进行了优化分析，提高了人 -机交互的安全性和运动的灵活性。

　　[63-64]通过分析康复机器人的结构形式对安全性与舒适性的影响，从人-机相容性的角度对机器人机构进行了构型综合，通过在人-机连接位置添加被动关节以解除人-机之间的消极约束(图8)，得到了所有能够满足人-机相容性及运动安全性的机器人构型及机构中运动副的约束条件，并对运动性能进行了分析，最终实现了运动的安全性。然而，上述设计方法主要应用于康复机器人系统，但设计增加了结构的复杂程度，且对控制精度存在较大的影响。该方法仅适用于人-机持续接触过程，无法在突发情况下人-机接触时保证运动的安全性。

　　机器人除了抓取动作外，与周围环境的接触更多属于瞬间接触碰撞。机器人应在意外的与周围物体发生碰撞时，能够在第一时间对碰撞进行化解，保证机器人及人的安全性。根据机器人与人体撞击时手臂刚度与头部受伤程度的关系曲线可知[68-69]，发生碰撞的瞬间接触刚度越大，则所受到的冲击载荷越大，因此，保证交互安全性最有效的方法为降低机器人的结构刚度，使得机器人具有良好的柔顺性。例如，Wolf 等[70]设计了一种变刚度关节，具有重量轻、结构紧凑、功能强大的特点，如图 11 所示。通过调整关节凸轮的姿态，机械臂可实现良好的被动柔顺性，这使得机器人与人发生碰撞后有良好的缓冲性能，且能够大幅降低扭矩峰值，提高机器人使用的安全性。此外，Morita 等[71]、Pratt 等[72]也对变刚度关节进行了研究。

　　3 存在问题及发展趋势

　　目前国内外学者从机械结构、控制方法等方面对机器人安全性开展了相关研究，以保证机器人在突然情况下自身运动安全及周围使用人员的人身安全。然而，随着机器人在生产生活中的逐渐普及，机器人安全性的研究还存在以下几个问题：(1)机器人安全结构设计方法有待提高。目前机器人多通过刚性结构以应对自身运动安全，并通过弹簧-阻尼等系统保证人-机接触安全性。然而，该类安全机构普遍存在结构复杂、质量较大、缺乏系统的设计方法等问题，在保证了机器人安全性的同时，限制了机器人向着轻量化、小型化方向发展的趋势。(2)机器人对突发情况的判断能力有待提高。随着机器人应用领域的不断拓展，机器人已经逐渐应用于医疗卫生、军事侦察、救援救灾等领域，机器人运动环境也由原有的简单的结构化环境向着复杂多变的非结构化环境发展。这就要求机器人能够对复杂工作环境下的突发情况进行高效精准的判断，并作出快速的响应，为机器人的有效应对提供条件。虽然有学者已经对机器人环境识别进行了深入的研究，但判断精度和速度以及与安全性措施的协调配合还有待于进一步提高。(3)柔顺控制方法需要进一步深入研究。目前，柔顺控制还存在接触刚度精度不高、控制目标单一等问题，人-机交互柔顺控制机理有待于进一步研究。

　　根据国内外研究现状，机器人安全性的研究向着以下三个方面发展：

　　(1)微小型化的刚柔耦合一体化安全结构。随着材料科学、仿生学的不断发展，安全结构应逐渐向着刚柔耦合一体化结构方向发展，既能够保证机器人具有一定的刚度，又能够保证机器人具有良好的柔性，并具有小型化、轻量化的特点。最终通过研究形成系统的安全结构设计方法。

　　(2)准确、快速的环境判断及反应能力。机器人应能够实现多传感器信息有效融合，对动态环境信息进行快速、准确的判断，以保证机器人不会因为判断失误而对机器人的安全性造成威胁。并将外部信息与安全系统有机结合，实现机器人安全的运动。

　　(3)智能化的柔顺控制系统。柔顺控制方法将进一步建立准确的数学模型，实现精确的刚度及交互力控制;进一步面向复杂环境及多任务空

　　间，通过与安全结构、传感器高度融合，综合考虑机器人速度、构型、惯量、位置等多安全目标，形成完善、高效的突发情况处理机制，切实保证机器人运动安全性。

　　4 结论

　　1) 机器人的安全性可分为自身安全性和交互安全性两方面。本文从上述两点较为全面地综述了国内外研究现状，并从机械结构和控制方法两方面阐述了保证机器人运动安全性的方法。

　　2) 对目前机器人安全性研究存在的问题进行了阐述，并指出机器人安全性的研究将向着微小型化的刚柔耦合一体化的安全结构、准确快速的环境判断和反应能力以及智能化的柔顺控制系统三个方向发展。这为后续机器人安全性研究提供了参考。

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