工业机器人功能安全：从风险到韧性

关键要点

•功能安全有助于使工业机器人能够与人类更安全、可预测且可靠地协同工作。

•风险评估和多层防护措施对于降低机器人危害至关重要。

•随着机器人自主性不断增强，安全方面的要求也日益复杂。

•功能安全依赖于三大支柱：系统性能力、硬件可靠性和容错安全架构。

•在工业自动化领域，优异的安全表现正逐渐成为竞争优势。

工业机器人已不再局限于防护笼内。协作型机器人、自主移动机器人（AMR）和新兴的人形机器人，如今能够在动态变化且难以预测的环境中与人类并肩工作。这种转变正在释放更高水平的生产力、精确度和运营灵活性，但同时也提高了标准要求。

机器人必须在每次操作中、在所有条件下均能安全运行。高速机械臂可在毫秒级时间内施加足以造成伤害的力。随着机器人应用规模扩大及自主性提升，容错空间日益收窄。当前的问题已不再是工业机器人能否执行任务，而是在于工业机器人能否在所有条件下安全、一致且可预测地运行，并且管控机器人运行的系统是否经过合理设计以确保上述目标得以实现。

什么是功能安全？它如何发挥作用？

功能安全的作用是确保系统能在需要时执行安全相关功能，例如快速停止电机以防止人员受伤，或在检测到附近有人时强制机器人降低速度和输出力。在工业系统中，功能安全可减轻意外动作造成的伤害。从本质上讲，功能安全取决于安全系统的正确运行和有效的风险降低措施，例如当出现安全需求时能够正确响应的自动保护机制。功能安全作为一种主动式智能保护机制，被内置于系统的设计和运行之中。

功能安全由以下三个基本要素定义：

•可靠性：在规定的时间间隔内，在特定条件下按要求无故障执行任务的能力。

•架构约束：故障不可避免，关键在于系统容忍故障的能力。

•系统完整性： 不仅需要防范硬件故障，还必须预防设计错误。

IEC 61508、ISO 13849-1和IEC 62061等主导标准定义了功能安全的设计、验证和维护方法。针对工业机器人，ISO 10218规定了基本安全设计和风险降低技术的要求，包括已部署的安全功能需要达到的最低功能安全性能等级。此类框架基于数十年的实际事故数据和工程实践，旨在确保自动化技术的进步不会导致风险增加。

图1：功能安全生命周期（IEC 61508）

风险具有多维性且日益增长

功能安全始于风险，而在工业机器人领域，风险既复杂又不断演变。理解此类风险需要采用结构化的方法。风险评估提供了框架，不仅系统评估机器人的设计功能，还评估存在的危险、暴露人群及故障可能导致的伤害方式。

风险降低遵循三步层级法：本质安全设计从源头消除危险；安全防护措施减轻残余风险；使用说明确保操作人员和集成人员了解尚存的局限性。ISO 12100作为工业机械风险评估与风险降低的核心标准，对此方法作出了明确定义。

每项安全功能均需根据以下三个核心参数进行评估：

•潜在伤害的严重程度

•暴露的频率和持续时间

•避免或限制伤害的能力

此框架定义了所需的性能等级，也就是每项安全功能必须达到或超越的可量化基准。

当前的挑战在于规模和复杂性。现代机器人应用可能包含数十种相互依赖的安全功能，涵盖从保护性停止到实时速度与分离监控等各类功能。每项功能都必须单独设计和验证，且功能间的交互须严格控制，以确保整个系统的安全行为。

应对故障

功能安全标准区分了两种故障类型及其处理方法：

•随机硬件故障：随时间推移以有限概率发生的不可预测的元件故障。通过诊断覆盖率要求和冗余设计来缓解此类故障。

•系统性故障：由设计或流程引起的缺陷（例如EMC鲁棒性差、需求不明确、验证与确认不充分、软件缺陷）。通过严格的开发流程、独立评审和多样化冗余设计来解决此类问题，以避免共模故障。

挑战的范围正在迅速扩大。最新的ISO 10218修订版涵盖了工业机器人的设计、运行和安全防护要求，定义了30项独立的安全功能，而2011年版仅有12项。三倍数量增长反映出随着机器人能力增强及其与人类环境的深度融合，风险特征也随之扩展。对于互联工厂，功能安全还必须应对网络安全威胁。

三大基石，统一集成框架

应对上述的复杂性仅靠合规清单远远不够。功能安全建立在三个相互依存的支柱之上：系统性能力、可靠性和架构。三者共同定义了如何将风险降至可容忍水平、如何实现、验证并长期维持风险降低效果。

系统性能力是指开发过程的严谨程度。功能安全依赖于规范的工程工作流程，以减少因设计缺陷、规格不完整或实施疏漏而引发的系统性故障。基于标准的流程、结构化文档及严格的验证与确认，均有助于提升系统性能力。完善的流程可降低安全关键功能中出现未检出错误的概率。

The primary causes of dangerous failures of the control system by the safety lifecycle phase

可靠性针对的是硬件层面。它是指产品在既定条件下、在一定时间内无故障实现预期功能的概率。在功能安全中，可靠性通过平均无危险故障时间（MTTFD）和每小时危险故障平均频率（PFH）等指标进行量化。这些工程目标基于元件数据得出，并通过系统性分析加以验证。

Reliability is the probability of a product performing its intended function under stated conditions without failure over a defined period.

架构设计正视了一个客观事实：不存在绝对无故障的元件。安全架构利用硬件容错机制，防止单一故障导致安全功能失效。冗余、诊断和故障检测协同工作，确保在元件退化或失效时仍能维持保护功能，从而在系统整个运行寿命期内保持系统完整性。

Architectural Constraints (Type B)

功能安全构成差异化优势

ADI将功能安全视为一种产品能力，同时也是一门符合全球标准的工程学科。ADI内部的功能安全专家支持客户开发符合相关认证要求的系统，产品组合涵盖安全半导体、精密传感、电源与电池管理、隔离、运动控制技术等。ADI提供基础的构建模块，辅以可靠性数据、安全文档和基于标准的设计实践。此举使汽车、工业和机器人制造商能够实施符合SIL和ASIL标准的系统，并在日益以机器人和人为中心的工业环境中实现安全运营。

展望未来：安全成为战略要素

功能安全并非创新的制约因素，而是实现工业机器人规模化应用的前提。随着机器人更深入地进入以人为中心的环境，唯有采用严格安全框架的企业和组织，才能自信地进行大规模部署，并赢得操作人员、监管机构及工作人员的持续信任。

当前，面向下一代系统的相关标准正在持续迭代，涵盖人形机器人和具备主动稳定性控制的移动平台。由此释放出明确信号：功能安全正与机器人技术创新同步前进。企业若将功能安全视为核心工程学科，而非事后的补救手段，就更有能力以负责任、有效且规模化的方式部署智能自动化方案。