工业移动机器人安全标准走在前列

移动机器人正在进入通常为人类和载人车辆保留的新领域。从仓库和配送中心，到工厂车间，再到现在的实验室和办公空间，我们可以更频繁地看到这些自由活动的机器人。这些可不仅仅是移动驮骡。这些机器人具有机载智能和实时适应能力，可以拓宽他们的方法。市场上有更多的选择、组合和应用程序。

过多的变化给安全标准的制定者们带来了新的挑战。许多这样的移动平台在世界各地都在实践或试点项目中。在一个案例中，一个自我引导的移动平台与一个双臂机器人相结合，自动完成将零件浸入黑色氧化物中进行防腐的单调任务。自适应夹持器的设计是为了处理的部分，因为他们降低到黑色氧化物。

这个机器人周围没有安全围栏。这是因为该公司使用安全级别的激光雷达传感器来检测和导航其路径上的障碍物:一个位于平台的前面，一个位于平台的后面。它有四个紧急停止(E-stop)按钮，用于手动紧急停止。这种移动机械手使该行业更接近全天候运行的熄灯制造目标。

自动的，自我引导的车辆

消费品巨头宝洁公司正在让移动机器人在各个领域和应用中工作。

宝洁(Procter & Gamble)机器人网络创新负责人马克•莱万多夫斯基(Mark Lewandowski)表示:“我们有许多不同类型的移动平台在使用。”“从大型移动平台，到高升力移动平台，再到小型移动平台，可以在人多的办公室或实验室环境中使用。在制造、仓储和分销之间，我们有许多不同规模、形状和平台的不同需求。”

莱万多夫斯基指出，这些都是自动驾驶汽车。这意味着它们根据预先学习的环境地图自主导航，确定从A点到B点的最佳路线。通过传感器和软件，它们可以实时智能地绕过意想不到的障碍。

这与传统的自动引导车辆(AGV)形成了鲜明对比，AGV通常需要现有的基础设施或设施进行改造，例如在地板上嵌入磁条或导航信标，以引导其在路径上行驶。

不是你祖父的AGV

宝洁公司正在使用或测试三种主要的工业移动机器人:具有高有效载荷能力的大型移动平台、较小的自导车辆和移动机械手(移动机器人与机械臂结合)。

莱万多夫斯基说:“目前最大、最活跃的(移动机器人应用)是自主移动平台领域。”“这些是大型平台，可以移动托盘或大型单元负载。移动平台在我们的仓库和配送中心，那里没有很多人和车辆的互动。”

他说，他们使用更小的自动驾驶车辆在工序之间移动输入材料、在制品或成品。这些较小的平台可以在拥挤的环境中更灵活地移动。

莱万多夫斯基说:“我们目前正在试点的一个应用例子是，将质量和实验室样品从生产过程转移到实验室进行测试。”“这涉及到将这些小型车辆带入一个有很多人的环境和不断变化的流程，因此车辆需要能够适应这些高度动态的环境。”

宝洁公司正在使用和开发移动机器人的试点应用程序。

“安全是根本，”莱万多夫斯基说。“许多移动系统都基于相同的技术(激光雷达)，所以从安全的角度来看，入口点是确保你有一个公认的安全系统，可以探测物体和人，并做出适当的反应。

他继续说:“一些新人(初创公司)开始使用这些基于视觉的技术，这些技术具有更多的空间意识。”“重要的是，不仅要知道平台在楼层的位置，还要知道它在环境中的导航位置。是否有门、悬垂物、桌子或传送带?它需要能够看到这些，并做出适当的反应，以避免这些类型的障碍。”

与它们的固定平台兄弟或传统AGV的表亲不同，自主移动机器人是自由漫游的。安全是一个主要问题。

工厂的安全标准

机器人工业协会(RIA)与美国国家标准协会(ANSI)正在为工业移动机器人制定安全标准。RIA已经召集了R15.08委员会来编写工业移动机器人安全标准文档。

工作正在进行中，目标是2019年初出版。虽然看起来还很遥远，但标准的开发过程正在加速进行。

“自2007年以来，我一直参与安全标准(流程)工作。对我来说，这个时间表是闪电般的快，”机器人专家、R15.08委员会主席迈克尔·格斯滕伯格(Michael Gerstenberger)说。“有几家公司在这个领域推出了产品。RIA希望掌握这一点，并通过制定相关的安全标准来确保我们为会员提供良好的服务。”

Gerstenberger对这个委员会有一个有趣的挑战。R15.08的任务是将两个世界结合在一起:移动平台社区和工业机器人社区。每个公司都有自己的安全标准。

对于移动平台，最接近的现有标准是ANSI/ITSDF B56.5-2012无人驾驶、自动引导工业车辆和有人驾驶工业车辆自动化功能的安全标准．

对于工业机器人来说，标准是ANSI/RIA R15.06-2012工业机器人和机器人系统安全要求．

RIA标准开发总监Carole Franklin表示:“然而，许多新型移动机器人比传统的AGV拥有更大程度的自主权，使它们能够在更动态的环境中安全运行，实时路径重新规划至关重要。”现有的AGV标准(B56.5)目前还没有涉及到这一领域。”

她解释说，虽然工业机器人安全标准(R15.06)允许在工业环境中使用移动机器人系统，但其大部分指南都假设机器人安装是固定的、静止的。

委员会成员必须共同制定新的ANSI/RIA R15.08标准，该标准将弥合两个现有标准B56.5和R15.06之间的差距，并为移动机器人特有的安全考虑提供指导方针。最后，他们可能会决定将新制定的指南纳入现有标准，但这还有待观察。

格斯滕伯格说:“我一直在努力做的最重要的事情之一，就是确保委员会的所有声音都能被听到。”“我想确保每个人都能表达自己的意见。我们在委员会中有很好的代表。”

75多名委员会成员代表了大多数传统机器人制造商、成熟的移动机器人供应商和初创公司、协作机器人供应商、传统AGV制造商、机器人集成商、安全系统供应商和集成商，以及汽车、电子、消费品和物流行业的主要终端用户。

此外，还有一些重要的行业标准和安全组织，如TÜV莱茵北美集团、保险商实验室、国家职业安全与健康研究所(NIOSH)和国家标准与技术研究所(NIST)。

现有标准的差距

NIST开发测试方法和指标来评估新技术的性能。NIST偶尔会领导标准的开发工作，就像他们在R15.08中所做的那样。几年来，NIST在其实验室中对传统agv、移动机器人和协作机器人以及这些机器的混合集成进行了研究。

NIST的计算机科学家、R15.08委员会成员杰里米·马维尔(Jeremy Marvel)说:“我们感兴趣的是将来自不同制造商的机器人模型集成到一个工作单元中。”“这也包括移动工业机器人，特别是机器人手臂与不同制造商的移动平台的特别集成。”

Marvel和他的NIST同事Roger Bostelman(也是R15.08委员会成员)在进行混合动力系统的研究时，研究了agv和工业机器人的现有安全标准。在某些情况下，他们发现了足够多的重叠，但在其他情况下，他们发现了差距和冲突。

Gerstenberger说，委员会继续使用NIST的发现作为基础，以确保他们在起草R15.08标准时涵盖了差距和冲突。他指出了其中一个矛盾。

在R15.06标准(2012年发布)中，它说机器人可以固定或移动，但不久之后又说该标准只涵盖移动机器人的操作部分。所以当这个机器人不再被困在一个区域时，它不能到处跑。”

他还提到了其中一个差距。

“控制员如何传达安全信息?移动平台上的紧急停止按钮是否也会导致手臂上的紧急停止动作?反过来呢?如果有一个紧急停止，显然是机器人控制器的一部分，它应该停止移动平台吗?”

R15.08委员会在起草文件时将不得不处理这些问题和许多其他问题。

“这是R15.08的基础，”漫威说。“我们希望能够解决这些差距和冲突，并为提供安全级解决方案提供指导和要求。”

他举了一个教学吊坠的例子。“如果你正在考虑将移动平台与工业部门进行临时安装或集成，这两者都将有自己的教学挂件。您如何纠正或补救控制问题，使您只有一个控制点?我们是否指定了实现这一目标的方法?我们是否指定移动平台必须放弃对工业机器人的控制，反之亦然?或者我们一般规定只有一个控制点，然后让集成商或制造商想出如何做到这一点?”

漫威表示，目前委员会倾向于后者，这意味着制造商在向其平台添加机械手时将决定单一控制点。这是由积分器来决定何时需要对两者进行积分。

“整合两家完全不同的制造商的系统是一个重大挑战，”Marvel说。“在大多数情况下，这些都是封闭的系统(使用专有技术)。这些系统不是用别人的软件来控制的。”

Marvel说这仍然不容易，但是使用像ROS操作系统这样的通用开放语言更容易。

“我们花了几个月的时间才完成了与封闭AGV系统的首次集成，我们仍然不确定我们是否做对了。相比之下，我们今年夏天刚刚整合的开放平台只需要不到三周的时间。”

NIST采用了一辆传统的叉车AGV，并在移动平台上安装了一个协作机器人手臂，使其成为一辆混合动力车。

漫威表示:“这种混合动力车不使用引线、磁铁或线路跟踪(像传统的agv)。相反，它使用基于激光的三角测量系统来确定它在开放环境中的位置，允许控制软件告诉它去哪里并动态生成路径。一旦它被告知要去哪里，它就不会偏离那条路。我们正在与AGV平台以及控制软件的制造商合作，使其更灵活、更适应，从而能够以安全的方式应对任何潜在的碰撞或安全隐患。”

他们还有一个与ROS兼容的移动平台。他们正在比较封闭系统和开放系统。

“把安全信号整合起来真的很难。任何类型的控制都是一样的。机器人控制器被用来负责一切。所以现在当你试图整合两个智能系统时，这就变成了一种协商。试图与两个不想谈判的系统进行谈判是很棘手的。你最终会得到一个左手和右手的情况，机器人手臂和移动机器人都在做自己的事情，但它们或多或少都没有注意到彼此。在安全性和可靠性方面，十字路口开始变得有点冒险。”

移动机器人是一个移动的目标

NIST的研究揭示了为工业移动机器人制定安全标准的复杂性。为自动移动平台设计安全标准是一回事，但添加机械臂或其他类型的附件，无论是架子、传送带、手提包，还是后面拖着的另一辆车，现在安全影响变得更加复杂。

“最终，如果你能让移动平台和机械臂同步移动，并能够协调它们的运动，这样你就可以在几乎无限的工作量中放置具有高重复性和精度的工具，这就是一项了不起的实现技术，”漫威展望了这种可能性。

“这也实现了一个高度动态的工作环境，在这个环境中，您的装配线可以重新配置自己，以适应新的流程或新的批处理作业，”Marvel补充道。“这符合敏捷制造模式。”

随着行业推进移动机器人试点项目和更多的采用，R15.08委员会将努力跟上步伐。

漫威指出，委员会还将面临更多挑战。“例如，如果你有一个移动平台由于某种原因关闭或进入紧急停止状态，连接的手臂需要知道这一点。它实际上可能需要知道原因，特别是当它试图进行动态控制时，移动平台和手臂的运动是协调的，以保持工具处于特定的笛卡尔坐标中。”

他说，控制信号也面临同样的挑战。“机器人会告诉你它认为自己在哪里。移动平台会告诉你它认为自己在哪里。然后需要将这些信号集成在一起。在某些情况下，我们发现报告的位置和方向值并不总是内部表示的值。”

换句话说，当你从机器人那里得到报告时，它并不是实时的。这是旧信息。

“可能会有延迟、抖动或延迟，或者只是报告中的位置不确定，这可能会极大地影响整个集成解决方案的性能和安全性，”Marvel说。

R15.08委员会在编写新的安全指南时需要考虑所有这些因素。最终用户的输入对流程至关重要。

最终用户的洞察至关重要

莱万多夫斯基和他的同事、美容行业机器人领导者鲍勃•博林格(Bob Bollinger)，以及许多其他终端用户、工业领域的代表，都是该委员会的成员。他们说，重要的是“在门口检查你的公司标志”，并讨论什么对整个技术是最好的。

莱万多夫斯基在宝洁工作超过25年。Bollinger在该行业拥有30多年的经验;18和宝洁合作。两者都是该公司机器人技术网络(RTN)的一部分。RTN是宝洁公司的一组员工，他们利用自己在机器人技术方面的集体经验，决定如何在公司内最好地部署机器人。该网络还评估和测试新的机器人技术。

“作为终端用户，我们需要确保这些标准是明确的、可用的和可部署的，并且根据这些标准生产的产品可以在工厂中安全使用，”Bollinger说。“我认为终端用户的参与确实有助于建立委员会，并确定用例和挑战是什么。希望我们能够就如何应对这些挑战提出明确的指导意见。”

标准范围

委员会面临的第一个挑战是确定其范围的范围。在一个仍在发展的行业领域，每隔几个月就会有新的初创公司和技术进入竞技场，很难缩小关注的范围。

工业，因为它适用于R15.08工业移动机器人安全委员会的范围，只包括移动机器人在商品和相关服务生产中的工业使用。这包括制造、仓储和物流空间中的结构化和半结构化环境。

富兰克林说:“预计在工业领域接近移动机器人的人将接受一定程度的培训，这样他们就知道如何正确地与机器人互动。”

除此之外，还有与公众互动的移动机器人，如接待机器人、个人护理机器人、医疗和康复机器人以及机器人游乐设施。指南将不包括这些应用程序。

在这种情况下，移动仅指地面系统。机载和水上系统不在范围之内。

还有一些平台也不在讨论范围之内，比如有人驾驶的叉车。远程控制或远程操作的移动系统不包括在内。轨道上的移动系统，如龙门机器人，也不在研究范围之内。

一个机器人包括移动平台本身，即使没有安装在上面的机械臂。但移动机器人必须具备超越传统AGV的自主能力。传统的agv仍将遵循工业卡车标准(B56.5)。

富兰克林说，R15.08文件将对移动方式的话题保持沉默，无论是轮式、单打式、履带式还是腿式平台。这意味着，如果Atlas在仓库里堆放箱子，波士顿动力公司的双足机器人是一个候选。

该安全标准将为机器人制造商提供移动平台、附件(货架、输送机或机械臂)和集成解决方案(移动平台加机械臂作为一个控制器设计和制造的单个单元)的指导。对于集成商，将为集成移动平台与机械臂提供指导。

指南还将包括危险识别和风险评估，以及针对危险能源控制的地址锁定/标记(LOTO)建议。

针对制造商的第1部分和针对集成商的第2部分预计将在年底前起草。第3部分将为最终用户提供指导，将推迟到稍后的时间。

绘制新技术图表

标准编写过程的一个重要部分是预测技术进步，特别是当标准将有助于形成移动机器人等发展中领域的技术成熟时。

莱万多夫斯基说:“技术变化的速度往往快于标准更新和发展的速度。”“标准制定者的最终目标是试图预测事情的发展方向，而不是以限制或阻止未来实施新的更好的解决方案的方式编写标准。

他继续说:“今天，如何在移动车辆周围区域内检测人员，在历史上是用激光扫描仪和激光雷达完成的。”“3d视觉系统和更好的探测系统(具有空间感知)的整个革命将在未来实现许多不同的事情，所以我们需要确保标准能够适应这些类型的进步和技术。”

格斯滕伯格说:“我们不想阻止一项在标准最初制定时还不知道的特定新技术。”“我们不想阻碍技术进步。我们希望实现它。”

随着这些技术的进步，将会带来更多的复杂性。特别是当自由放养的机器人和人类将在同一空间工作时。

漫威表示:“没有所谓安全或不安全的机器人。关键在于你如何使用它，如何整合它。在此基础上，你必须进行风险评估。”

风险评估与否

R15.06机器人安全标准明确规定，“应进行风险评估，不再是可选的。”它还指出，“应”一词是说明性的，描述了遵守标准的强制性要求。

“风险评估，风险评估，风险评估，”Sick公司安全标准和能力经理克里斯·索兰诺(Chris Soranno)在被问及在移动机器人标准正在制定期间，供应商和终端用户应该做什么时表示。“除非你知道问题是什么，否则你无法解决问题。在安全方面，确定问题的最好方法是评估风险。”

Soranno也是R15.08委员会的成员，他的整个职业生涯都在机器人和工业安全市场工作，近20年。他看过很多申请。

他说:“我们与内部员工以及外部客户合作，帮助提高安全各方面的能力。”“这包括在哪里找到一个标准，如何阅读和解释一个标准，以及如何实施这些标准的要求，以实现为员工提供安全工作场所的目标。”

他描述了风险评估过程中的基本步骤。

“你必须确定任务，”索兰诺说。“你必须识别出这些任务与之相关的危险。对于其中的每一个，你都需要确定潜在的风险结果。然后根据损伤严重程度的最差可信水平和发生概率的最差可信水平(发生的可能性)对这些损伤进行评级。它可以基于频率、暴露程度、暴露数量、人们对风险的意识，或者是规避能力。它是以每小时100英里的速度向你移动，还是缓慢地爬行，这样你就可以让开了?”

当谈到谁应该进行风险评估时，索兰诺说:“应该始终是一个团队。涉众必须与系统共存，他们将是那些知道如何与系统交互的人，无论他们是操作员、维护人员还是生产人员。它们应该包括在前端。然后是熟悉系统能做什么或不能做什么的设备供应商，以及任何其他部件供应商，无论是安全部件还是末端执行器供应商。”

变更需要风险重新评估

宝洁的莱万多夫斯基表示，任何进入公司的新机器(或机器人)都需要进行风险评估。

“我们总是尝试从机械或设备的集成商开始，让他们对任何应用进行第一次切割或第一次风险评估。但一旦产品进入宝洁，我们就有一个流程，我们将继续在风险评估的基础上进行评估，甚至在设备或机器安装到宝洁内部后，我们还会进行最终的风险评估。”

如果进行了更改，则必须重新评估风险评估。

莱万多夫斯基说:“我们的期望是，如果你改变了一台机器或一个过程的功能，你就会审查风险评估，并根据这些变化做出必要的更改或更新。”

布林杰说:“即使环境发生了变化，比如地板、机架位置或机器在地板上的布置，也需要重新评估风险。”“如果你把仓库的一个区域改成人工拣货站呢?这增加了风险，特别是如果你谈论的是太空中的移动机器人。”

风险评估还必须考虑移动机器人部署的环境。索兰诺指出了一些条件，比如地板的摩擦质量，或地板有多滑，或地板的倾斜度和平滑度。

他说，制定一个流程也很重要，以防有人决定改变环境，比如重新粉刷地板，以确保他们不会无意中改变移动机器人所依赖的属性，以达到预期的安全水平。

“我做过数千次风险评估，”索兰诺说。“一个系统的动态程度与风险评估的复杂程度之间存在指数级的关系。如果你看看压力机，通常只有少数几种与机器交互的方式。你要确定这些任务，你要确定与这些任务相关的危险，然后想出一些补救方案，如何将这些风险降低到可接受或可容忍的水平。”

将这一过程应用到安装在移动平台上的动态机器人上，就会变得复杂得多。

索兰诺说:“当你转向一个机器人时，它比压力机更具动态性，可以以任何方式使用，不仅如此，它还可以在部署后进行修改，以新的方式使用，这增加了风险评估的复杂性。”“现在你把这个动态机器人放在一个移动平台上，可以在设施的任何地方，这又是一个指数曲线。现在您有了更多潜在的任务或交互。

“你不只是担心人们走向固定在地板上的机器。现在，这台机器可以在设备周围移动，甚至可以开到背对着它的人面前。”他补充道。“这个过程的复杂性变得更加困难。”

R15.08委员会在起草移动机器人领域的指导方针时，会仔细考虑这些复杂性。委员会成员都是志愿者，有日常工作。他们每年召开三次会议，讨论细节问题，其间还会举行规模较小的电话会议和会议，并起草许多草案。

问任何一个成员，他们都会告诉你他们是如何在不经意间被招募到标准委员会的。

莱万多夫斯基开玩笑说:“通常情况下，你会因为走得太靠近会议或与会议有关的人而被卷入其中。”

他们可能会被卷入其中，但他们意识到参与的重要性。

“通过参与委员会，我们可以走在思想领袖的前面，”博林格说。“了解技术的发展方向，并与其他人进行头脑风暴，以了解其中的机遇和挑战，这对我们来说是有益的。”

莱万多夫斯基说:“我们认为这非常重要，我们对自己的工作充满热情。”“不仅是为了我们公司，也是为了整个行业。”

富兰克林对他们的贡献的重要性表示赞同。“我们非常感谢我们委员会志愿者的时间、精力和专业知识。”

Tanya M. Anandan是特约编辑机器人工业协会(RIA)以及机器人在线。RIA是一个非营利性的行业协会，致力于通过机器人技术和相关自动化来提高北美制造业和服务业的区域、国家和全球竞争力。本文最初发表于RIA网站．RIA是CFE媒体内容合作伙伴推进自动化协会(A3)的一部分。由制作编辑克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．

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www.globalelove.com关键词:机器人，机器人安全

关键概念

• 机器人工业协会(RIA)和美国国家标准与技术研究所(NIST)正在制定移动机器人安全标准。
• 现行标准有安全漏洞，这些组织正在试图解决和修复。
• 变化标准要求公司在各个层面上进行风险再评估。

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原始内容可以在www.robotics.org．

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