关于工业机器人的事故分析及其对策

关于工业机器人的事故分析及其对策

摘要：工业机器人是高科技机电产品，在工业领域广泛应用，可以代替人们从事繁重的、危险性的工作，但由于工业机器人故障所造成的人身伤害事故也时有发生。从工业机器人的可靠性、工业机器人事故案例、能量类型分类等多角度对工业机器人事故进行了分析，从故障树分析法、基本安全性原则、工业安全技术等几方面提出了相应的对策。

关键词：工业机器人事故安全分析对策

1 引言

工业机器人被广泛地应用于制造业等诸多部门，它可以代替人们在具有危险性的场所从事繁重的工作。工业机器人在将人们从繁重的危险性劳动中解放出来的同时，也存在产生危险的因素，由于工业机器人故障所造成的人身伤害事故时有发生。工业机器人是由一个复杂的机电系统组成的，这个系统包括传感器、控制器、工作制造部件、输送部件等。人要对工业机器人进行安装、编程、维修，还有可能靠近机器人进行操作，因此，人也将参与到机器人的工作系统中去，当人靠近工业机器人时就可能出现安全问题［1］。机器人的自由度比其他普通机械大得多，它的工作制造部件可以在较大空间内运行，具有高速运动的大功率手臂和复杂自主的动作，若机器人发生故障可能造成更为严重的危害。所以，有必要对工业机器人的有关事故情况进行分析，并研究相应对策。

2 工业机器人安全性概况

2.1 工业机器人的可靠性分析

鉴于工业安全问题的重要性，世界上有许多国家（如日本、美国、英国、德国、瑞典等）从上世纪80年代开始就注意对工业机器人的事故进行记录，并进行统计和分析，为工业机器人的安全性、可靠性研究奠定了基础。

日本某公司对工业机器人发生事故的类别进行了调查统计，其中控制装置的故障占66.9%，机器人装置上的工作部件，如焊枪等工具的故障占18.5%，工作场所噪声信号的干扰引起的机器人失控占11.1%，其他原因的故障占3.5%。

表1 为机器人的平均无故障时间（MTBF）的统计。

可以看出，在机器人工作不到100h的时间内，其平均无故障率只有28.70%，工作100h 以上，其平均无故障率明显下降。假如生产流水线上，机器人平均每天工作按20h 计算，则在一周左右的时间内，机器人极有可能发生故障。

从上述统计分析可知，机器人的控制装置、工作部件以及工作场所噪声信号的干扰等易使机器人发生故障，而且机器人故障的发生也很频繁。因此，机器人的可靠性还是很有限的，应当引起人们足够的重视，充分考虑各项安全措施。

2.2 工业机器人的事故分析

以下是日本机器人协会（1234）提供的0 个典型的工业机器人事故案例［2］：

（1）1 名工人的手指被正在做正常上下运动的机器人夹在工件与切割夹具之间；

（2）机器人在进行正常操作时，当它把薄钢板传递到工人手中时割破了工人的手指；

（3）在进行正常操作的机器人的手臂撞在工人身上，将工人撞伤；

（4）在进行人工操作时机器人手臂不符合指令要求，正当操作人员要进行调整时，头部被机器人划破。

表2 为机器人事故原因的调查统计分析。

表2 机器人事故原因统计分析

由上述事故案例和事故原因的调查统计分析，可以得出以下结论：

（1）在人工操作机器人时，机器人造成危险的可能性很大；

（2）在机器人造成的危险中，归因于设备自身误动作的有一半之多；

（3）由机器人自身错误所引起的和由人为失误所引起的事故发生率几乎相等；

（4）机器人作为自动化设备在其正常操作条件下，发生事故次数占总事故次数的比重很大，可达22.4%-66.4%；

（5）机器人的设计和生产不能保证使用机器人时绝对安全或绝对不发生故障，安全使用机器人还取决于使用者的技术水平和保养及维修等诸多因素。

3 工业机器人的安全对策分析

3.1 故障树分析法（FTA）

故障树分析法（FTA）是被广泛使用的演绎分析工具，可以用清晰的结构层次展现故障的发生原因、情形。在人机器人工作环境中，所有潜在的危险都是由于不安全条件和不安全行为所致，可用故障树分析（FTA）方法对危险的原因结果逻辑关系作演绎分析。

由于机器人的使用方式和操作对象不同，完成的工作以及使用的工具都不尽相同，涉及的能量形式也不同，因此，在进行故障分析时应全面考虑，对上述各种不同点都要有对应的安全措施。

以下是对机器人误动作造成的人身伤害事故的原因进行归纳整理，做出的故障树（见图1）。

通过FTA对人机器人环境中潜在事故危险的分析研究发现，可采取以下几点措施来有效地减少危险：

（1）减少异常能量的转换。如图中的X1、X2、X3、X9等。要提高机器人硬件的可靠性，例如改进控制板的设计，采取标准化措施，有完全可靠的紧急停车方法，避免机器人失控。同时还应尽量避免操作人员在机器人的危险区内工作。

（2）使异常能量最小化。如图中的X2、X3、X8等。用降低机器人运动速度的办法来减少，例如编程操作人员必须接近机器人的危险时，应密切注意负载情况。一旦发现负载的重量、尺寸和形状超过极限，就要立即停车检查；还要研究负载的运动，以减少错误操作和机器人的误动作。

（3）优化防护措施。如图中的X4、X5、X8等。在使用机器人时应该采取各种预防事故的措施，如安装防护栏、安全闸，用传感器监控，用检测器检测等。在有机器人的全自动装配线等大型自动化系统中，还应更多地从工艺过程角度出发，制订更全面、合理的安全措施。

图1 机器人误动作故障树［2］

（4）完善机器人控制措施。如图中的X6、X7、X9、X10等。工业自动化与安全措施是相辅相成、共同发展的。因此，要使工人充分认识到机器人存在的危险性，并远离机器人危险区，要对操作员、程序员、维修工程师进行全面的安全技术教育与培训。

3.2 工业机器人系统的危险性评价与安全性评价

（1）危险性评价：在技术上采取安全对策时，必须在适当的指标的基础上进行。假设因机器人产生了某种事故，其事故带来的危险性可由下式表示：

危险性＝失败的频度（类型1）×危险侧迁移率（类型2）×伤害强度（类型3）［2］。

式中所指的失败（类型1）可分为：①不经修理就不可恢复正常状态的硬件故障；

②消除外部原因（如电磁噪音干扰）就能恢复正常状态；③由于操作错误或因不安全行为所产生的人为故障等。为了减少失败，必须对机器人系统进行高可靠性设计。所谓危险侧迁移率（类型3）是指出现了故障（失败）以后所产生的危险，对人而言，人就成了危险的一侧，危险一侧所占的危险比例，就是危险侧迁移率。即不管出现什么故障（失败）都要确保人身的安全，只能侧重这一方面。因此就必须在机器人的基本结构设计方面多想方法，例如联锁装置和故障自动排除装置等均很有效。所谓伤害强度（类型’），是指随着机器人往大型、高速方面发展的过程中给予人的伤害危险的潜在能量越来越大，这就是伤害强度。

这里，重要的是要减少在使用机器人时对人构成的危险性，也就是说要极力降低类型1和类型2的发生概率，使危险侧迁移率变小。在系统设计阶段，要尽量抑制对人产生威胁的机器人所产生的力或运动，这样才有可能从根本上保证人身安全。

（2）安全性评价：它阐明造成人体实质损害危险发生的机理，评估安全性对策的效果和系统中的剩余风险。需要指出的是，对于只有较小数据的较新型的系统，是通过系统化预测或演绎来进行评价的，包含以下3个基本步骤：①识别系统中可能产生的危险；②及时分析危险发生的机理并研究安全性对策；#评价剩余风险［3］。

3.3 基本原则性的安全对策

针对工业机器人的特殊性，以下一些安全对策是不可缺少的：

（1）尽量减少危险部位。采用机器人组成自动化系统时，由于机器人的动作范围大，与其他机械设备衔接的地方很多，因而对人构成威胁的危险部位比一般的机械设备要多，所以在考虑系统布局时，应尽量减少这些危险部位。例如，在机器人有伸缩、摆动、俯仰、夹紧与放开等动作的部位放置挡块等制动器，或适当降低机器人的输出功率和运动速度，以减少对人的危险。

（2）将人与机器人的危险部位进行隔防。在机器人自动运行时，原则上应用栏杆围障或罩子把人与机器人隔离，人只能在栏杆等屏障外操纵机器人。这些方法符合人机工程学的一般原则，结构也简单。但若需对机器人进行示教或维修又必须进入隔离区时，则需另外采取相应的防护与监视措施。

（3）附加安全装置。附加安全装置应具有自我诊断的功能，而且这些装置对故障或异常现象的信号处理都与机器人的运动无关，是一些保护人身安全的有用装置。

（4）故障自动保护。一是必须具有通过伺服系统对机器人的误动作进行监视的功能，如有异常动作应自动切断电源；二是必须具有当人误入危险区时，能立即测知并自动停机的故障自动检测系统。具体措施有：安装警示灯，监视器，防越程装置，紧急停止装置等。

这些基本原则性的安全对策应逐步具体化、规范化乃至立法化，世界上许多工业发达国家已经开始实施，如美国国家标准工业机器人系统安全标准ANSI/RIA R15.06－1986和日本的工业机器人安全规则（JISB8433－1986）等［3］。