人机交互：在协作世界中确保安全

工作的形态正在迅速演变，机器人越来越多地融入各个行业。这种被称为人机交互（HRI）的整合，既带来了巨大的机遇，也带来了潜在的挑战，尤其是在安全方面。随着机器人与人类并肩工作，建立健全的安全规程以降低风险，并确保全球范围内安全高效的工作环境至关重要。

什么是人机交互 (HRI)？

人机交互（HRI）是指对人类与机器人之间互动进行研究和设计。它涵盖了这些互动的物理、认知和社交等多个方面。与在隔离笼中操作的传统工业机器人不同，协作机器人（cobots）被设计为在共享工作空间中与人类紧密合作。这种协作环境需要一个全面的安全方法。

HRI 中安全规程的重要性

HRI 中的安全规程至关重要，原因如下：

• 预防伤害： 主要目标是防止对人类工人造成伤害。机器人，特别是工业机器人，可以施加巨大的力量并高速移动，带来撞击、挤压和其他伤害的风险。
• 提高生产力： 一个安全的工作环境能够培养工人的信任和信心，从而提高生产力和效率。当工人感到安全时，他们更有可能接受协作机器人技术。
• 确保法规遵从： 许多国家都有管理工业机器人使用的法规和标准。遵守这些标准对于合法合规和避免罚款至关重要。
• 伦理考量： 除了法律和实际考量外，保护人类工人免受伤害也是一项道德责任。负责任地实施机器人技术，需要将安全置于首位。

关键安全标准与法规

一些国际标准和法规为确保 HRI 的安全提供了指导。其中一些最重要的包括：

• ISO 10218： 该标准规定了工业机器人和机器人系统的安全要求。它涉及了挤压、剪切、撞击和缠绕等多种危险。ISO 10218-1 侧重于机器人设计，而 ISO 10218-2 侧重于机器人系统集成。
• ISO/TS 15066： 这份技术规范为协作机器人提供了安全要求。它建立在 ISO 10218 的基础上，解决了在共享工作空间中与机器人并肩工作的独特挑战。它定义了四种协作技术：安全级监控停止、手动引导、速度和分离监控以及功率和力限制。
• ANSI/RIA R15.06： 这项美国国家标准为工业机器人和机器人系统提供了安全要求。它与 ISO 10218 类似，在北美被广泛使用。
• 欧洲机械指令 2006/42/EC： 该指令为在欧盟销售的机械（包括工业机器人）规定了基本的健康和安全要求。

这些标准为评估风险、实施安全措施以及确保机器人在协作环境中安全运行提供了一个框架。对于部署机器人的公司来说，了解并遵守其所在地区的相关法规至关重要。

HRI 中的风险评估

彻底的风险评估是确保 HRI 安全的基础步骤。风险评估过程包括识别潜在危险，评估伤害的可能性和严重性，并实施控制措施以降低风险。风险评估过程的关键步骤包括：

1. 危害识别： 识别与机器人系统相关的所有潜在危害，包括机械危害（如挤压、剪切、撞击）、电气危害和人体工程学危害。
2. 风险分析： 评估每种危害的可能性和严重性。这包括考虑机器人的速度、力量、运动范围以及人类互动的频率和持续时间等因素。
3. 风险评估： 确定风险是否可接受或需要进一步缓解。这涉及将风险与既定的风险接受标准进行比较。
4. 风险控制： 实施控制措施，将风险降低到可接受的水平。这些措施可能包括工程控制（如安全装置、防护罩）、管理控制（如培训、程序）和个人防护装备（PPE）。
5. 验证与确认： 验证控制措施在降低风险方面是否有效，并确认机器人系统按预期安全运行。
6. 文档记录： 记录整个风险评估过程，包括识别出的危害、风险分析、风险评估以及实施的控制措施。

示例： 对用于包装应用的协作机器人进行风险评估，可能会识别出工人手部被机器人手臂和传送带夹伤的危险。风险分析将考虑机器人手臂的速度和力量、工人与机器人的距离以及任务的频率。控制措施可能包括降低机器人的速度、安装安全光幕以在工人进入危险区域时停止机器人，并为工人提供手套以保护他们的手。持续监控和审查风险评估对于适应变化和新的潜在危害非常重要。

为 HRI 的安全而设计

在机器人系统的整个设计过程中，安全应是首要考虑因素。一些设计原则可以增强 HRI 的安全性：

• 安全级监控停止： 此技术允许机器人在检测到有人在协作工作空间内时继续运行，但如果人靠得太近，则会使机器人停止。
• 手动引导： 这允许操作员物理引导机器人的运动，以教授新任务或执行需要手动灵活性的任务。只有当操作员握住示教器或引导机器人手臂时，机器人才能移动。
• 速度和分离监控： 此技术持续监控机器人与人类工人之间的距离，并相应地调整机器人的速度。如果工人靠得太近，机器人会减速或完全停止。
• 功率和力限制： 这种设计限制了机器人的功率和力，以防止与人类工人发生碰撞时造成伤害。这可以通过力传感器、扭矩传感器和柔性材料来实现。
• 人体工程学设计： 设计机器人系统以最小化人体工程学危害，如重复性动作、不自然的姿势和过度用力。这有助于预防肌肉骨骼疾病并提高工人的舒适度。
• 人机界面 (HMI)： HMI 应直观易用，提供关于机器人状态和任何潜在危险的清晰简洁信息。它还应允许工人轻松控制机器人并响应警报。
• 安全装置： 集成安全装置，如光幕、激光扫描仪、压敏垫和紧急停止按钮，以提供额外的保护层。
• 防护罩： 使用物理屏障防止工人进入机器人的工作空间。这对于机器人构成重大危险的高风险应用尤为重要。

示例： 一个设计用于组装电子元件的协作机器人可能会在其末端执行器中集成力传感器，以限制其可以施加在元件上的力。这可以防止元件受损并降低工人受伤的风险。机器人的 HMI 可以显示正在施加的力，使工人能够监控过程并在必要时进行干预。

培训与教育

适当的培训和教育对于确保工人了解与 HRI 相关的风险以及如何安全操作机器人系统至关重要。培训计划应涵盖以下主题：

• 机器人安全原则和法规。
• 风险评估程序。
• 特定机器人系统的安全操作程序。
• 紧急停止程序。
• 正确使用安全装置和个人防护装备。
• 故障排除和维护程序。
• 事故和未遂事故的报告程序。

应向所有将与机器人系统互动的工人提供培训，包括操作员、程序员、维护人员和主管。应定期提供复习培训，以确保工人了解最新的安全实践。

示例： 一家部署协作机器人进行焊接应用的制造公司应为其焊接操作员提供全面的培训。培训内容应包括机器人安全原则、风险评估程序、安全焊接实践以及焊接个人防护装备的正确使用。培训还应包括在合格教练的监督下使用协作机器人进行动手实践。

监控与维护

定期监控和维护对于确保机器人系统长期安全运行至关重要。监控活动应包括：

• 定期检查机器人系统，以识别任何磨损、损坏或故障的迹象。
• 监控安全装置，确保其正常工作。
• 定期审核安全程序，确保其得到遵守。
• 分析事故和未遂事故数据，以确定趋势和改进领域。

维护活动应包括：

• 定期润滑和清洁机器人系统。
• 更换磨损或损坏的部件。
• 校准传感器和执行器。
• 更新软件和固件。
• 维护活动后对安全功能进行验证和确认。

维护应由接受过特定机器人系统培训的合格人员进行。所有维护活动都应有记录和跟踪。

示例： 一家在其仓库中使用自动导引车（AGV）的物流公司应定期检查 AGV，以确保其传感器、制动器和安全装置正常工作。该公司还应监控 AGV 的导航路径，以识别任何潜在危险，如障碍物或仓库布局的变化。

科技在增强 HRI 安全中的作用

先进技术在增强 HRI 安全方面发挥着越来越重要的作用：

• 视觉系统： 视觉系统可用于检测机器工作空间中的人类存在并监控人类的移动。这些信息可用于调整机器人的速度和轨迹，或在即将发生碰撞时完全停止机器人。
• 力传感器： 力传感器可用于测量机器人施加的力，并将其限制在安全水平。这可以防止与人类工人发生碰撞时造成伤害。
• 接近传感器： 接近传感器可用于检测机器人附近的人类工人，并在碰撞发生前减速或停止机器人。
• 人工智能 (AI)： AI 可用于改善机器人对其环境的感知并预测人类的移动。这可以使机器人更快、更有效地对潜在危险做出反应。
• 虚拟现实 (VR) 和增强现实 (AR)： VR 和 AR 可用于培训工人的安全操作程序并模拟潜在危险。这可以帮助工人培养与机器人安全工作的技能和知识。
• 无线通信： 无线通信技术可以实时监控机器人的性能和环境。这有助于远程控制、诊断和安全干预。

示例： 一家使用机器人进行喷漆应用的汽车制造商可以集成一个视觉系统来检测工人何时进入喷漆室。该视觉系统可以自动关闭机器人，以防止工人暴露于有害的油漆烟雾中。此外，工人身上的可穿戴传感器可以监控他们与机器人的距离，并通过触觉反馈提醒他们潜在的危险。

处理 HRI 安全中的伦理考量

除了技术和法规方面，伦理考量在 HRI 安全中至关重要。这些考量包括：

• 透明度与可解释性： 机器人系统的设计应透明且可解释，以便工人能够理解它们如何工作以及如何做出决策。这有助于建立对机器人系统的信任和信心。
• 问责制： 为机器人系统的安全建立明确的问责制非常重要。这包括确定谁负责设计、部署和维护机器人系统，以及谁负责应对事故和未遂事故。
• 公平与公正： 机器人系统的设计和部署方式应对所有工人都公平公正。这意味着确保所有工人都能获得与机器人安全工作所需的培训和资源，并且没有工人会不成比例地暴露于风险之中。
• 工作岗位替代： 工作岗位被替代的可能性是与机器人部署相关的一个重要伦理问题。公司应考虑机器人化对其劳动力的影响，并采取措施减轻任何负面后果，例如为被替代的工人提供再培训机会。
• 数据隐私与安全： 机器人系统通常会收集和处理大量关于人类工人的数据。保护这些数据的隐私和安全，并确保其不被用于歧视性或有害的方式非常重要。

示例： 一家部署机器人进行库存管理的零售公司应向其员工透明地说明机器人如何工作以及如何使用。该公司还应为机器人的安全建立明确的问责制，并采取措施保护机器人收集的数据的隐私和安全。

HRI 安全的未来趋势

HRI 领域在不断发展，新的趋势正在出现，这些趋势将塑造 HRI 安全的未来：

• 先进传感技术： 新的传感技术，如 3D 摄像头、激光雷达和雷达，为机器人提供了对其环境更详细、更准确的理解。这使得机器人能够更快、更有效地对潜在危险做出反应。
• AI 驱动的安全系统： 人工智能正被用于开发更复杂的安全系统，这些系统可以预测和预防事故。这些系统可以从过去的事件中学习并适应不断变化的条件。
• 协作机器人即服务 (Cobots-as-a-Service)： 协作机器人即服务模式正在使中小企业（SME）更容易获得协作机器人。这正在推动协作机器人在更广泛的行业中得到应用。
• 以人为本的设计： 在 HRI 中，越来越强调以人为本的设计。这意味着设计出直观、易于使用且对人类工人安全的机器人系统。
• 标准化与认证： 正在努力为 HRI 安全制定更全面的标准和认证计划。这将有助于确保机器人系统的安全性和可靠性。
• 数字孪生： 创建工作空间的数字孪生可以对机器人交互进行虚拟仿真，从而在物理部署前进行全面的安全测试和优化。

HRI 安全实施的全球示例

汽车工业（德国）： 像宝马和大众这样的公司正在使用协作机器人进行装配任务，实施先进的传感器技术和 AI 驱动的安全系统以确保工人安全。他们遵守严格的德国和欧洲安全法规。

电子制造业（日本）： 发那科和安川等领先的机器人公司正专注于开发具有集成安全功能的机器人，如力限制末端执行器和先进的视觉系统，以在电子装配线上实现安全协作。日本对质量和精度的强烈重视需要高安全标准。

物流与仓储（美国）： 亚马逊和其他大型物流公司正在其仓库中部署 AGV 和自主移动机器人（AMR），利用先进的导航系统和接近传感器来防止碰撞并确保工人安全。他们还投资于工人培训计划，以促进与机器人的安全互动。

食品加工（丹麦）： 丹麦的公司正在使用协作机器人进行包装和质量控制等任务，实施严格的卫生规程和安全措施，以防止污染并确保工人安全。丹麦对可持续性和工人福祉的关注推动了高安全标准。

航空航天（法国）： 空中客车和其他航空航天公司正在使用机器人进行钻孔和喷漆等任务，实施先进的安全系统和监控技术，以防止事故并确保工人安全。航空航天业的严格要求需要全面的安全措施。

结论

确保人机交互的安全不仅仅是一个技术挑战，更是一个需要采取整体方法的多方面努力。从遵守国际标准、进行彻底的风险评估，到为安全而设计、提供全面的培训以及拥抱技术进步，每个方面都在创建一个安全高效的协作环境中扮演着至关重要的角色。随着机器人越来越多地融入全球劳动力，优先考虑安全对于培养信任、提高生产力以及塑造一个人与机器人可以和谐共事的未来至关重要。

通过拥抱这些原则并培养安全文化，全球各地的组织可以释放 HRI 的全部潜力，同时保障其劳动力的福祉。这种积极主动的方法不仅可以降低风险，还为协作机器人时代的持续增长和创新奠定了基础。