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IEC 13873-04:2026 机器人 — 协作机器人 — 第4部分：人机协作应用的功能安全要求
深入理解协作机器人功能安全的技术规范与实施指南
随着工业生产向柔性化、智能化转型，协作机器人在制造、物流、医疗等领域的应用日益广泛。人机协作场景对安全性提出了更高要求，单纯依靠传统隔离防护已无法满足需求。IEC 13873-04:2026《机器人 — 协作机器人 — 第4部分：人机协作应用的功能安全要求》正是针对这一需求制定的核心标准。该标准由国际电工委员会（IEC）第44技术委员会（机械安全）与第62技术委员会（机器人）联合制定，为协作机器人系统的安全相关电气/电子/可编程电子控制系统提供了完整的功能安全框架和量化指标。
1. 标准概况与适用范围
IEC 13873-04:2026 是IEC 13873系列标准的第4部分，标准名称直译为“人机协作应用的功能安全要求”。该标准直接适用于协作机器人本体、末端执行器、控制系统以及安全相关装置的设计、集成和验证。
适用范围包括：
- 工业环境中使用的协作机器人系统（符合ISO 10218-1/-2的机器人单元）；
- 具有速度监控、力矩限制、功率限制、距离保持等协作模式的安全功能；
- 采用电气、电子或可编程电子技术的安全控制系统。
标准不适用于非工业协作机器人（如服务机器人、手术机器人），但相关原则可参考。该标准为2026年发布的最新版本，整合了ISO/TS 15066的实践经验并提升了安全完整性等级要求。
💡 实用提示： 标准明确了协作机器人必须满足的“安全功能最低性能等级”，建议制造商在产品开发初期即对照要求进行系统架构设计，避免后期重复修改。
2. 主要技术内容与要求
2.1 安全性能等级与安全完整性等级
标准要求所有安全相关控制系统必须根据IEC 61508或ISO 13849进行设计和评估。协作机器人典型的安全功能应至少达到以下目标：
| 安全功能 | 最低 SIL（IEC 61508） | 最低 PL（ISO 13849） | 最大响应时间 | PFHd 要求（1/h） |
|---|---|---|---|---|
| 急停（紧急停止） | SIL 3 | PL e | ≤50 ms | < 1×10⁻⁸ |
| 安全速度监控 | SIL 2 | PL d | ≤100 ms | < 1×10⁻⁷ |
| 力矩/力限制 | SIL 2 | PL d | ≤200 ms | < 1×10⁻⁷ |
| 功率限制 | SIL 2 | PL d | ≤200 ms | < 1×10⁻⁷ |
| 距离保持（虚拟围栏） | SIL 2 | PL d | ≤150 ms | < 1×10⁻⁷ |
⚠️ 重要注意事项： 上表为最低要求。若风险评估确定需更高级别，应按照IEC 61508-3选择SIL 3或PL e。此外，响应时间必须以实际应用中最坏场景为基准进行验证。
2.2 安全功能规范与测试
标准详细描述了每种安全功能的技术要求：
- 急停：必须为“硬接线”冗余关断，不允许仅依赖通信总线；测试时需施加模拟故障并验证输出状态。
- 速度监控：应至少使用两个独立传感器（如编码器和安全激光雷达），监控频率不低于1 kHz，并集成方向判断。
- 力矩限制：需同时考虑静态和动态力矩，在发生碰撞时必须在规定时间内降低至安全阈值以下。
标准还规定了验证和确认的框架：包括失效模式与影响分析（FMEA）、故障插入测试、软件验证（针对可编程电子系统）以及综合系统性能测试。
3. 实施要点与应用注意事项
在实际实施IEC 13873-04:2026时，建议按以下步骤进行：
- 风险评估（参照ISO 12100）：识别所有可预见的危险，确定所需的安全功能及其性能等级。
- 安全架构设计：选择符合SIL/PL的硬件和软件架构，确保冗余和诊断覆盖。
- 安全功能配置：根据标准表格选取参数（如响应时间、阈值），并写入安全控制器。
- 系统集成与验证：真实负载条件下测试所有安全功能，并用故障注入验证响应动作。
- 认证与文档：委托授权实验室进行型式试验，保存所有一致性证明文件。
✅ 标准实施的益处： 遵循IEC 13873-04 可帮助企业获得CE/FDA等国际认证，提升产品安全信誉，同时降低工伤事故风险，满足全球机器人安全法规的准入要求。
🚨 强制性要求： 所有贡献安全功能的电气/电子/可编程电子部件必须具备相应的安全完整性等级认证，不允许使用未经验证的商业元器件替代。这一要求是强制的，不满足即视为不符合标准。
4. 与其他标准的关系
IEC 13873-04:2026 不是孤立的标准，它与现有机器人及功能安全标准家族构成紧密的引用关系：
- ISO 10218-1/-2（机器人安全一般要求）：定义了协作机器人的基本安全设计原则，IEC 13873-04在此基础上细化电气控制的功能安全指标。
- IEC 61508（功能安全基础标准）：作为SIL等级定义的母标准，13873-04直接引用其风险评估与系统完整性方法。
- ISO 13849-1（机械安全控制系统安全相关部件）：用于非可编程系统的PL评估，13873-04兼容并明确了PLd作为协作模式的最低等级。
- IEC 62061（机械安全功能安全）：与IEC 61508对应，为机械领域专用，13873-04补充了机器人特定指标。
- ISO/TS 15066（协作机器人技术规范）：该技术报告提供了碰撞力/压力限制等生物力学数据，13873-04将其中部分内容升级为规范性要求。
建议标准使用者同时参考以上文件，形成完整的安全合规体系。
问： IEC 13873-04:2026 是否覆盖所有类型的协作机器人？
答： 主要面向工业环境下具有协作模式的机器人（如轻型机械臂、移动协作机器人）。对于手术机器人、个人护理机器人等特殊领域，需结合相应行业标准（如IEC 80601系列、ISO 13482）使用。标准的通用安全框架仍可参考。
答： 主要面向工业环境下具有协作模式的机器人（如轻型机械臂、移动协作机器人）。对于手术机器人、个人护理机器人等特殊领域，需结合相应行业标准（如IEC 80601系列、ISO 13482）使用。标准的通用安全框架仍可参考。
问： 答： 必须按照ISO 12100进行完整的风险评估，识别每种危险的严重度、暴露频率和避免可能性。根据IEC 61508-5或ISO 13849-1的风险图法或量化分析法，确定所需的性能等级。标准要求所有协作相关安全功能的最低等级不低于SIL 2/PL d，风险更高时需升级。
问： 答： ISO 10218侧重于机械结构和一般安全原则，对控制系统仅给出定性的SIL/PL要求。而IEC 13873-04明确定量了每种安全功能的PFHd、响应时间等指标，并增加了验证与确认的详细方法。可以理解为ISO 10218是顶层要求，13873-04是底层的可执行规范。
