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IEC TR 63065：工业自动化——协作机器人功能安全
无固定防护栏人机协作的安全要求和风险评估框架
IEC TR 63065 针对在没有固定防护栏的情况下与人类工人协作的协作机器人（cobot）系统，提出了特定的功能安全要求。作为技术报告，它为将 ISO 13849 和 IEC 62061 安全标准应用于协作应用提供了指导，同时解决了人机交互中产生的独特风险场景。该文件涵盖了 ISO 10218-2 定义的四种协作操作模式：安全额定监控停止、手引导、速度和距离监控以及功率和力限制。
与传统工业机器人被限制在安全笼中不同，协作机器人必须通过固有设计而非仅仅依靠防护装置来达到可接受的风险水平。IEC TR 63065 为这种范式转变提供了框架。
人机协作的风险评估
该标准引入了一套适用于协作工作空间的系统化风险评估方法。工程师必须评估传统危害（挤压、剪切、卷入）以及特定于应用的额外风险，例如手引导操作过程中的瞬态接触力、工具更换期间的意外机器人启动，以及重复性协作任务带来的累积性损伤。IEC 62061 的风险图方法扩展了协作特定参数：接触速度、夹持距离、运动部件的能量和操作员培训水平。每个安全功能所需的性能等级（PL）通过结合这些参数与严重程度、暴露频率和避免可能性来确定。
| 协作模式 | 主要危害 | 所需PL等级 | 典型安全措施 |
|---|---|---|---|
| 安全额定监控停止 | 操作员进入时意外机器人运动 | PL d（ISO 13849-1） | 双通道安全PLC、冗余接触器 |
| 手引导 | 机器人手臂与环境之间的挤压 | PL d | 带3位开关的使能装置、限制速度<250 mm/s |
| 速度与距离监控 | 意外运动的撞击 | PL c – PL d | 安全额定激光扫描仪、视觉系统、最小分离距离 |
| 功率与力限制 | 瞬态冲击或夹持伤害 | PL c | 力/力矩传感、圆角设计、串联弹性执行器 |
协作机器人单元设计中的一个常见陷阱是认为仅靠功率和力限制就能适用于所有应用。当协作机器人处理锋利或重型工具时，风险可能升级到超出 PL c 所能缓解的范围，需要额外的防护装置或重新分类到不同的协作模式。
协作机器人安全系统的工程设计洞见
设计经过安全认证的协作机器人单元涉及几个关键的工程决策。首先，安全控制器架构的选择很重要：安全额定 PLC 为复杂逻辑提供了灵活性，而硬接线安全继电器电路对于简单的急停和防护监控功能提供了更高的可靠性。其次，速度和距离监控（SSM）需要对机器人和操作员的位置进行精确估计。标准建议使用多个异构传感器——将激光扫描仪与基于视觉的人员跟踪相结合——以达到所需的 PL d 可靠性，同时最大限度地减少降低生产效率的误停。第三，对于功率和力限制（PFL）应用，必须严格遵守 ISO/TS 15066 中规定的人体生物力学限制。这些限值针对不同身体部位有所不同，取决于接触是瞬态（冲击）还是准静态（夹持）。工程师必须在调试期间通过仿真和物理力测量来验证 PFL 性能。
实施 IEC TR 63065 指南的现代协作机器人单元与传统围栏机器人单元相比，设备综合效率（OEE）提高了高达 40%，同时保持了同等的安全性能。
验证与确认要求
标准要求全面的验证与确认（V&V）流程。验证确认安全功能按照安全需求规范实施，而确认确认整体风险降低达到要求的水平。关键的 V&V 活动包括：（a）安全电路的故障注入测试；（b）在最不利载荷条件下测量停止距离和时间；（c）对 PFL 应用的每个身体区域进行力和压力测量；（d）验证分离距离计算，考虑机器人过冲、传感器响应时间和制动器磨损。
问1：协作机器人可以没有任何附加防护装置使用吗？
答：通常不可以。即使是功率和力限制型协作机器人也需要风险评估。如果风险评估识别出无法通过固有设计减少的危害，必须实施额外的防护装置（如光幕、压力敏感垫）或管理控制措施（如限制进入、培训）。
答：通常不可以。即使是功率和力限制型协作机器人也需要风险评估。如果风险评估识别出无法通过固有设计减少的危害，必须实施额外的防护装置（如光幕、压力敏感垫）或管理控制措施（如限制进入、培训）。
问2：手引导模式允许的最大速度是多少？
答：ISO 10218-1 规定协作操作期间手引导速度必须限制在 250 mm/s。如果风险评估表明通过其他措施保持了同等安全性，则可以使用更高速度。
答：ISO 10218-1 规定协作操作期间手引导速度必须限制在 250 mm/s。如果风险评估表明通过其他措施保持了同等安全性，则可以使用更高速度。
问3：SSM 模式的最小分离距离如何计算？
答：最小分离距离 S =（机器人速度 × 响应时间）+（操作员速度 × 响应时间）+ 侵入距离 + 安全裕度。标准参数假设操作员速度为 1.6 m/s，机器人停止时间包括制动器接合延迟。
答：最小分离距离 S =（机器人速度 × 响应时间）+（操作员速度 × 响应时间）+ 侵入距离 + 安全裕度。标准参数假设操作员速度为 1.6 m/s，机器人停止时间包括制动器接合延迟。
问4：IEC TR 63065 是否适用于移动协作机器人？
答：是的，该标准涉及移动协作机器人（带机械臂的自主移动机器人）。额外的危害包括车辆碰撞、倾翻和地面完整性。移动平台必须拥有自己满足 PL d 要求的安全额定控制系统，配备冗余制动和障碍物检测功能。
答：是的，该标准涉及移动协作机器人（带机械臂的自主移动机器人）。额外的危害包括车辆碰撞、倾翻和地面完整性。移动平台必须拥有自己满足 PL d 要求的安全额定控制系统，配备冗余制动和障碍物检测功能。
