4. 风险识别与评估基础

工业机器人的风险识别与评估，是确保机器人系统安全设计与安全使用的逻辑起点。ISO 10218系列标准（分为工业机器人本体安全要求与机器人应用系统安全要求两部分）并未孤立地定义安全措施，而是明确要求设计者和集成商遵循ISO 12100《机械安全——设计通则——风险评估与风险减小》所确立的迭代式风险评估流程。理解危险源辨识方法、掌握风险评估流程，并厘清ISO 12100与ISO 10218之间的衔接关系，是构建机器人安全防护体系的核心能力。本章将系统讲解危险源辨识的维度、风险评估的完整流程，以及两者在机器人场景中的具体应用与常见误区。

4.1 危险源辨识：从通用机械到机器人特有风险

4.1.1 核心原理：危险源辨识的系统性思维

危险源辨识是风险评估的第一步，其目标是穷举所有可能导致伤害的潜在来源。ISO 12100附录B提供了通用机械的危险源清单，涵盖机械危险、电气危险、热危险、噪声危险、振动危险、辐射危险、材料/物质危险、人体工效学危险以及环境危险等类别。然而，工业机器人具有区别于普通机械的显著特征：多自由度运动、高速高加速度、大惯量、可编程性、人机协同可能性，这些特征使得机器人系统的危险源辨识必须超越通用清单，结合ISO 10218-2附录A的特定危险源列表进行专项分析。

机器人系统的危险源辨识应覆盖全生命周期：运输与安装阶段（吊装、接线）、调试与编程阶段（示教器操作、手动运动）、正常运行阶段（自动循环、上下料）、维护保养阶段（进入防护空间、能量锁定）、以及拆除报废阶段。每个阶段面临的风险类型和暴露人群不同，需要分别辨识。

4.1.2 机器人系统主要危险源分类与辨识方法

下表归纳了机器人系统中最常见、最需要重点关注的危险源类别及其辨识要点：

危险源类别	具体表现形式	典型场景	辨识方法
机械危险——运动	机器人手臂运动轨迹范围内的撞击、挤压、剪切；末端执行器运动导致的冲击	机器人正常循环中与操作员身体接触；示教时手臂意外启动	运动轨迹仿真分析；现场围栏边界检查；示教模式速度限制验证
机械危险——夹点	机器人关节处（肘部、腕部）的挤压点；机器人本体与固定结构之间的间隙；末端执行器与工件之间的夹持点	操作员靠近机器人关节区域；工件装夹过程中手部位于夹爪行程内	几何间隙测量（<50mm或>500mm原则）；夹爪闭合力测试；手指/手掌模拟探针
危险能量	电能（高压伺服驱动、控制电路）；液压能（大型机器人液压驱动）；气压能（气动夹爪、气动平衡）；弹簧储能（制动器、平衡缸）	维护时未切断电源导致意外启动；液压管路破裂喷射；气动残余压力释放	能量锁定/标签（LOTO）程序审查；残余能量释放验证；储能元件标识检查
机器人特有——失控运动	程序错误导致意外轨迹；制动器失效导致手臂坠落；伺服失控导致飞车；奇异点附近速度突变	调试阶段程序逻辑错误；长时间运行后制动器磨损；电源恢复时机器人姿态异常	安全PLC监控功能验证；制动器定期测试；奇异点规避算法检查
机器人特有——协同风险	人机共享空间内的碰撞；机器人对操作员的压迫（静态力）；瞬态冲击（动态力）	协同作业中操作员进入机器人工作范围；手部引导编程时机器人响应异常	ISO/TS 15066力/压力限值测量；安全距离计算；速度与分离监控（SSM）验证
环境与工效学	噪声（伺服电机、减速器）；振动；照明不足；地面油污；机器人控制柜散热不良	多台机器人密集布置区域；长时间示教操作导致操作员疲劳	噪声测量（>80dB需防护）；人机工程评估；控制柜通风检查

4.1.3 案例拆解：焊接机器人工作站危险源辨识实战

背景与约束：某汽车零部件工厂新建一条焊接机器人工作站，包含2台六轴焊接机器人（负载16kg，最大臂展2.1m）、1台变位机、1套气动夹紧装置。生产节拍要求85秒/件，操作员负责上下料，机器人负责焊接。工厂安全部门要求进行全面的危险源辨识与风险评估。

初始辨识结果（节选）：

1. 夹点危险：变位机旋转范围与机器人基座之间间隙约80mm，操作员在调整工件时可能将手臂伸入该间隙；机器人第3关节（肘部）在特定姿态下与变位机支撑柱间隙仅45mm。
2. 危险能量：气动夹紧装置在断电后可能因残余气压意外松开，导致工件坠落；焊接电源（380V）电缆在机器人运动范围内存在磨损风险。
3. 运动危险：机器人焊接轨迹经过操作员上下料站位上方，若操作员未等机器人完全停止即进入，存在碰撞风险。
4. 热/辐射危险：焊接飞溅可能溅落到操作员手臂；焊接弧光对眼睛的伤害。

分析判断过程：针对夹点危险，测量实际间隙尺寸，对照ISO 13854《机械安全——避免人体部位挤压的最小间隙》标准，确认80mm间隙可容纳手指（最小间隙要求≥25mm）但不足以容纳手掌（手掌最小间隙要求≥100mm），因此判定为中等风险。针对气动残余能量，查阅气路图确认夹紧气缸未安装单向节流阀和残压释放阀，判定为高风险。

风险减小措施：

• 在变位机与机器人基座之间安装固定防护板，消除80mm间隙；对机器人肘部区域设置软质防护套并张贴警示标识。
• 在气动回路中增加双联电磁阀+残压释放阀，确保断电后气缸自动泄压；在操作面板增加压力表显示。
• 将安全光幕安装在机器人工作范围边界，光幕触发后机器人立即进入安全停止（STO）状态；光幕复位需手动确认。
• 为操作员配备焊接面罩和防飞溅护臂；在上下料工位安装弧光防护屏。

结果对比与复盘：措施实施后重新评估，所有高风险项降至可接受水平（风险等级从“高风险”降至“低风险”）。复盘发现，初次辨识时遗漏了“变位机与机器人协同运动时的合成速度”这一危险源——当两者同时运动时，相对速度叠加导致碰撞能量增大。后续通过运动仿真软件进行了联合轨迹分析，补充了安全距离计算。

4.2 风险评估流程：ISO 12100的迭代方法论

4.2.1 核心原理：风险组成要素与评估逻辑

ISO 12100将风险定义为“伤害发生的概率和伤害的严重程度的组合”。具体而言，风险评估需要量化三个关键参数：

• 伤害严重度（S）：从轻微擦伤（S1）到死亡或不可逆伤害（S2）的等级划分。
• 暴露于危险中的频率和持续时间（F）：操作员是偶尔进入（F1）还是频繁持续暴露（F2）。
• 避免或限制伤害的可能性（P）：能否通过警觉、反应速度或防护装置避免伤害（P1可避免，P2难以避免）。

风险等级通常通过风险矩阵或风险图进行半定量评估。ISO 12100强调风险评估是一个迭代过程：评估→风险减小→再评估，直至风险降低到可接受水平。这一过程不是线性的，而是循环往复的。

4.2.2 风险评估操作流程（六步法）

结合ISO 12100和机器人应用实践，风险评估可按以下六个步骤执行：

1. 确定机械的边界：包括使用边界（预期使用、合理可预见的误用）、空间边界（运动范围、安全距离）、时间边界（全生命周期各阶段）。
2. 危险源辨识：按4.1节方法系统识别所有潜在危险源。
3. 风险估计：对每个危险源，评估S、F、P三个参数，确定风险等级。
4. 风险评价：将估计的风险等级与可接受风险标准对比，判断是否需要进一步减小风险。
5. 风险减小：按“三步法”实施——本质安全设计→安全防护→使用信息。
6. 验证与记录：验证风险减小措施的有效性，记录评估过程和结果。

4.2.3 风险减小“三步法”在机器人系统中的具体应用

步骤	ISO 12100要求	机器人系统具体措施	典型示例
第一步：本质安全设计	通过设计消除或降低危险	限制关节运动范围（机械限位）；限制最大速度/加速度；选择低惯量材料；优化轨迹规划避免奇异点	在机器人第1轴安装机械挡块，将旋转范围限制在±170°以内，消除后方操作区碰撞风险
第二步：安全防护与补充保护	采用防护装置、安全装置降低风险	安全围栏+安全门联锁；安全光幕/激光扫描仪；双手控制装置；使能装置（示教器）；安全PLC监控	在机器人工作区域四周安装2m高围栏，安全门配置电磁锁+安全开关，门开启时机器人进入安全停止
第三步：使用信息	通过警示、培训、PPE告知残余风险	操作手册中的安全说明；机身警示标识（夹点、高压、热表面）；操作员培训；个人防护装备要求	在机器人控制柜和围栏入口张贴“进入前必须执行LOTO”警示牌；每年进行安全操作培训考核

4.3 ISO 10218与ISO 12100的衔接：从通用原则到机器人专项要求

4.3.1 衔接逻辑：通用标准与专用标准的层级关系

ISO 12100是A类标准（基础安全标准），提供适用于所有机械的风险评估通用原则。ISO 10218属于C类标准（专用机械安全标准），针对工业机器人提出具体的安全要求和措施。根据标准层级关系，C类标准的要求优先于A类标准，但C类标准的设计必须遵循A类标准的原则框架。具体衔接体现在：

• 风险评估流程的承接：ISO 10218-2第4章明确要求“机器人系统的设计者或集成商应按照ISO 12100进行风险评估”，并在此基础上增加机器人特有的危险源考虑。
• 安全控制性能的量化：ISO 12100提出风险减小的目标，而ISO 10218-1/2进一步要求安全相关控制系统达到特定的性能等级（PLr），依据ISO 13849-1进行设计验证。
• 协同作业的专项规定：ISO 10218-1第5.10条和ISO 10218-2第5.11条对协同作业提出了四种模式（安全监控停止、手引导、速度与分离监控、功率与力限制），这些模式的选择和参数设定必须基于ISO 12100风险评估的结果。

4.3.2 衔接中的关键决策点

在实际工程中，风险评估与ISO 10218的衔接存在几个关键决策点，直接影响安全方案的架构：

1. 风险等级→性能等级（PLr）的映射：根据风险评估得出的风险等级，查ISO 13849-1风险图确定所需性能等级（PLr从a到e）。例如，机器人运动导致的严重伤害（S2）+频繁暴露（F2）+难以避免（P2）→ PLr = e（最高等级），要求安全PLC采用双通道冗余架构。
2. 安全防护装置的选择依据：风险评估结果决定采用固定围栏还是可拆卸防护装置。若评估显示操作员需要频繁进入（如每循环一次），则优先考虑安全光幕或激光扫描仪；若进入频率低（如每班一次），可采用安全门联锁。
3. 协同作业模式的选择：只有当风险评估显示机器人本体和末端执行器在预期接触场景下满足ISO/TS 15066的力/压力限值时，才允许采用功率与力限制（PFL）模式。否则，必须选择安全监控停止（SMS）或速度与分离监控（SSM）模式。

4.3.3 案例拆解：风险评估驱动安全方案设计

背景与约束：某电子制造企业引入一台6轴协作机器人（负载5kg）用于PCB板螺丝锁付工位。机器人安装于开放式工作台，无围栏，操作员与机器人共享工作空间。企业希望实现人机协同作业——操作员负责放置PCB板，机器人自动锁付螺丝。节拍要求30秒/件。

初始风险评估：

• 危险源：机器人运动撞击（S2，F2，P2→PLr=e）；末端螺丝刀旋转伤害（S1，F1，P1→PLr=c）；工件夹持点夹手（S1，F2，P1→PLr=d）。
• 风险等级：运动撞击风险最高，需最高性能等级的安全控制系统。

方案设计过程：

1. 针对运动撞击风险，评估是否可采用功率与力限制（PFL）模式。查阅机器人规格书，确认其具备碰撞检测功能，但未提供ISO/TS 15066的力/压力限值认证数据。因此，不能直接采用PFL模式。
2. 选择速度与分离监控（SSM）模式：在机器人工作台安装激光扫描仪，设定安全距离（根据机器人停止距离+操作员反应距离计算，取1.2m）。当操作员进入扫描区域，机器人自动降速至≤250mm/s；当操作员距离小于0.5m时，机器人完全停止。
3. 针对螺丝刀旋转伤害，安装小型透明防护罩，防止手指接触旋转刀具。
4. 针对夹手风险，在夹爪上安装力传感器，夹持力限制在100N以下，并设置急停按钮。

结果与复盘：方案实施后，通过实际测量验证：激光扫描仪响应时间+机器人停止时间=0.6s，在最大速度下停止距离为0.35m，小于设定的安全距离1.2m，满足要求。复盘发现，初始评估时忽略了“操作员手持PCB板时手部可能进入机器人运动路径”这一场景，导致安全距离计算时未考虑操作员手部伸出的额外距离。后续通过增加扫描仪检测区域（向外扩展0.3m）解决了该问题。

4.4 常见误区与总结复盘

4.4.1 风险评估中的常见误区

误区	错误表现	正确做法
“清单式”评估	仅对照检查表打勾，未结合机器人实际应用场景分析	以检查表为线索，结合具体工艺、布局、人员行为进行情景化分析
忽略“合理可预见的误用”	只考虑正常操作，未考虑操作员为赶进度而绕过安全装置的行为	将“绕过安全装置”“短接安全开关”等行为纳入风险评估
风险评估一次完成	设计阶段评估后不再更新，未考虑后续工艺变更、机器人重新编程	建立风险评估的定期评审机制，任何变更后重新评估
混淆“安全防护”与“安全控制”	安装了安全光幕但未验证其安全功能（如光幕失效时机器人是否停止）	对安全相关控制系统进行PL验证，包括故障注入测试
忽视残余风险	风险减小措施实施后，未向操作员告知残余风险	在操作手册和现场标识中明确残余风险，并规定PPE要求

4.4.2 总结：风险评估与ISO 10218衔接的核心要点

本章的核心逻辑可以概括为：ISO 12100提供了“如何评估风险”的方法论，ISO 10218提供了“机器人系统必须满足什么安全要求”的底线。两者衔接的关键在于：

• 风险评估必须覆盖机器人全生命周期和所有可预见的操作场景，包括正常操作、示教、维护、故障处理。
• 风险减小的“三步法”在机器人系统中具有明确的优先级：优先通过软件限位、速度限制等本质安全设计降低风险；其次采用安全围栏、光幕、安全PLC等防护措施；最后通过培训、警示标识和PPE告知残余风险。
• 安全相关控制系统的性能等级（PLr）必须由风险评估结果推导，不能凭经验随意指定。PLr的验证需要依据ISO 13849-1进行，包括结构类别、MTTFd、DCavg、CCF等参数的计算。
• 协同作业是机器人风险评估中最复杂的场景，必须严格依据ISO/TS 15066的力/压力限值进行验证，不能仅凭“协作机器人”的标签就认定其安全。