机器人标准化的现状与挑战-优快云博客

工业活动

IEEE机器人与自动化杂志 • 2018年3月

致力于更优的机器人标准

作者：塔马斯·海德格尔

IEEE作为一个专业组织，有责任为技术的安全高效应用提供指导。传统上，标准意味着工业界和学术界的共识，现有产品和技术依据此共识被使用和连接。鉴于技术发展的快速步伐，已没有时间等待自发形成、自然演进的工业共识。因此，像IEEE标准协会这样的标准制定组织（SDO）发现自己处于一种不安的境地——不得不开始预测未来技术趋势以制定即将出台的标准。尽管这对参与这些工作的专家而言在专业上令人不适，但这同时也缩短了所制定标准的生命周期，并使其普遍接受程度变得更加不可预测。

IEEE机器人与自动化学会（RAS）在标准化方面已活跃了相当长一段时间，在RAS工业活动委员会内设有一个标准活动常设委员会[1]，该委员会开始参与基于本体论的更结构性的标准制定。这些标准可能更多用于解释其技术领域的现状，而非预测未来。因此，首个RAS标准（机器人与自动化本体论，IEEE 1872‐2015）[2]聚焦于该领域的通用本体框架，随后将制定更详细、特定领域的标准。为了实现本领域本体论的全面覆盖，人们发现还缺少另一层标准：即定义机器人的任务与任务执行。这项工作现在正在进行中。

正在根据机器人任务表示，P1872.1进行开发。另一个 notable 的例子是自主机器人（AuR）本体标准，P1872.2委员会的工作。该标准提供了一种统一的机器人任务知识表示方法，并提供了一组结构化于逻辑理论中的通用术语和定义，从而实现人类、机器人及其他人工系统之间的无歧义知识转移。它将现有的核心本体与草案或未来的子本体相连接。对任务及基于任务的机器人控制进行恰当的定义和实现，已成为实现先进人机交互的关键。统一的机器人任务表示方式还将有助于在同一机器人领域（例如工业机器人）以及不同机器人领域之间（例如工业机器人与服务机器人之间）的研究和开发工作中更大程度地重用任务知识。预计今年年底将完成第一稿。

认识到引导公众应对现代技术复杂挑战的重大责任，IEEE 发起了自主与智能系统伦理全球倡议[3]，其使命是“确保所有参与自主与智能系统设计和开发的利益相关者都能接受教育、培训，并有能力优先考虑伦理问题，从而推动这些技术造福人类”。

一系列伦理标准工作组（WGs）已启动，旨在为系统开发者制定准则。我们无法预测这些研究和开发过程的直接结果的时代。这是一个前瞻性的大胆举措，其首个具体成果是技术报告《Ethically Aligned Design: A Vision for Prioritizing Human Well-being with Autonomous and Intelligent Systems》（第二版，2017年12月）[4]，旨在推动公众对这些议题的讨论，促进国家和全球政策的形成，并激励 P7000标准的制定[5]。

解决系统设计过程中伦理问题的模型流程设计，P7000，是 IEEE全球倡议下正在制定的主要伦理标准。“P7000概述了一种从项目初期开始识别和分析系统或软件程序潜在伦理问题的方法。基于价值的系统设计方法在开发的每个阶段都考虑伦理因素，以帮助避免负面的意外后果，同时促进创新。” 最近，在奥地利维也纳举行首次面对面会议后，工作组设立了多个小组，专注于伦理设计的特定方面，例如伦理原则、可控性、过程可观察性、风险管理、价值识别和合规方法。目前已有可供公众意见的定义术语集，自主与智能系统伦理讨论术语表[6]。

机器人与自动化学会在IEEE全球倡议的最高层级中拥有代表席位，并且还深度参与P7000系列下的其他标准制定工作，尤其是自主系统的透明度，P7001[7]，该标准描述了可衡量、可测试的透明度级别，以便自主系统能够客观评估并确定合规水平。面向伦理驱动的机器人与自动化系统的本体标准，P7007[8]，提供了一组具有不同抽象层次的本体，其中包含建立机器人与自动化系统设计的伦理驱动方法论所需的概念、定义和公理。此外，面向机器人、智能与自主系统的伦理驱动助推标准，P7008[9]，旨在界定典型的助推（当前正在使用或可能创建的），其中包含建立和确保融合此类助推的机器人、智能与自主系统设计所需的伦理驱动方法论所必需的概念、功能和益处。由机器人、智能或自主系统展现的助推，被定义为旨在影响用户行为或情绪的公开或隐蔽的建议或操纵。

这些团体都向致力于此的志愿专家开放长期、可持续和人道主义的技术开发。与此同时，其他SDO正采取不同的方法，专注于基本安全和基本性能标准。最重要的是，国际标准化组织在技术委员会299内处理机器人标准，其当前的活动在以下文章《蓬勃发展的机器人标准化格局》中介绍，该文改编自IEEE标准教育电子杂志2017年12月刊（经许可转载）[10]。

蓬勃发展的机器人标准化格局

特奥·雅各布斯、扬·韦内曼、古尔温德·S·维尔克和塔马斯·海德格尔

机器人标准制定流程概述

自20世纪90年代初以来，标准制定组织（SDO）一直在发布机器人标准。然而，鉴于该领域发展速度前所未有，SDO面临巨大挑战，难以监管那些发展远超传统技术标准制定周期的新兴领域。首个IEEE机器人标准出台较晚（P1872，2015年），诞生于一个

国际机器人领域的标准化为新型机器人产品进入市场铺平了道路，有助于消除国际贸易中的技术壁垒，并促进市场增长。尽管安全标准是确立特定类型机器人产品的首要基础，通过降低用户的安全风险以及制造商的责任风险来帮助开拓新市场，其他标准有助于消除贸易壁垒，例如术语、坐标系、性能基准以及基于互操作性的模块化设计方面的标准。随着新兴机器人领域的迅速崛起，标准化工作也必须加快步伐。

随着（共享空间）机器人市场的持续增长，该领域对标准的需求也在不断上升。由于机器人设计和应用领域的多样性，现有及新开发的标准通常无法涵盖所有类型的机器人，而是局限于特定环境和机器人类型。标准的一个重要区分在于工业应用、医疗应用以及其他（非工业、非医疗、非军事）应用。本文介绍了国际标准化组织（ISO）/国际电工委员会（IEC）在机器人相关领域的标准化主要活动。
国际机器人领域的标准化为新型机器人产品进入市场铺平了道路，有助于消除国际贸易中的技术壁垒，并促进市场增长。尽管安全标准是确立特定类型机器人产品的首要基础，通过降低用户的安全风险以及制造商的责任风险来帮助开拓新市场，其他标准有助于消除贸易壁垒，例如术语、坐标系、性能基准以及基于互操作性的模块化设计方面的标准。随着新兴机器人领域的迅速崛起，标准化工作也必须加快步伐。

ISO/IEC机器人标准化活动

国际标准化组织（ISO）和技术委员会299（TC 299）负责机器人及相关设备的标准化工作。该委员会成立于2006年，旨在协调全球范围内的机器人标准制定。其工作范围涵盖工业机器人、服务机器人、医疗机器人和个人护理机器人等多个领域。ISO/TC 299下设多个分技术委员会和工作组，分别负责不同方面的标准制定，如安全要求、性能测试方法、通信协议和数据交换格式等。

IEC则通过其下属的TC 65（工业过程测量、控制和自动化）和TC 44（安全）等技术委员会参与机器人标准的制定。IEC的标准侧重于电气安全、电磁兼容性和控制系统可靠性等方面。ISO和IEC之间保持着紧密的合作关系，共同推进机器人领域的国际标准化进程。

安全标准

安全是机器人标准化中最受关注的方面之一。ISO 10218系列标准规定了工业机器人的安全要求，包括机械安全、电气安全和功能安全。该系列标准分为两部分：ISO 10218-1适用于机器人本体，ISO 10218-2适用于机器人系统集成。此外，ISO/TS 15066专门针对协作机器人（cobots）提出了额外的安全要求，明确了人机协作场景下的风险评估和防护措施。

IEC 61508是功能安全的基础标准，被广泛应用于机器人控制系统的安全设计中。基于此标准，IEC 62061进一步细化了机械安全相关电气/电子/可编程电子系统的要求。这些标准共同构成了机器人安全评估和认证的重要依据。

性能与测试标准

为了确保机器人产品的质量和一致性，性能与测试标准显得尤为重要。ISO 9283规定了工业机器人性能测试的方法，涵盖了定位精度、重复性、轨迹精度等多项关键指标。该标准为制造商提供了统一的测试框架，便于产品间的横向比较。

近年来，随着服务机器人和自主移动机器人（AMR）的发展，新的性能测试标准也在不断涌现。例如，ISO 18646系列标准针对服务机器人的导航能力、避障能力和任务执行能力制定了详细的测试规程。这些标准不仅有助于提升产品质量，也为用户选购和使用机器人提供了参考依据。

互操作性与通信标准

互操作性是实现机器人系统集成和协同作业的前提。OPC UA（Open Platform Communications Unified Architecture）作为一种跨平台的通信协议，已被广泛应用于工业自动化领域。IEC 62541标准定义了OPC UA的技术规范，支持设备间的数据交换和服务调用。在机器人领域，OPC UA被用来实现控制器与外围设备之间的无缝连接。

此外，ROS-Industrial（Robot Operating System Industrial）项目致力于将开源的ROS框架推广到工业环境中。该项目开发了一系列符合工业级要求的软件包和接口，促进了不同厂商机器人之间的互操作性。虽然ROS本身不属于正式的国际标准，但其影响力日益扩大，正在成为事实上的行业规范。

术语与数据模型标准

统一的术语和数据模型是促进技术交流和知识共享的基础。ISO 8373标准定义了机器人及相关术语，为全球范围内的技术沟通提供了共同的语言。该标准涵盖了从基本概念到具体应用的广泛内容，确保各方对关键术语的理解一致。

在数据模型方面，IEC 62784标准定义了自动化系统中信号与系统功能的表示方法。该标准采用图形化的方式描述系统结构和数据流，有助于提高系统设计的透明度和可维护性。对于复杂的机器人系统而言，这种标准化的数据建模方法能够显著降低集成难度。

标准化面临的挑战与未来方向

尽管机器人标准化取得了显著进展，但仍面临诸多挑战。首先是技术更新速度快于标准制定周期的问题。新兴技术如人工智能、边缘计算和5G通信正在深刻改变机器人系统的架构和功能，而现有标准往往难以及时跟进。其次是跨领域融合带来的复杂性。现代机器人系统涉及机械、电子、软件、感知和认知等多个学科，需要多方协作才能制定出全面且实用的标准。

未来，机器人标准化将更加注重开放性和灵活性。一方面，标准制定组织需要加强与产业界、学术界和用户的互动，吸纳更多利益相关方的意见；另一方面，应探索模块化和可扩展的标准架构，以适应快速变化的技术环境。此外，随着全球化进程的深入，国际合作将成为推动机器人标准化的关键力量。通过共享资源、协调立场和联合研发，各国可以共同应对挑战，加速技术创新和产业化进程。