机器人安全能力测试题目及答案解析

机器人安全能力测试题目及答案解析1.单选题（每题1分，共20分）1.1在ISO102181:2011中，对协作机器人（cobot）的“功率与力限制”要求，下列哪一项数值符合人体胸部区域瞬态接触阈值？A.80NB.120NC.150ND.180N答案：C解析：ISO102181:2011表A.3规定，胸部区域瞬态接触力阈值为150N，持续接触为80N。1.2某六轴工业机器人采用Cat3/PLd安全控制器，其安全回路中急停按钮回路电缆发生单点断路时，系统应进入的安全状态是：A.减速停机B.保持原速并报警C.立即切断电机动力电源D.降速至250mm/s答案：C解析：Cat3架构要求单点故障在下次安全功能调用前被检测并进入安全状态，急停触发必须立即切断动力。1.3依据GB/T16855.12018，若一个安全功能的MTTFd=150年，DC=90%，则其PFHd约为：A.1×10⁻⁷/hB.5×10⁻⁸/hC.2×10⁻⁶/hD.1×10⁻⁵/h答案：B解析：PFHd≈1/(2×MTTFd)×(1DC)=1/(2×150×8760)×0.1≈3.8×10⁻⁸/h，最接近5×10⁻⁸/h。1.4当使用安全激光扫描仪（Type3）作为区域防护时，其最小安全距离S计算中，附加距离C为：A.0mmB.100mmC.850mmD.2000mm答案：C解析：依据ISO13855，Type3光电保护装置在人体接近方向垂直安装时，C=850mm。1.5机器人安全围栏高度为1400mm，依据ISO13857，其防止人员从上方跨越的安全高度要求为：A.≥900mmB.≥1000mmC.≥1200mmD.≥1400mm答案：D解析：ISO13857表4，防止跨越的最低围栏高度为1400mm。1.6某协作机器人力控模式采用“准静态接触”模型，其胸部允许压强为：A.80N/cm²B.120N/cm²C.150N/cm²D.280N/cm²答案：C解析：ISO/TS15066表A.1，胸部准静态接触压强限值150N/cm²。1.7在ROS2中，若节点“/robot_motion”以besteffort策略发布“/joint_states”，当QoS历史深度为1时，以下哪项最可能导致安全监控节点丢失关键状态？A.网络带宽100MbpsB.发布频率1kHzC.订阅端使用keeplast1D.发布端使用reliable答案：C解析：besteffort+keeplast1在过载时直接丢弃旧数据，安全监控需reliable+keepall。1.8依据IEC615082，对SIL3系统执行ProofTest时，要求检测到的危险失效比例至少为：A.90%B.95%C.99%D.99.9%答案：C解析：SIL3的ProofTest覆盖率需≥99%。1.9当机器人末端执行器采用气动夹爪，其安全功能“夹爪失压检测”属于ISO138491中的：A.SRP/CSB.SRP/PSC.SRP/DSD.SRP/ES答案：A解析：SRP/CS（ControlSystem）涵盖失压检测。1.10在TÜV认证中，Cat4/PLe安全编码器单圈分辨率为16位，其安全通道与标准通道的差值报警阈通常设为：A.±1countB.±2countC.±8countD.±16count答案：B解析：PLe要求差值≤±2count触发安全动作。1.11若机器人系统采用“安全限速SLS=250mm/s”，当监测到TCP速度达252mm/s时，应：A.记录事件不动作B.报警并限速C.立即STOD.降速至50mm/s答案：C解析：SLS超限即触发STO（SafeTorqueOff）。1.12依据ANSI/RIAR15.0812020，移动机器人“安全停车”距离公式中，人体反应时间取：A.0.5sB.1.0sC.1.5sD.2.0s答案：B解析：R15.08默认人体反应时间1.0s。1.13当使用双通道安全继电器监控门开关时，其“交叉短路检测”依赖：A.冗余+差异监测B.单通道+熔断器C.光耦隔离D.软件CRC答案：A解析：双通道差异监测可识别交叉短路。1.14在机器人安全生命周期中，PHA阶段输出文件为：A.O&MRB.FSMPC.HAZOPD.PHR答案：D解析：PHA输出PreliminaryHazardReport（PHR）。1.15若机器人控制柜防护等级为IP54，其第二位数字“4”表示：A.防直径1mm固体B.防溅水C.防强烈喷水D.防短时浸水答案：B解析：IP54第二位4=防溅水。1.16当协作机器人采用“手引导”模式，其使能按钮释放后，机器人应在：A.0.5s内停止B.1s内停止C.2s内停止D.5s内停止答案：A解析：ISO102182要求手引导使能释放后≤0.5s停止。1.17某安全PLC采用1oo2D架构，其HFT为：A.0B.1C.2D.3答案：B解析：1oo2D提供1级硬件容错。1.18在ISO138491中，PLe对应的PFH范围是：A.10⁻⁵～10⁻⁶B.10⁻⁶～10⁻⁷C.10⁻⁷～10⁻⁸D.10⁻⁸～10⁻⁹答案：C解析：PLe：10⁻⁷～10⁻⁸/h。1.19当机器人系统采用“安全总线”FailsafeoverEtherCAT（FSoE），其周期冗余校验采用：A.CRC8B.CRC16C.CRC32D.MD5答案：B解析：FSoE使用CRC16。1.20若机器人末端激光工具出光功率为4W，依据IEC608251，其分类为：A.Class1B.Class2C.Class3BD.Class4答案：D解析：>0.5W连续激光属Class4。2.多选题（每题2分，共20分；多选少选均不得分）2.1以下哪些属于ISO102181规定的“本质安全设计”措施？A.降低质量B.倒角边缘C.安全围栏D.限位开关E.表面温升限值答案：A、B、E解析：C、D属“安全防护”而非本质设计。2.2在Cat3/PLd安全电路中，下列故障属于“常见失效模式”？A.继电器触点粘连B.电阻值漂移+10%C.光耦LED开路D.软件位翻转E.电缆短路24V答案：A、C、E解析：B未超限，D属系统故障。2.3协作机器人“功率与力限制”需同时监控：A.关节力矩B.末端速度C.底座惯性D.电机电流E.外壳温度答案：A、B、D解析：C、E不直接参与力限制。2.4以下哪些测试属于ISO138492附录A的“功能测试”？A.急停响应时间B.安全门开关循环C.电缆绝缘耐压D.安全PLC强制导通E.激光扫描仪遮挡答案：A、B、E解析：C属型式试验，D属故障插入。2.5当移动机器人使用“安全激光+安全触边”双区防护，下列组合可满足PLd？A.Type3激光+单通道触边B.Type3激光+双通道触边+差异监测C.Type2激光+双通道触边D.Type3激光+双通道触边+测试脉冲E.Type4激光+单通道触边答案：B、D解析：需冗余+监测。2.6在机器人安全验证阶段，需提供的文件包括：A.SISTEMA报告B.FMEAC.风险评估表D.安全电路图E.用户培训记录答案：A、B、D解析：C属设计阶段，E属运行。2.7下列哪些情况会触发“安全限速SLS”监控？A.人为误设速度350mm/sB.关节编码器漂移C.减速机润滑失效D.电机驱动器过热E.安全PLC重启答案：A、B解析：C、D、E不直接触发SLS。2.8依据IEC62061，SIL3系统要求：A.SFF≥99%B.HFT=1C.系统性能力SC3D.PFH<10⁻⁷/hE.冗余+诊断答案：B、C、E解析：A为旧版，D为PLe。2.9在机器人“安全复位”回路中，必须满足：A.故障清除B.手动确认C.自动重启D.区域清空检测E.伺服上电答案：A、B、D解析：禁止自动重启。2.10下列哪些属于“安全参数”需通过认证工具修改？A.SLS值B.最大关节速度C.IP地址D.安全PLC密码E.力限制阈值答案：A、B、E解析：C、D非安全参数。3.填空题（每空2分，共20分）3.1依据ISO13855，安全距离S=________×T+C，其中人体接近速度K取________mm/s。答案：(K×T)+C；1600解析：水平接近K=1600mm/s。3.2若机器人系统PLr=e，MTTFd=100年，DC=99%，则所需CCF得分至少为________分（ISO138491附录F）。答案：65解析：PLe需CCF≥65。3.3在FailsafeoverEtherCAT帧中，安全过程数据使用________字节进行CRC校验。答案：2解析：FSoE采用2字节CRC16。3.4当协作机器人采用“准静态接触”模型，胸部允许________N/cm²，接触面积最小________mm²。答案：150；1解析：ISO/TS15066表A.1。3.5依据ANSI/RIAR15.06，机器人“控制可靠”电路需满足________通道+________监测。答案：双；差异解析：Controlreliable=冗余+监测。3.6若安全激光扫描仪分辨率30mm，保护区域距地面高度400mm，则最小检测能力为________mm。答案：30解析：分辨率即最小检测。3.7在ISO102181中，机器人“紧急停机”类别为________类停机。答案：1解析：Category1=受控停机后断电。3.8当机器人末端执行器质量5kg，重心偏移100mm，则静态力矩为________Nm（g=9.81m/s²）。答案：4.905解析：5×9.81×0.1=4.905Nm。3.9依据IEC61508，系统性失效控制需满足________生命周期模型。答案：Vmodel解析：Vmodel覆盖需求到验证。3.10若安全PLC采用1oo2D架构，其SFF=99%，则剩余危险失效率约________/h。答案：1×10⁻⁷解析：SFF=99%→1%危险，PFH≈10⁻⁷。4.简答题（封闭型，每题5分，共20分）4.1简述ISO138491中“诊断覆盖率DC”与“共因失效CCF”区别。答案：DC衡量对危险失效的检测比例，通过自检、冗余比较实现；CCF衡量冗余通道因共同原因（如温度、EMI）同时失效的风险，通过得分表（分离、屏蔽、多样性）量化。4.2列出机器人“安全限速SLS”实现的三种传感器方案并比较优缺点。答案：1.双编码器：成本低，但减速机背隙影响精度；2.安全绝对值编码器+安全驱动器：精度高，认证复杂；3.外部安全激光测速：非接触，安装复杂，受反光影响。4.3说明“安全参数签名”在机器人系统中的目的与实现流程。答案：目的：防止未授权修改安全参数。流程：1.认证工具连接；2.输入密码+挑战码；3.工具生成签名写入；4.安全PLC验签后生效；5.记录审计日志。4.4解释“安全总线黑色通道”概念并给出FSoE实例。答案：黑色通道指安全协议在标准非安全物理层上运行，不依赖其完整性。FSoE帧嵌在标准EtherCAT帧，通过安全CRC+序列号+超时检测保证完整性，即使底层交换机非安全亦可。5.简答题（开放型，每题10分，共20分）5.1某工厂需将传统工业机器人改造为协作应用，负载10kg，作业范围1.2m，节拍要求≤30s。请给出完整安全升级方案，包括风险评估、硬件选型、安全功能、验证测试及成本估算。答案：1.风险评估：采用ISO12100，识别危险—撞击、夹压、激光；初始风险R=“高”。2.风险降低：选择Collaborativemode+功率力限制；PLr=e。3.硬件：力矩传感器关节+安全编码器+安全PLC（1oo2D）+Type3激光+双通道触边+安全皮肤。4.安全功能：SLS=250mm/s、SBC、STO、SDI、SEC。5.验证：依据ISO138492，执行1000次循环测试，PFH=5×10⁻⁸，CCF=75分，MTTFd=150年，DC=99%，满足PLe。6.成本：硬件约€45k，软件授权€5k，TÜV认证€10k，总计€60k，节拍28s满足。5.2讨论“AI视觉+安全”在移动机器人中的局限性，并提出达到PLd的架构。答案：局限：1.神经网络不可解释，无法通过确定性验证；2.对抗样本导致误检；3.训练数据偏差；4.实时性波动。架构：AI仅作“辅助分类”，安全采用Type3激光+双通道超声+安全PLC；AI输出经“安全监控层”比较，差异>5%触发STO；AI模型通过ISO138492附录D的“经验证的使用”路线，提供现场100万公里无事故数据+独立第三方评估，满足PLd。6.应用题（综合类，20分）6.1计算与分析（20分）某六轴协作机器人参数：负载m=5kg，末端速度v=300mm/s，最大加速度a=2m/s²；关节电机额定转矩τ=30Nm，减速比i=100，效率η=90%；安全功能：SLS=250mm/s，SBC=150mm，STO响应时间tSTO=50ms；工作空间内存在操作人员，胸部区域允许力150N，压强150N/cm²；地面