ISO 18646-42021 机器人学.服务机器人的性能标准和相关试验方法.第4部分下背部支撑机器人标准立项发展报告

机器人学服务机器人的性能标准和相关试验方法第4部分：下背部支撑机器人标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Robotics—PerformanceCriteriaandRelatedTestMethodsforServiceRobots—Part4:Lower-backSupportRobots摘要随着全球人口老龄化进程加快以及职业健康保护意识不断提升，下背部支撑机器人在医疗康复、老年照护、工业辅助作业等领域的应用需求快速增长。然而，由于缺乏统一的国际性能评价标准和试验方法，该类产品的质量评估、市场准入和国际流通面临显著障碍。在此背景下，国际标准化组织（ISO）于2021年8月正式发布ISO18646-4:2021《机器人学服务机器人的性能标准和相关试验方法第4部分：下背部支撑机器人》，填补了下背部支撑机器人国际标准领域的空白。本标准规定了该类机器人的性能指标定义、试验条件、测试方法及结果报告要求，涵盖负载能力、运动精度、控制稳定性、安全性及舒适性等核心评价维度，为制造商、检测机构和用户提供了统一的技术依据。本报告系统梳理了该标准的立项背景、编制历程、核心技术内容及产业应用价值，并对其未来发展方向进行展望，以期为我国相关国家标准和行业标准的制修订工作提供参考。关键词：服务机器人；下背部支撑机器人；性能标准；试验方法；ISO18646；标准化Keywords:Servicerobots;Lower-backsupportrobots;Performancecriteria;Testmethods;ISO18646;Standardization一、引言1.1研究背景下背部支撑机器人（Lower-backsupportrobots）是一类穿戴式或辅助型服务机器人，主要功能是通过机械结构、驱动系统和智能控制算法，为使用者的腰背部提供主动或被动的支撑力量，以减轻腰部负荷、辅助姿态维持或配合康复训练。近年来，该类机器人在三个主要领域展现出广阔的应用前景：其一，在医疗康复领域，用于腰椎术后康复训练、慢性腰痛的辅助治疗以及脊髓损伤患者的功能代偿；其二，在养老照护领域，为失能或半失能老年人提供起身、转移和行走辅助；其三，在工业制造和物流领域，为搬运作业人员提供腰部助力。根据国际机器人联合会（IFR）的统计，2020年全球服务机器人市场规模已达到约190亿美元，其中物理辅助类机器人增速尤为显著。然而，与产业快速发展形成鲜明对比的是，下背部支撑机器人的国际标准长期处于空白状态。由于缺乏统一的性能评价方法和试验流程，不同制造商生产的产品在性能指标的定义、测试条件和结果表达方式上存在显著差异，导致用户难以进行横向比较，监管部门缺乏有效的技术依据，国际贸易中亦频发技术壁垒纠纷。这一标准化缺口的形成，一方面源于该产品涉及机械工程、电子控制、人体工效学、康复医学等多学科交叉，技术指标设定难度较大；另一方面也与其临床应用场景复杂、个体差异明显等特殊性密切相关。1.2标准立项的必要性从产业发展角度，制定统一的下背部支撑机器人性能标准，有助于建立公平的市场竞争环境，引导企业通过技术创新提升产品质量。从用户保护角度，标准化的试验方法能够确保产品性能的客观性和可重复性，为医疗机构采购和患者选用提供可靠依据。从国际贸易角度，国际标准的制定将有效消除各国因技术规范差异而形成的非关税壁垒，促进产品和技术的跨国流通。二、标准立项基础与编制历程2.1国内外标准化现状分析在ISO18646-4:2021发布之前，国际标准化领域对服务机器人的标准制定已取得一系列重要进展。ISO8373:2012对机器人术语进行了统一规范，明确了服务机器人的定义和分类体系。ISO13482:2014《机器人和机器人装置—个人护理机器人安全要求》针对物理辅助型机器人的安全性提出了基本要求，为下背部支撑机器人的安全设计提供了上位标准依据。在性能评价方面，ISO18646系列标准的制定工作于2014年正式启动，其中第1部分规定了服务机器人轮式locomotion性能的测试方法，第2部分主要针对导航性能的试验规程，第3部分则聚焦于操作型服务机器人的抓取与操控能力评价。然而，该系列标准至第3部分为止，均未涉及穿戴式物理辅助机器人的性能评价问题。在国内层面，我国已将服务机器人标准化工作纳入《国家机器人标准体系建设指南》的重点领域。GB/T33261-2016《服务机器人模块化设计总则》和GB/T36530-2018《个人护理机器人的安全要求》等国家标准相继发布实施，但针对下背部支撑类产品的专用性能标准尚属空白。中国《机器人产业发展规划（2016-2020年）》明确提出要加强机器人标准体系建设，推动优势特色技术转化为国际标准。2.2标准编制的主要阶段ISO18646-4的编制工作由ISO/TC299（机器人学技术委员会）下属的WG2（服务机器人工作组）牵头组织。标准编制工作大致经历了以下几个阶段：预研阶段（2017-2018年）：德国标准化协会（DIN）依托其在工业机器人和辅助技术领域的技术积累，于2017年向ISO/TC299提交新工作项目提案（NWIP），提议制定下背部支撑机器人的性能测试标准。该提案获得中国、日本、韩国、美国、法国等成员国积极响应。2018年，工作组完成对全球主要制造商在产产品技术特征的调研，收集了涵盖结构形式、驱动方式、传感器配置、控制策略等方面的基础数据，为标准技术框架的搭建提供了依据。草案编制阶段（2019-2020年）：工作组先后召开了六次线下工作会议和十余次线上技术讨论，围绕性能指标体系确立这一核心议题开展了多轮论证和验证试验。中国代表团在此期间积极参与文本讨论，将国内在穿戴式助行机器人检测技术方面的研究成果转化为标准条款建议。2020年5月，委员会草案（CD）形成并进入征求意见阶段。审定与发布阶段（2020-2021年）：国际标准草案（DIS）于2020年12月进行投票，各成员国共提出修改意见187条。工作组对全部意见进行了逐条处理和技术论证，最终于2021年4月通过最终国际标准草案（FDIS）投票，于2021年8月3日正式发布。2.3标准制定遵循的原则在标准编制过程中，工作组始终遵循以下核心原则：一是与人因工效学紧密结合，确保测试指标不仅反映机器本身的性能水平，更能体现人机交互场景下的实际使用效果；二是注重试验方法的可操作性和可重复性，尽可能采用标准化测试装置和规范化操作流程，减少人为因素对测试结果的影响；三是兼顾技术的先进性与普适性，指标体系的设计既涵盖当前主流产品的技术特征，又为未来技术迭代预留了接口空间。三、标准内容解读3.1标准的适用范围与定位ISO18646-4:2021明确规定了其适用范围为"通过穿戴式或接触式结构为使用者下背部提供支撑力或辅助力矩的电动服务机器人"。该范围界定具有三个明确的技术边界：第一，限定于电动驱动方式，将纯被动机械式腰部支撑装置排除在外；第二，限定于服务机器人范畴，与工业应用中固定工位的腰部助力设备相区别；第三，明确"下背部"为作用部位，区别于颈椎、肩部等其他人身部位的支持设备。对于标准的适用边界，其第4条明确规定本标准不适用于医疗用途的腰椎牵引治疗设备及手术辅助机器人，后者需遵循医疗器械领域的专项标准和法规要求。值得注意的是，本标准与ISO13482中的腰部型个人护理机器人（PhysicalAssistantRobot,PAR）安全要求形成互补关系：ISO13482侧重安全设计与风险评估，而ISO18646-4则聚焦于性能水平的度量与比较。3.2术语和定义标准在第3章中对以下关键术语进行了规范化定义：-下背部支撑机器人：通过穿戴式或接触式接口，在用户腰部或下背部施加可控支撑力或力矩的服务机器人系统。-额定辅助力：在制造商规定的正常工作条件和额定负载下，机器人能够在人体腰部矢状面内持续输出的最大辅助力值。-辅助力响应时间：从控制系统接收到辅助指令到实际输出力达到目标值的90%所需的时间。-运动跟随误差：在人机协同运动过程中，机器人关节实际运动轨迹与预期轨迹之间的最大偏差。-穿戴疲劳指数：反映操作者在连续使用特定时长后主观疲劳程度的综合指标。这些术语定义统一了行业内长期以来存在分歧的概念表述，为后续技术指标的测试与比较奠定了基础。3.3性能指标体系标准构建了一个涵盖六大维度的性能指标体系，具体如下：3.3.1力输出性能力输出性能是衡量下背部支撑机器人核心功能的技术指标，标准中规定了额定辅助力的测试方法——使用标准化假人模型，在模拟人体腰部运动的状态下，通过安装于机器人支撑末端与假人腰部之间的六维力/力矩传感器进行测量。测试要求在额定电压、额定负载条件下，分别在静态保持、匀速运动和动态加减速三种模式下采集数据，最终取稳定阶段的有效平均值。与此同时，标准还规定了辅助力的控制精度要求，即在稳态输出阶段，实际输出力相对于目标指令值的偏差不应超过设定值的±5%。3.3.2运动性能运动性能的评价维度主要包括运动范围、运动速度、运动跟随精度和响应延迟。其中运动跟随精度测试使用运动捕捉系统对机器人关键点轨迹进行记录，将实际轨迹与理论轨迹通过ICP算法进行配准后计算均方根误差。响应时间测试则通过模拟人体突然发力或改变运动方向等工况，记录系统从感知到动作输出之间的延迟时间。3.3.3人机交互性能该项指标关注的是机器人在实际使用中对人体运动意图的识别和响应能力，包含交互力感知灵敏度、意图识别正确率和交互柔顺性三项指标。试验方法选定的测试对象须具有代表性，要求在受试者不知情情况下进行运动意图变更的操作，通过分析机器人输出力的变化和延迟来量化其交互性能。3.3.4安全性能安全性能指标对接ISO13482的安全理念，包括机械安全、电气安全和热安全三个层面。标准要求产品须通过限位保护测试、过载保护测试、急停功能测试、绝缘耐压测试和表面温度测试等专项试验。其中，急停功能测试要求在机器人满负荷运行状态下触发急停指令，机器人停止运动的时间不得超过0.5秒。3.3.5环境适应性环境适应性测试覆盖高温（+40℃）、低温（0℃）、高湿（93%RH）和粉尘环境等四种典型工况。在各项环境试验后，需重新测试机器人的基本力输出性能，性能衰减不得超过初始值的10%。3.3.6耐久性能耐久性试验采用加速寿命试验方法，在模拟典型使用工况条件下进行不少于500小时的连续运行测试，试验后关键零部件不得出现影响正常功能的磨损、变形或疲劳损伤。3.4试验条件与结果表达为保证测试结果的一致性和可重复性，标准对试验条件做了严格规定：试验环境温度要求控制在23℃±2℃，相对湿度为50%±10%；测试所用假人模型须符合ISO13482规定的尺寸和质量分布要求，或使用ASIS（髂前上棘）标志点定位的定制化测试工装。标准在试验结果报告方面采用了分级评定的思路——将各项性能指标的检测结果分为三个等级（A级：超过基准指标20%以上；B级：达到基准指标要求；C级：未达到基准指标要求），从而为不同应用场景的用户选择合适的设备提供简化参考依据。四、标准的主要创新点及影响4.1填补国际标准空白，建立评价基准ISO18646-4是国际上首部针对下背部支撑机器人的专项性能标准和试验方法标准。在此之前，该类产品的性能评价通常参照工业机器人的精度检测方法或按摩器械的安全标准进行，方法适用性差、结果可比性低。本标准的发布填补了这一关键空白，建立了全球统一的评价基准，使制造商在产品研发中有了明确的目标指标，使第三方检测机构有了规范的测试依据。4.2精密化与人因评价并重的指标体系构建不同于传统工业机器人标准中对定位精度和重复精度等几何指标的侧重，ISO18646-4将"人体适配性"和"交互体验"放在突出位置。例如，运动跟随误差指标的设置，直接反映了机器人在人机协同运动中能否实现自然、即时的响应；穿戴疲劳指数的引入，更是首次将人因工程的主观评价纳入服务机器人性能标准的客观测试框架之中。这也是服务机器人标准化从"机器中心"向"人机融合"理念转变的重要标志。4.3对产业和国际贸易的积极影响该标准的实施将有效促进下背部支撑机器人市场的规范化发展。对于制造商而言，统一的标准可以降低因多种评价体系并存而产生的重复测试成本，缩短产品进入不同国家市场的时间。对于采购方（如医院、养老机构、制造企业）而言，标准提供了客观的横向比较依据，有助于做出更为科学合理的采购决策。在贸易层面，该标准为消除技术性贸易壁垒奠定了基础。4.4对中国相关标准化工作的启示五、主要起草单位简介ISO18646-4:2021的制定工作由国际标准化组织ISO/TC299（机器人学技术委员会）归口管理，德国标准化学会（DIN）承担了秘书处工作，并牵头组织标准草案的编制。其中，德国弗劳恩霍夫生产技术与自动化研究所（FraunhoferIPA）作为标准编制的核心技术支撑单位和主要起草机构之一，发挥了不可替代的技术引领作用。FraunhoferIPA成立于1959年，是欧洲最大的应用研究机构——弗劳恩霍夫应用研究促进协会下属的60余个研究所之一，总部位于德国斯图加特。该所在机器人技术领域拥有超过50年的研究积累，现有科研人员约1100人，年度研究经费逾8000万欧元。在服务机器人和人机交互技术方向，FraunhoferIPA设有专门的"机器人系统和辅助技术"研究部门，长期承担德国联邦教育与研究部（BMBF）和欧盟"地平线2020"框架下的人机协作和康复机器人研究项目。在ISO18646-4的制定过程中，FraunhoferIPA承担了三项核心工作：一是基于其自主开发的模块化辅助机器人测试平台，完成了标准中力输出性能及运动跟随精度等关键指标的多轮验证性试验，为指标限值的确定提供了实验数据支撑；二是牵头起草了标准中"试验条件"和"测试装置"两个核心技术章节，将其在精密测量领域的经验融入标准文本；三是协调组织了德国、中国、日本、韩国等成员国的实验室间比对试验（round-robintest），验证了标准所提出的试验方法在跨实验室条件下的可重复性和复现性。这些工作确保了标准技术内容的科学性、严谨性和可操作性。六、结论与展望ISO18646-4:2021的发布实施，是服务机器人标准化进程中的一个重要里程碑。该标准率先构建了下背部支撑机器人的系统性性能评价框架，首次将力输出、运动跟随、人机交互等人机融合特征纳入标准化度量的范畴，为产品研发、质量检验和市场准入提供了国际公认的技术依据。其技术体系和编制方法对后续服务机器人乃至康复机器人其他类别产品的标准制定具有重要的示范效应。展望未来，本标准的深入推广和持续完善将沿着以下方向展开：第一，随着机器人感知与控制技术的快速迭代，标准中关于人机交互性能的指标体系需要持续修订和扩充，例如引入基于表面肌电信号（sEMG）的生理信号评价方法等前沿手段；第二，当前标准以单个机器人为评价对象，尚未充分考虑多机协同或多模态融合场景下的性能评价需求，相关研究亟需跟进；第三，推动本国际标准在中国等主要市场国家的转化采用，是充分发挥其产业价值的当务之急——全国机器人标准化技术委员会应加快对口国际标准的采标进程，同时结合中国人体特征和使用场景的实际情况编制配套技术文件；第四，标准实施效果的跟踪评估机制应同步建立，通过收集检测机构、制造商和用户的反馈意见，为标准的后续修订提供实证支撑。参考文献[1]ISO18646-4:2021,Robotics—Performancecriteri