1标准化，基准管理与监管
1.1. 概述
标准化和监管在系统开发和部署过程中有重要作用。标准对于确保产品和操作安全性，提供通用比较基础以及设定模块和系统之间互相操作的参数度非常重要。理想情况下标准应当是全球基础上协调一致的，但是局部变动是不可避免的，尤其是在快速发展的领域，如机器人。开发标准的目标是要努力确保监管过程及其依赖的标准保持与其努力塑造的基础技术发展的步调一致。
理解事实上的标准和正式标准之间的差异同样重要。在许多情况下，主导某些领域或应用领域的个别组织能够强制实施事实上的标准，比正式标准通过核准的速度要快。从欧洲的角度来看，事实标准常常由竞争对手推动，夺回主动权尤其是在欧洲目前占有优势的技术领域非常重要。
国际标准帮助开发和维护全球质量文化，设定国际市场可接受的最低要求水平。如果存在的话，这些国际标准，能推动货物在监管区域间自由流动。但事实上，测试和认证的局部变化，以及多个相似但具有竞争性的标准常常建立起了产品引入的壁垒。
新产品类型引入市场通常涉及到与解释和确定认证和批准过程的监管主体的对话。
基于质量的标准通过规定特定地域出售商品的最低标准，也可以当做是一项针对低品质或不安全产品的壁垒，例如，在欧洲的CE认证或在美国的UL认证。需要立法来建立一个适当的监管框架，以确保市场系统符合商定规则和法律。
标准是自愿性的，法规是强自行的。国际标准权重最大，例如由ISO（国际标准化组织；www.iso.org）或IEC（国际电工委员会；Hwww.iec.ch）。

1.2.  欧洲发展状况
在国际框架内，欧洲在通用标准化以及机器人标准化方便扮演重要角色。欧洲已经制定了大量EC指令，在重要领域例如安全方面被纳入法规。有些EC指令与以下领域相关：
•指令2001/95/EC: 通用产品安全指令。要求所有生产商只允许将安全的产品投放到市场上。
•指令2006/95/EC：低电压指令。为安全法规提供了广泛共同的目标，以使电气设备能够在所有欧盟国家接受使用。
•指令2004/108/EC: 电磁兼容指令。设定了所有可能干扰其他设备或被其他设备干扰的电气和电子设备的基本需求，该指令规定，结果必须是设备不能受到电磁干扰，以及其自身产生的干扰受到限制，不可使其他设备受到干扰。
•指令2006/42/EC:机械指令。这项指令是为了促进机械装置的设计，尽可能符合当前技术发展水平可达到的安全性。这项指令适用的机器一般定义为至少有一个运动部件的装置，包含驱动器、控制和动力回路。机械指令存在例外，通常由其他法规调控，以及主要风险是电气原点的机器（这种情况下，只适用低电压指令）。风险增加的机器（由于较高的功率、质量、速度等）必须经指定机构认证。迄今为止的大部分机器人已经被归类为机器，因此机器人安全标准设计必须符合此项指令。一个关键问题是如何在适当安全措施水平到位的情况下实现多种不同的人-机器人交互。
•指令2001/104/EC: 医疗器械指令。这与欧盟内医疗相关法律保持一致。这里需要注意的一个重要问题是医疗器械的定义如下：
•“所有仪器、设备、器具、软件、材料或其他物品，无论单独或组合使用，与任何附件，包括其制造商提供的软件，明确用于诊断和/或治疗目的而且对于其正确应用是必不可少的，制造商提供的用于人类以下目的：
诊断、预防、监控、治疗或减轻疾病，
诊断、监控、治疗、减轻或补偿损伤或残疾，研究、替换或修改解剖或生理过程。
控制妊娠，
•以及通过药理学、免疫学或代谢手段没有实现其在人体之内或之上主要意图行为，但是可能通过这种手段辅助其功能。”
•指令2009/48/EC: 玩具指令。这项指令根据玩具可能存在的各种危害分析确定了制造商需要执行的安全评价。包括化学、物理、机械、电气、可燃性、卫生和放射性危害的考虑，以及评估暴露于这些危害的可能性。有些玩具机器人存在，很显然需要受到这个指令调控。
医疗指令与辅助性和医疗机器人的开发特别相关。任何意在满足医疗需求的机器人必须作为医疗器械（根据这项“医疗器械指令”）受到调控。未来对此项指令进行扩展的计划已经宣布。意味着未来医疗机器人需要满足新的更加严格的要求。
这些EC指令形成了国家立法的法律基础，确保自由市场体系符合指令中明确提到的法律要求。产品与使用指令的一致性由“CE”标志表示。在这一背景下，安全性的EC标准也经历了一个“协调一致”的过程，意味着欧洲范围内使用的不同安全标准之间必须存在兼容性。
直到最近，仅有的国际机器人安全标准存在于ISO 10218（第一和第二部分），适用于工业机器人和机器人系统；众所周知工业机器人传统上的设计是与机器人分离操作的（在真实或虚拟的笼子中），而且因为安全考量已经禁止人-机器人协作。最近几年出现了开发协作模式的需求，但是缺乏用于人-机器人密切交互的安全标准一直是个障碍。同样问题出现在服务机器人上，它们从根本上就是设计允许人-机器人共存在同一时间同一空间之下，缺乏国际安全要求是一个重大的障碍。
2014年2月发布了ISO13482，作为协调一致个人护理机器人安全标准。个人护理机器人目标应用涉及人-机器人的紧密交互，以及人-机器人接触以提供大量的对人服务，改善生活品质。这是一项新的标准，制造商和认证机构需要熟悉这一标准以使新产品能够进入市场。
除了安全标准，其它类型的标准对全球市场的质量和成本有效性的保证非常重要。这方面的性能和互操作性的标准是最为重要的。

1.3.  欧洲的地位和对国际标准发展的贡献
欧洲在开发机器人标准的国际工作组中非常活跃。值得注意的是，少数欧盟国家目前参与其中，领域和机构类型的表现传播较差，尤其是几乎没有任何中小企业参与其中。中小企业通常是技术上最活跃的组织，而且很有可能受益于清晰的明确定义的相关标准，尤其是与安全性和模块接口相关的标准。参与的时间约束和成本可能是限制中小企业参与标准化的主要因素。寻找新的方法解决这一不足非常重要。
最近，欧洲的贡献是创建服务机器人模块化ISO工作组的关键因素。但是这一举措需要得到支持，因为这将使整个欧洲社会受益。

1.3.1  开发、销售和使用的壁垒
主要壁垒包括：
•缺少对整个科学和机器人界标准化问题的相关知识和关注（也在社会层面相关）
•缺少机器人特定的政治和监管驱动
•缺少研究和支持工业、中小企业和对环境性能、LCA、产品中3R问题、使用案例和原型的研究的协调行动
•缺少领域的明确理论和功能框架，因此利益相关者的需求和术语无法一致
•数量巨大的不同交互功能的机器人结构的
•跨研究/工业组织的硬件和软件模块的缺少可用性（或缺乏互操作性）

1.3.2  机器人国际标准化主要问题
下列标准类型（优先级排列）构成了目前国际标准化团体的重点：
•安全标准
•词汇标准
•性能标准
•互操作性（或模块）标准
随着机器人部署的增加，新市场得到开发，增加标准化重点领域的数量非常重要。以下被认为是标准化的候选项：
•不同机器人领域之间以及机器人和非机器人领域之间的界限/分类
•机器人复杂过程标准化
•人-机器人交互/协作标准化
•环境影响认证。

1.3.3  欧洲和国际合作
注意到标准化努力与研究领域的努力之间的重大联系很重要，他们之间互相支持和互补，达到在欧洲乃至全世界的影响最大化。事实上，制定标准的人身安全相关数据需要与机器人领域活跃的世界重点区域进行合作，作为新型服务机器人领域的进展促动器。为此，欧洲需要与中国、日本、韩国、美国紧密合作以确保结果可在全球接受，纳入新的安全性和基准管理标准。旨在鼓励印度和巴西等新兴国家参与的行为也是可取的（即使他们不符合欧盟投资要求）。

1.4.  标准化范围
以下提供了关于与下列问题有关的每个标准化领域的一些详细资料：
目前的发展和机遇
对关键技术就绪水平的贡献
未来机遇以及为何相关
发展壁垒
使用壁垒
与其他主题以及市场领域的关系
标准化进程中欧洲的定位及贡献
关键利益相关者
讨论将会继续，在本文的后续更新中将会阐释。

1.4.1  机器人安全性
对于工业机器人来说，传统的方法是使用真实或虚拟的笼子将机器人与人隔开，称为“安全防护区”。非接触式传感，也称为“电敏保护设备”（ESPE），用来检测一般意义上的人进入到机器人安全防护区内-尽管对于固定基机器人来说，也可以使用基于接触的传感方法（例如：安全垫和门开关）。如果检测到人必须发起保护性止损。传感R&D重点在于移除物理性安全壁垒，促进机器人-人在没有物理壁垒情况下的交互，强制使用更复杂的ESPE（如：光幕和光栅（IEC 61496-2））、激光扫描仪（IEC 61496-3）和安全摄像机（IEC 61496-4））来确保人的安全。最近的工业机器人安全标准更新（（ISO 10218-1和ISO 10218- 2）已引入了一种协作模式，其中协同操作定义为有目的性设计的机器人在定义的工作区内与人直接合作。确保安全的各种最小间隙和距离在ISO 13854，ISO13855和ISO 13857中可以看到。
工业协作机器人的物力学标准，根据“动力和力的限制”模式（见ISO10218-1，第5.10.5节）。作为结果，技术规范ISO/TS15066正在制定中，用来说明协同运作的基本形式。
安全标准化在以人为中心的环境中也也很重要。此类机器人应用需要对物理安全要求的标准化。
人机器人物理交互（HRI）的安全标准化与人和机器人的双向身体接触有关。这就提出了一项挑战，要确保所有接触是安全的，而且机器人不会对人造成任何形式伤害（电击、损伤等）。
关于服务机器人，机器人和人共享同一个工作区，WG7已经制定了新的标准ISO13482，2014年2月发布。这涵盖了会促进人-机器人更近距离的交互的个人护理机器人操作区的应用，包括以下：监控区、安全防护区、保护性止损区和限制区。人感知安全的问题仍然是一个重要主题。
对于医疗机器人，新的基本安全和性能标准可能会在未来3-5年内制定出，但是目前适用医疗电子设备适用的现有标准（IEC 60601）。机械安全和医疗器械安全的一项关键区别是，医疗器械有可能实行个人患者的风险-收益平衡，而安全性始终处在“绝对”水平。
人和机器（可能还有医疗器械）的协作会增长，可能会超出机器人范围。从这个角度出发，在ISO TC184/SC2/ WG7的领导之下启动了一个专门开发物理人机交互的通用标准的研究小组ISO技术委员会ISO/TC199。不仅会考虑到WG3工作涉及的健康成年工作者情况，也包括儿童、老年人、残疾人、孕妇等。这项工作将制定急需的人类安全数据相关规范，欧洲的研究和标准化活动对它的支持是非常重要的。

1.4.2 机器人词汇
协调并商定共同词汇对国际的标准化非常重要。这方面所有标准化活动的重点都放其自身领域重要术语的定义。至于机器人领域，许多术语已经达成一致，并在国际标准中发布，如ISO8373，ISO12100，ISO13482。
自2012年以来，IEEE机器人与自动化学会启动了“机器人和自动化本体”相关的标准工作。这项工作仍在进行中，其主要目标是在机器人/或人和机器人之间提供一种机器人可读形式的无缝无歧义的通信。

1.4.3  机器人性能基准管理
在“研究-开发-创新”的道路上，绩效评估和技术评价发挥了根本性作用。尽管科学和工程学科内的实验程序和方法论都已很成熟，机器人和认知领域的大部分当前最先进发展水平的方法、技术和系统仍然无法客观评价。目前的评价是主观性的，不适合对不同国家以及不同实验室的研究结果进行比较。需要能够表征和测量行为和行为组合的客观程序作为机器人标准化活动的科学基础。
因此，很显然基准管理和集成测试的理论基础、方法论和工具需要在领域内各层级进一步开发，从指定适当基准的关键挑战定义开始。初步努力（包括EURON优秀实验方法和基准管理特别关注组以及FP7资助的基准管理项目，如Rawseeds、euRathlon和RoCKIn）的成果提供了一个坚实的起点。

测试和基准管理的方法和指标
尽管目前RoCKIn和euRathlon竞赛的专项挑战包括基准管理，仍然没有研究结果复制相关的广泛共享程序。目前急需对技术评估加以改进，尤其是涉及到人的以及非结构环境的其他方面，以及评价多维度可用性。涉及到人的因素，人体工程学目前并未得到充分评估。诸如交互“学习曲线”或是用户的生物力学和心理压力有多少是取决于机器人交互涉及等因素没有正式的测量过程。交互的可用性和用户满意度、易用性和客观量测，所有这些都需要基准管理程序。另外也没有关于使用场景中人类可变性的指标，或是需要多少验证的评估方式，以及复杂度指标。产品功能验证方面，需要基准来检查自主的影响和有效性。

特别是加入产品中的自主性即能够提供附加价值，反过来也会创造验证和认证需求，其方式是产品由人类操作时所不需要的。这点重要，在有安全影响或可能存在立法甚至道德问题的应用中尤其重要。
在一定程度上，标准和基准的发展将会对整个系统评估有增量作用，正如在现有技术产品中一样。然而这背后是对传感、运动、自主、认知等，组成机器人系统的核心技术建立技术基准的需求。
很重要的一点是任何基准都要跨越不同领域，所以基准要具有实用性，而且要使用测试和认证的最佳实践。驱动因素是要创建通用标准，可使公司能够使用标准过程测试广泛范围内的产品，用于性能和终端产品一致性的循环验证设计。这一发展需要终端用户以及包括中小企业和创新者在内的产品和系统开发者的广泛参与。

现有的基准管理活动
现有的基准活动多在竞赛中进行，竞赛会设定出在给定的一个或一组场景下的性能目标。这已被证明是一种驱使系统集成和技术发展的有效过程，但是仅限于设定任务范围内。
基准需要用来例证标准，标准需要对基准管理的结果进行边编纂，反过来这种互动必须与技术发展保持步调一致，否者他们会变成只是简单记录已发生的事件。
最先进的基准管理标准可在工业机器人中看到，其中特定的属性用指标表示，例如“姿势精确度”、“定位超调”、“转弯偏差”等。ISO9283为这些基准指标提供了配套标准。
技术基准也有不同，尤其是感知和识别任务相关，基于抓握和运动的指标例如弗劳德数。同样，有许多竞赛定义了必须通过的标准环境，例如在W-Prize大赛中。

1.4.4  机器人模块化
机器人模块化标准的建立活动很大程度上是自上而下的。ISO机器人和机器人系统技术小组委员会（TC184/ SC2）已通过国际投票一致同意在这一领域成立一个工作组（WG10）。这可以看做是建立全球性开放市场的机会。IEC也建立了一个更针对产品领域的工作组（SMB/SG7），从事类似领域的工作。
自2005年以来，对象管理组织（OMG）一致在推动建立机器人中间件软件的标准。其领域任务小组定期召开会议，相关工作内容可以从网站http://robotics.omg.org/上了解到。
模块标准的设定对安全系统的设计也非常重要。目标是在设计过程中提供针对安全标准的设计自动检查。与安全标准的一致性的早期评估会降低产品开发成本和上市时间。扩展这类工具的使用范围或开发机器人程序使用的良好实践都需要进行更多的研究。
机器人标准化中的边界问题
边界或分类问题与词汇密切相关。此类标准词汇和机器人与机器人交互的交流语言高度相关，对适用于特定领域或应用的标准定义具有重要意义。举例来说，需要明确区分医疗和辅助机器人以确保依赖于这些定义的标准能够最大程度减少应用领域的灰色地带。同样，机器类别之间的区分也很重要，尤其是自主度。
复杂机器人过程的标准化
对复杂过程的描述进行标准化，会带来许多优势，尤其是使用替代技术和方法的不同产品之间实现一致性的能力，或可以促使通用过程共用子部件的附属标准得到定义。举例来说，一个复杂的过程涉及到生产特定表面光洁度的物体，它可能需要包括该表面光洁度所使用的标准，如在一个特殊表面卫生标准的附件中。
下列领域存在更多的机会：
描述复杂过程的标准（语言）（类似业务流程的BPMN）
复杂过程的分类
设定质量参考水平（可与基准管理研究或竞赛相结合）

1.4.5  人-机器人交互标准化
最重要的需要标准化的领域之一是物理性人机器人交互（pHRI），目的是要推动监管和认证。在pHRI中一个重要区别是直接和间接pHRI之间：前者，用户和机器人直接接触（如：人手触碰机器人的抓器），而后者的触碰是通过一个中间物体（如：在人和机器人之间移交工具）发生。为了执行此类行为，需要针对特定应用的环境感知度。在大多数情况下，执行这些类型的交互行为时，机器人要保持适当的安全系数。同样重要的是，用户必须能够了解机器人的行为，而且凭直觉可以正确知道下一个行为。这种情况下的pHRI相关标准，ISO 9241-920:2009和ISO 9241-910:2011适用于触觉交互。在极限情况下，可能需要在重要的安全要求和社会接受的交互之间实现一个平衡。人类可能需要学习与机器人的交互方式，不同于机器人和人的交互方式。
在人机器人安全交互（HRSI）的情况下，需要考虑到人与机器人的距离、速度、方向等空间约束，不论是移动平台还是静态基础的可移动部分（如：机器人手臂）。一般情况下，机器人与用户使用的共享空间应当由一组预期运动行为来规定，确保目标交互的安全性和有效性。其他交互模式可能也需要标准化，如语音通信、光和警告声、或机器人的特定手势或图形显示，尤其是在高风险或有害环境下。考虑到用户要求的文化和语言适应性分类（ISO/IEC TR  24785:2009）、基于手势的界面（ISO/IEC DIS  30113-1和ISO/IEC  CD  30113-11）以及语音命令（ISO/IEC  DIS  30122-1和 ISO/IEC DIS  30122-4）的相关标准也非常重要。对话原则相关的人体工程学标准（ISO  9241- 110:20060）也可以适用于HRI设计
机器人在以人类中心为中心的环境中存在，对安全性和互相之间舒适共存是一种挑战，尤其是后者不要危害到人的自然行为。HRI标准化需要考虑的一些重要问题如下：
回应人的存在，机器人空间行为标准化：尽管有大量的导航算法用于移动机器人，在许多社会情境下他们在接近人的时候常常表示出不合时机的运动行为，由于执行分段轨迹或安全机制的突然激活（如：避障），通常会有非常“不自然”的移动。标准化的方法和工具对机器人和人之间的空间交互形式化以及能够平衡安全和社会接受的HRSI的复杂机器人行为设计非常必要。
机器人在人类环境中噪声水平标准化：机器人作为机器产生的噪声是人-机器人交互的一部分，而且对不同环境类型下机器人的长期接受度有重要影响。对于工业环境，ISO 10218-2的改版将包括噪声限值的附件。
HRI感知标准化：机器人能够感知其所处环境和所有交互，品质足以满足执行任务的要求，这对有效的HRI来说非常重要。在这个方向上的标准化努力将改善并加速开发HRI应用。性能和基准管理方法也与这一问题有关。
HRI通用的高优先级命令标准化：定义一组交互机器人可识别的最少的通用命令集合，和一组所有机器人必须以高优先级执行的最少命令集合，这是很重要的一项目标。举例来说，是否应该存在可通用识别的关机命令？
与服务和介质类型相关的HRI接口标准化：尽管可能存在通用交互标准，仍然需要针对特定服务类型或特定用户应用领域的保准。这些标准要明确无歧义而且在不同应用领域之间要保持一致性，这一点很重要。
不同文化间手势的标准化：通过手势的HRI可能成为双向通信的有效形式。然而，手势在人-人交互中使用可以很大程度上跨越不同文化。因此，对约定惯例进行标准化以用于通过手势HRI也非常重要，可以在不同文化之间适用或至少很容易“翻译”。

1.4.6  机器人和机器人装置的环境影响和生命周期问题
商业家用机器人产品（如Roomba和类似家用设备）以及未来用于广大用户和家庭的产品（如：家庭援助机器人）将纳入WEEE（报废电子电器设备指令）规范要求。WEEE产品是在欧盟层级通过EU指令指导的国家法律的实施来进行监管。最近量产产品领域使用的3R方法（维修、再制造、再循环）备受关注，例如白色家电和汽车行业。3R是废物处理（如垃圾填埋）的替代方案。
鉴于机器人的复杂性而且有大量不同部件，一个类似方法可能可用于机器人产品。可以使用生命周期评价（LCA）来评估产品的环保性能。LCA在ISO 14040:2006环境管理-生命周期评价-原则和框架标准中有涉及。另外还有称为国际生命周期参考数据系统（ILCD）的欧洲手册可为LCA研究的实现提供指导。