机器人安全用例与实施：护航未来安全

作者：Manoj Rajashekaraiah，首席工程师

摘要

在之前的文章“为机器人技术的未来发展筑牢安全防线：网络安全的作用”中，我们全面介绍了机器人控制系统面临的安全挑战。文章强调了遵守机器人行业安全标准的重要性，并探索了加强机器人控制系统保护所需的基本安全能力。此外，我们还展示了如何利用ADI公司的安全产品来实现特定的机器人安全用例。本文首先概述构成工业机器人/协作机器人的组件。值得注意的是，许多类似的组件也常用于自主移动机器(qì)人(rén)(AMR)和(hé)拾(shi)放(fàng)系(xì)统(tǒng)。随(suí)后(hòu)，我(wǒ)们(men)将(jiāng)探(tàn)讨(tǎo)各(gè)种(zhǒng)机(jī)器(qì)人(rén)安(ān)全用(yòng)例(lì)，展(zhǎn)示(shì)ADI的(de)安(ān)全产(chǎn)品(pǐn)如(rú)何(hé)简(jiǎn)化(huà)不(bù)同(tóng)机(jī)器(qì)人(rén)控(kòng)制(zhì)系(xì)统(tǒng)中(zhōng)安(ān)全机(jī)制(zhì)的(de)实(shí)现(xiàn)。

构(gòu)建(jiàn)安(ān)全的(de)机(jī)器(qì)人(rén)控(kòng)制(zhì)系(xì)统(tǒng)：关键技(jì)术(shù)能(néng)力(lì)和(hé)开(kāi)发(fā)方(fāng)法(fǎ)

为(wèi)了(le)更(gèng)好(hǎo)地(de)理(lǐ)解(jiě)实(shí)现(xiàn)安(ān)全机(jī)器(qì)人(rén)控(kòng)制(zhì)系(xì)统(tǒng)所(suǒ)需(xū)的(de)关键技(jì)术(shù)能(néng)力(lì)和(hé)技(jì)术(shù)，我(wǒ)们(men)在(zài)此(cǐ)重(zhòng)新(xīn)回(huí)顾(gù)上(shàng)一(yī)篇(piān)文章(zhāng)中(zhōng)的(de)相(xiāng)关内(nèi)容(róng)，其(qí)中(zhōng)包(bāo)括(kuò)：
u 安(ān)全认(rèn)证(zhèng)：集成(chéng)安(ān)全认(rèn)证(zhèng)器(qì)来(lái)验(yàn)证(zhèng)设(shè)备(bèi)/组(zǔ)件(jiàn)身(shēn)份(fèn)。
u 安(ān)全协(xié)处(chù)理(lǐ)器(qì)：利(lì)用(yòng)专(zhuān)用(yòng)硬(yìng)件(jiàn)实(shí)现(xiàn)安(ān)全存(cún)储(chǔ)和(hé)加(jiā)密(mì)操(cāo)作(zuò)。
u 安(ān)全通(tōng)信(xìn)：实(shí)施(shī)加(jiā)密(mì)协(xié)议(yì)以(yǐ)保(bǎo)护(hù)数(shù)据(jù)交(jiāo)换(huàn)。
u 访(fǎng)问(wèn)控(kòng)制(zhì)：实(shí)施(shī)细(xì)粒(lì)度(dù)权(quán)限(xiàn)管(guǎn)理(lǐ)机(jī)制(zhì)，防(fáng)止(zhǐ)未(wèi)经(jīng)授(shòu)权(quán)的(de)系(xì)统(tǒng)访(fǎng)问(wèn)。
u 物(wù)理(lǐ)安(ān)全措(cuò)施：采取措施防止物理篡改。
除了上述方面之外，系统开发人员还必须采用结构化的安全开发方法，包括需求收集、威胁建模、安全设计、实现、测试、认证和维护等环节。遵循安全开发生命周期(SDL)可确保从一开始就注重安全性。

工业机器人和协作机器人组件概述

图1显示了与工业机器人/协作机器人操作相关的典型组件。表1简要概述了不同的组件。

表1.工业机器人/协作机器人组件概述

图1.工业机器人/协作机器人的各个组件

机器人安全用例：利用ADI的专业能力和产品进行设计和实现

可信的PLC操作和网关保护

PLC和机器人控制器的结合能够为工厂自动化系统提供精准控制能力，实现对各种流程的精细控制。近年来，机器人技术不断进步，推动了拥有类似PLC功能的集成控制器的发展。确保PLC操作的可靠性和安全性，对于维护工厂自动化系统安全运行至关重要。参见图2。

图2.利用PLC保障安全

在PLC中使用MAXQ1065（采用ChipDNA®技术的超低功耗加密控制器，适用于嵌入式设备）等器件可支持以下用例：
注：ChipDNA技术利用电子元件的特性来生成安全的加密密钥。此密钥并非存储在内存或任何固定位置中，因此针对网络攻击的防护能力大大增强。
u 安全识别PLC模块并防止克隆。
u 安全引导和固件下载。
u PLC模块与PLC服务器之间采用非对称密钥相互认证。
u 通过ECDH密钥交换建立安全通信会话。
u 使用AES对网络数据包进行加密和解密。

节点直连云端的安全性

通过节点到云端的通信（见图3），机器人可以实现多种功能，例如远程监控、数据分析、软件更新等。确保节点和云端之间的通信安全至关重要。

图(tú)3.集成(chéng)MAXQ1065以(yǐ)实(shí)现(xiàn)节(jié)点(diǎn)直(zhí)连(lián)云(yún)端的安(ān)全性(xìng)

MAXQ1065能(néng)够(gòu)为(wèi)传(chuán)感(gǎn)器(qì)到(dào)云(yún)端(duān)和(hé)传(chuán)感(gǎn)器(qì)到网关的(de)通(tōng)信(xìn)提(tí)供(gōng)增(zēng)强(qiáng)的(de)安(ān)全功(gōng)能(néng)：
u 支(zhī)持(chí)实(shí)现(xiàn)传(chuán)输(shū)层(céng)安全(TLS)协议，确保安全加密的数据传输。TLS用于验证真实性和保护敏感信息，对于节点和云端之间的安全通信至关重要。
u 保障专有传感器到网关或节点到网关连接的通信安全。控制器通过支持密钥交换和数据加密来帮助建立受保护的通信通道，从而增强基于RF或其他专有协议的安全性。
u 提供其他安全功能，如节点认证、可信节点操作、安全引导和安全固件更新。这些功能通过验证节点身份、确保可信操作和防止未经授权的修改来增强系统安全性。

传感器数据保护

图4.传感器数据保护

u 静态数据可以利用ChipDNA技术进行加密。
u 传感器的关键校准数据或传感器配置信息可以存储在MAXQ1065的安全存储器中，防止数据被篡改或泄露。此外，这些数据能以加密方式(shì)存(cún)储(chǔ)在(zài)系(xì)统(tǒng)中(zhōng)。参(cān)见(jiàn)图(tú)4。

供(gōng)应(yīng)链(liàn)安(ān)全

供(gōng)应(yīng)链(liàn)安(ān)全的(de)范(fàn)畴(chóu)十(shí)分(fēn)广(guǎng)泛(fàn)。参(cān)见(jiàn)图(tú)5。
u 防(fáng)止(zhǐ)产(chǎn)品(pǐn)克隆（假冒）。
u 安全地管控基于软件的功能启用，防止IP丢失和收入损失。
u 验证硬件真实性。参见图6。
使用ADI的安全认证器可以轻松实现供应链安全。
u ADI的预编程认证器能够提供强大的防伪保护。
u 在设备/产品的整个生命周期内，安全的生命周期管理和密钥管理可确保资产(chǎn)始(shǐ)终(zhōng)安(ān)全。
u ADI的(de)认(rèn)证(zhèng)器(qì)支(zhī)持(chí)实(shí)现(xiàn)安(ān)全的(de)功(gōng)能(néng)启(qǐ)用(yòng)，保(bǎo)护(hù)宝(bǎo)贵(guì)的(de)知(zhī)识(shi)产(chǎn)权(quán)。

图(tú)5.使(shǐ)用(yòng)质(zhì)询(xún)和(hé)响(xiǎng)应(yīng)序(xù)列(liè)测(cè)试(shì)真(zhēn)实(shí)性(xìng)

图(tú)6.采用(yòng)DS28E01-100的(de)硬(yìng)件(jiàn)认(rèn)证(zhèng)示(shì)例

PLC到节点的通信安全

安全认证器有助于保障通信安全，例如PLC与执行器或传感器之间的通信，或是PLC与(yǔ)SCADA（监(jiān)视(shì)控(kòng)制(zhì)和(hé)数(shù)据(jù)采集）控(kòng)制(zhì)系(xì)统(tǒng)之(zhī)间(jiān)的(de)通(tōng)信(xìn)（认(rèn)证(zhèng)器(qì)在(zài)PLC中(zhōng)，而(ér)非(fēi)SCADA系(xì)统(tǒng)中(zhōng)）。它(tā)能(néng)帮(bāng)助(zhù)实(shí)现(xiàn)TLS协(xié)议(yì)，TLS是(shì)基于互联网协议的通信中广泛使用的传输层安全协议。

机器人的关节身份验证

在机器人中实施关节身份验证（见图7）可确保只有合法且授权的实体才能在机器人系统内部进行交互，从而显著增强整体安全性。这样做能够有效防止未经授权的访问，强化通信安全，提升系统整体的完整性和可靠性。

图7.关节身份验证

关****节安全引导

机器人的关节安全引导（见图8）为实现安全可信的操作环境提供了坚(jiān)实(shí)的(de)基(jī)础(chǔ)。它(tā)能(néng)防(fáng)范(fàn)未(wèi)经(jīng)授(shòu)权(quán)的(de)软(ruǎn)件(jiàn)执(zhí)行(xíng)、恶(è)意(yì)软(ruǎn)件(jiàn)和(hé)篡(cuàn)改(gǎi)，增(zēng)强(qiáng)系(xì)统(tǒng)的(de)安(ān)全性(xìng)和(hé)可(kě)靠(kào)性(xìng)。关节(jié)安(ān)全引导通过建立信任链并验证软件组件的完整性，确保机器人系统整体运行的完整性和真实性。关节的安全更新也以类似方式实现。

图8.关节安全引导

关节和机器人控制器的选择性功能启用

安全引导成功后，应用微控制器单元(MCU)/处理器/现场可编程门(mén)阵(zhèn)列(liè)(FA)可以读取认证器/协处理器的安全可配置存储器，以便选择性地启用关节/机器人控制器的功能。参见图9。

图9.典型的关节框图

图(tú)10.关节(jié)安(ān)全通(tōng)信(xìn)

校(xiào)准(zhǔn)数(shù)据(jù)存(cún)储(chǔ) - 关节(jié)和(hé)机(jī)器(qì)人(rén)控(kòng)制(zhì)器(qì)

外(wài)设(shè)在(zài)出(chū)厂(chǎng)时(shí)需进行单独校准，而妥善存储校准数据是确保测量精度长期稳定的关键。企业或机构可以将这些数据安全地存储在认证器中，从而确保完整性并防止未经授权的访问。主机系统可以检索和利用这些存储的数据，使外设的测量结果更加精准可靠。通过安全存储校准数据，系(xì)统(tǒng)得(de)以(yǐ)提(tí)升(shēng)整(zhěng)体(tǐ)精(jīng)度(dù)和(hé)性(xìng)能(néng)，产(chǎn)生(shēng)有(yǒu)价(jià)值(zhí)的(de)洞(dòng)察(chá)分(fēn)析(xī)，并(bìng)保(bǎo)持高质量标准。

关节安全通信

关节安全通信能够增强机器人系统的整体安全态势，确保数据交换可信且受到保护。参见图10。

结论

机器人技术的未来发展，离不开网络安全的保驾护航。安全认证、加密通信和供应链安全等强有力的措施，对于防范威胁至关重(zhòng)要(yào)。ADI的(de)产(chǎn)品(pǐn)和(hé)解(jiě)决(jué)方(fāng)案(àn)具(jù)备(bèi)先(xiān)进(jìn)的(de)安(ān)全特(tè)性(xìng)，能(néng)够(gòu)保(bǎo)障(zhàng)机(jī)器(qì)人(rén)系(xì)统(tǒng)的(de)完(wán)整(zhěng)性和可靠性。通过把网络安全置于优先位置，并充分发挥ADI的专业优势，我们不仅能够全面释放机器人技术的潜力，还能有效应对互联世界中的新兴风险。

参考文献

Jean-Paul A. Yaacoub、Hassan N. Noura、Ola Salman、Ali Chehab，“Robotics Cyber Security:Vulnerabilities, Attacks, Countermeasures, and Recommendations”，International Journal of Information Security，2021年3月。
Christophe Tremlet，“IEC 62443系列标准：如何防御基础设施网络攻击”，ADI公司，2023年4月。
“利用安全认证保护研发投资”，ADI公司。“DS28S60使用基础知识”，ADI公司。

关于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司，致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁，以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案，推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展，应对气候变化挑战，并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2024财年收入超过90亿美元，全球员工约2.4万人。ADI助力创新者不断超越一切可能。

作者简介

Manoj Rajashekaraiah是ADI公司安全事业部的首席工程师，主要负责软件系统设计工作。他专注于(yú)嵌(qiàn)入(rù)式(shì)设(shè)备(bèi)安(ān)全，尤(yóu)其(qí)擅(shàn)长(zhǎng)为(wèi)汽(qì)车(chē)和(hé)物(wù)联(lián)网(wǎng)应(yīng)用(yòng)开(kāi)发(fā)安(ān)全、安(ān)保(bǎo)和(hé)传(chuán)感(gǎn)器(qì)软(ruǎn)件(jiàn)。Manoj是(shì)一(yī)位(wèi)经(jīng)验(yàn)丰(fēng)富的演讲者和博主，热(rè)衷于分享知识，曾在IEEE INIS和VDA Automotive SYS等会议上分享个人见解。他在embedded.com上发表过文章，并定期在卡纳塔克邦的研究所发表演讲。Manoj拥有印度彼拉尼BITS的嵌入式系统硕士学位。