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工业机器人协作中的安全通信加密与解密算法1

工业机器人协作中的安全通信加密与解密算法

摘要

工业机器人协作系统作为智能制造的核心组成部分，其安全性直接关系到生产效率

和人员安全。本报告系统研究了工业机器人协作中的安全通信加密与解密算法，旨在构

建一套完整的安全通信体系。报告首先分析了工业机器人协作系统的通信架构和安全

威胁模型，然后深入研究了适用于工业环境的轻量级加密算法、密钥管理机制和身份认

证协议。通过理论分析和实验验证，提出了一种基于混合加密的安全通信方案，该方案

结合了对称加密的高效性和非对称加密的安全性，同时考虑了工业环境的实时性要求。

研究结果表明，该方案在保证通信安全的同时，能够满足工业机器人协作系统对延迟和

带宽的严格要求。本报告还探讨了该方案在典型工业场景中的应用效果，并提出了未来

研究方向。

引言与背景

1.1工业机器人协作系统发展现状

工业机器人协作系统是指多台工业机器人通过通信网络协同完成复杂任务的系统。

随着工业4.0和智能制造的推进，工业机器人协作系统在汽车制造、电子装配、物流仓

储等领域得到广泛应用。根据国际机器人联合会(IFR)2022年报告，全球工业机器人密

度已达到每万名员工151台，较2015年增长151%。中国作为全球最大的工业机器人

市场，2022年工业机器人销量达到28.3万台，占全球销量的52%。

工业机器人协作系统通常由多个子系统组成，包括运动控制系统、感知系统、决策

系统和通信系统。其中通信系统负责机器人之间的信息交换和协调，是协作系统正常工

作的基础。典型的工业机器人协作通信架构包括：1)基于EtherCAT、Profinet等工业

以太网的实时通信；2)基于无线技术的非实时通信；3)混合通信架构。随着协作机器

人数量的增加和任务复杂度的提高，通信系统的安全性问题日益突出。

1.2工业通信安全威胁分析

工业机器人协作系统面临多种安全威胁，主要包括：1)中间人攻击(MITM)，攻

击者截获并篡改通信数据；2)重放攻击，攻击者重复发送合法指令；3)拒绝服务攻击

(DoS)，通过大量无效请求耗尽系统资源；4)身份伪造，冒充合法机器人获取控制权。根

据美国工业控制系统网络应急响应小组(ICSCERT)2022年报告，制造业遭受的网络攻

击数量同比增长了35%，其中针对机器人系统的攻击占比达到12%。

与传统IT系统相比，工业机器人协作系统的安全需求具有特殊性：1)实时性要求，

通信延迟通常需控制在毫秒级；2)资源受限，嵌入式设备计算和存储能力有限；3)高

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可靠性，系统需长期稳定运行；4)物理安全，设备部署在开放环境中。这些特点使得传

统的网络安全方案难以直接应用于工业机器人协作系统。

1.3研究意义与目标

本研究旨在解决工业机器人协作系统中的安全通信问题，具有以下重要意义：1)保

障生产安全，防止因通信被篡改导致的设备损坏或人员伤害；2)保护知识产权，防止生

产工艺参数泄露；3)满足合规要求，符合《工业控制系统信息安全防护指南》等法规要

求；4)推动技术进步，促进工业互联网安全技术创新。

研究的主要目标包括：1)分析工业机器人协作系统的通信特性和安全需求；2)设

计适用于工业环境的轻量级加密算法；3)开发高效的密钥管理和身份认证机制；4)构

建完整的安全通信协议栈；5)通过实验验证方案的有效性和可行性。这些目标的实现

将为工业机器人协作系统提供可靠的安全保障。

研究概述

2.1研究范围界定

本研究聚焦于工业机器人协作系统中的安全通信问题，具体包括：1)机器人之间

的点对点通信安全；2)机器人与中央控制器之间的通信安全；3)多机器人协同任务中

的广播通信安全。研究范围不包括：1)机器人本体安全；2)物理层安全；3)操作系统

安全；4)人机交互安全。这种范围界定有助于集中资源解决核心问题。

研究对象主要针对三类工业机器人协作场景：1)流水线协作，如汽车装配中的多机

器人协同；2)移动机器人协作，如仓储物流中的AGV编队；3)人机协作，如医疗手术

中的辅助机器人。这些场景具有不同的通信特点和性能要求，需要针对性的安全方案。

2.2