协作机器人安全

引言

协作机器人的卖点是「可以不装围栏、和人一起工作」，但这句话在合规意义上并不成立——没有本质安全的机器人，只有本质安全的应用。同一台协作机器人，装上钝头夹爪慢速搬运海绵是安全的，装上刀具高速运动就必须围起来。ISO/TS 15066 给出的正是判断某个具体应用是否安全的方法：四种协作模式各自的要求、可承受的力与压强限值、以及速度与间距的定量计算。本页面介绍这套方法的工程实施，功能安全的通用框架见 功能安全。

四种协作模式

ISO 10218 与 ISO/TS 15066 定义了四种人机协作方式，可以单独使用也可以在同一应用的不同阶段切换：

模式	缩写	机制	人进入时机器人	典型场景
安全额定监控停止	SMS	人进入时机器人停止并保持位置	停止（力矩保持）	人工上下料
手动引导	HG	人握持引导装置直接拖动机器人	由人主动操纵	示教、辅助搬运
速度与间距监控	SSM	实时监控人机距离，动态调速	减速或停止	共享工作区
功率与力限制	PFL	限制接触时的力与压强不超过人体耐受限值	可继续运动	轻负载装配

PFL 是唯一允许机器人在与人接触时继续运动的模式，也是通常所说的「协作机器人」。其余三种本质上仍是「人机不同时在场」的隔离思路，只是隔离手段从物理围栏换成了传感与控制。

一个常见误解是「买了协作机器人就等于用了 PFL 模式」。实际上是否满足 PFL 要求取决于整个应用——机器人本体、末端执行器、工件、运动速度、可能的接触部位，缺一不可评估。夹爪上有尖角、工件是玻璃、速度设到最大，任何一条都可能使应用不再满足 PFL。

功率与力限制

人体耐受限值

ISO/TS 15066 附录 A 给出了人体各部位可承受的力与压强上限，区分瞬态接触（碰撞后机器人立即回退，接触时间小于 0.5 秒）与准静态接触（人被夹在机器人与固定物之间，无法脱离）。

身体部位	准静态力上限（N）	瞬态力上限（N）	准静态压强上限（N/cm²）
手指（指尖）	140	280	300
手掌	140	280	260
前臂	160	320	180
上臂	150	300	190
胸部	140	280	120
腹部	110	220	140
骨盆	180	360	210
大腿	220	440	250

（表中数值为标准给出的量级，实施时须以标准正式文本为准。）

瞬态限值约为准静态的两倍，这个差别在设计上意义重大：如果能保证任何接触都不会形成夹持（人可以自由退开），可用的力上限直接翻倍。这也是为什么协作应用要极力避免夹点（Pinch Point）——机器人与工作台、立柱、料架之间的夹角区域。消除夹点通常比降低速度更有效。

头部与颈部不在允许接触的部位之列。任何可能接触头颈的运动都必须通过其他手段排除，比如限制机器人的工作高度或使用 SLP 安全位置监控。

压强往往比力更严苛

同样 140 N 的接触力，通过 10 cm² 的钝面传递是 14 N/cm²，通过 0.5 cm² 的尖角传递是 280 N/cm²——后者远超所有部位的压强限值。

这使末端执行器的几何形状成为协作安全的关键变量：圆角、倒棱、包覆软质材料能同时降低压强并延长碰撞持续时间（从而降低峰值力）。工程上「把夹爪的棱角磨圆、贴一层聚氨酯」这种看似粗糙的做法，对通过 PFL 验证的作用往往超过任何控制参数调整。

实测验证

PFL 的合规性必须实测，不能靠计算或厂商声明。 原因是实际接触力取决于机器人惯量、速度、接触方向、接触面积、以及被撞物体的刚度，这些无法在设计阶段准确预测。

测量使用专用的力压测量装置（内含弹簧模拟人体部位刚度、压敏膜测量压强分布）。测试要点：

• 覆盖最坏情况：最大速度、最大负载、最不利的接触方向与部位
• 分别测瞬态与准静态：后者要模拟人被夹住无法退开的情形
• 覆盖所有可能的接触部位：机器人本体各连杆、夹爪、工件
• 记录峰值力与峰值压强，而非平均值

测试往往会发现结果与直觉不符：某些中等速度下的接触力反而高于最高速度（因为控制器在不同速度区间的碰撞响应策略不同），或某个不起眼的连杆棱角是全场压强最高点。

速度与间距监控

SSM 模式要求机器人与人之间始终保持不小于保护间距 $S_p$ 的距离。ISO/TS 15066 给出的计算式为：

$$S_p(t_0) = S_h + S_r + S_s + C + Z_d + Z_r$$

各项含义：

项	含义	计算
$S_h$	人在机器人反应与停止期间移动的距离	$v_h (T_r + T_s)$
$S_r$	机器人在反应时间内继续移动的距离	$v_r T_r$
$S_s$	机器人从触发停止到停稳的距离	由制动性能决定
$C$	人体侵入距离（手伸向机器人的部分）	通常取 0.15 m
$Z_d$	传感器位置测量不确定度	由传感器规格给出
$Z_r$	机器人位置测量不确定度	由机器人规格给出

其中 $v_h$ 为人的移动速度（标准建议取 1.6 m/s），$T_r$ 为系统反应时间，$T_s$ 为机器人停止时间。

这个公式在实践中有几个直接推论：

保护间距随机器人速度超线性增长，因为 $S_r$ 与 $S_s$ 都随 $v_r$ 增大（停止距离近似正比于速度平方）。这意味着高速运行需要很大的安全区域，在场地紧张的产线上往往不可行。

反应时间的贡献常被低估。 $T_r$ 包含传感器扫描周期、通信延迟、安全逻辑处理时间。安全激光扫描仪的典型响应时间是 60–100 ms，加上通信与逻辑，总反应时间到 150 ms 并不罕见——在人以 1.6 m/s 接近时，仅这一项就贡献了 0.24 m。降低反应时间通常比降低速度更容易换来间距的减小。

动态调速是 SSM 的实用形态。 与其固定一个大间距，不如实时计算：距离远时全速，距离缩小时按公式反解出允许的最大速度并限速，距离到达最小值时停止。这样既保证安全又不牺牲节拍。

import numpy as np


def protective_distance(v_robot, v_human=1.6, t_reaction=0.15,
                        t_stop=0.30, a_brake=2.0, C=0.15, Zd=0.10, Zr=0.05):
    """ISO/TS 15066 保护间距 Sp

    v_robot:    机器人当前速度 (m/s)
    t_reaction: 系统总反应时间（传感器 + 通信 + 逻辑）
    t_stop:     从触发到停稳的时间
    a_brake:    制动减速度 (m/s^2)
    """
    Sh = v_human * (t_reaction + t_stop)          # 人在此期间走过的距离
    Sr = v_robot * t_reaction                     # 机器人反应期间继续运动
    Ss = v_robot ** 2 / (2 * a_brake)             # 制动距离，正比于速度平方
    return Sh + Sr + Ss + C + Zd + Zr


def max_speed_for_distance(d_measured, **kw):
    """由实测距离反解允许的最大速度：SSM 动态调速的核心"""
    lo, hi = 0.0, 5.0
    for _ in range(60):                            # 二分求解
        mid = 0.5 * (lo + hi)
        if protective_distance(mid, **kw) <= d_measured:
            lo = mid
        else:
            hi = mid
    return lo


if __name__ == '__main__':
    print('机器人速度 -> 所需保护间距')
    for v in (0.25, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0):
        print(f'  {v:4.2f} m/s  ->  {protective_distance(v):.3f} m')

    print('\n实测距离 -> 允许的最大速度（动态调速）')
    for d in (0.8, 1.2, 1.6, 2.4):
        v = max_speed_for_distance(d)
        print(f'  {d:4.1f} m  ->  {v:.3f} m/s' + ('   （必须停止）' if v < 0.01 else ''))

    # 反应时间的敏感度：常比降低速度更有效
    base = protective_distance(1.0, t_reaction=0.15)
    fast = protective_distance(1.0, t_reaction=0.05)
    print(f'\n反应时间由 150 ms 降到 50 ms：间距 {base:.3f} -> {fast:.3f} m，'
          f'减少 {(base-fast)*100:.0f} cm')

工程实施

传感方案

方案	覆盖	优点	局限
安全激光扫描仪	二维平面	成熟、认证齐全、可配多区域	只看一个高度平面，探测不到伸出的手臂
安全地毯	地面区域	简单可靠	只知道有人踩上，不知道位置
3D 安全相机	三维空间	覆盖完整、可测距离	认证产品少、成本高、受光照影响
电容式接近感应皮肤	机器人表面附近	接触前即可减速	覆盖机器人表面成本高
关节力矩碰撞检测	接触后	无需外部传感器	只能在接触发生后响应

二维安全扫描仪的平面盲区是最常见的隐患：扫描面通常设在离地 150–300 mm，一个人弯腰把手臂伸进工作区，扫描仪完全看不到。因此扫描仪往往要配合其他措施（物理挡板阻止上方进入、或机器人自身的力矩碰撞检测作为第二层防护）。

分层防护

成熟的协作应用通常不依赖单一模式，而是把几层措施叠加：

第一层：本质安全设计
        圆角夹爪、消除夹点、降低运动惯量、限制工作高度
第二层：功率与力限制（PFL）
        接触力与压强不超过人体耐受限值，需实测验证
第三层：速度与间距监控（SSM）
        人接近时自动降速，进入最小间距则停止
第四层：碰撞检测
        关节力矩观测器检出意外接触，立即停止并回退
第五层：急停
        最后的手动手段

每一层都可能失效，叠加起来才能把残余风险降到可接受。这与 功能安全 中「急停不是主要防护手段」是同一个原则的不同表述。

与力控的关系

第四层的碰撞检测通常用广义动量观测器实现，第一层的低惯量与柔顺特性则来自执行器架构与阻抗控制。这些实现细节见 力控与柔顺控制 与 执行器与传动——准直驱与串联弹性执行器之所以对协作安全有价值，正是因为它们从物理上限制了可能施加的冲击力，而不是依赖控制器及时反应。

常见问题

• 认为协作机器人天生安全：安全属于应用而非设备。同一台机器人换个夹爪就可能不再合规。
• 只测了最大速度下的接触力：某些中间速度的峰值反而更高，必须覆盖整个速度范围。
• 忽略夹点：机器人与工作台之间形成的夹持是准静态接触，限值只有瞬态的一半，且人无法退开。
• 只测力不测压强：尖角处力可能合格而压强严重超标。
• 二维扫描仪的平面盲区：弯腰或伸手可绕过防护平面。
• 改造后不重新验证：更换末端执行器、提高速度、改变工件，都需要重新做力压实测。
• 把碰撞检测当作 PFL 的替代：碰撞检测在接触发生后才响应，无法保证接触瞬间的峰值力符合限值。

参考资料

1. ISO/TS 15066:2016. Robots and Robotic Devices — Collaborative Robots. — 四种协作模式、人体耐受限值表与 SSM 计算式的来源。
2. ISO 10218-1:2025 / ISO 10218-2:2025. Robotics — Safety Requirements — Part 1: Industrial Robots / Part 2: Robot Applications and Robot Cells.
3. ISO 12100:2010. Safety of Machinery — General Principles for Design — Risk Assessment and Risk Reduction.
4. Haddadin, S., Albu-Schäffer, A. & Hirzinger, G. (2009). Requirements for Safe Robots: Measurements, Analysis and New Insights. International Journal of Robotics Research, 28(11-12), 1507-1527. — 人机碰撞伤害的实验研究，TS 15066 限值的学术基础之一。
5. Haddadin, S., De Luca, A. & Albu-Schäffer, A. (2017). Robot Collisions: A Survey on Detection, Isolation, and Identification. IEEE Transactions on Robotics, 33(6), 1292-1312.
6. IEC 61800-5-2:2016. Adjustable Speed Electrical Power Drive Systems — Safety Requirements — Functional.
7. ISO/TS 15066 力压测量设备说明（德国 IFA）