工業協作機器人已廣泛應用于精密裝配、物料搬運等場景，其碰撞檢測系統的可靠性直接關系到人機協作的安全性與效率。本文將系統解析碰撞檢測可靠性測試的標準體系、核心方法、關鍵指標與典型流程，并展望未來技術趨勢。

?? 理解可靠性測試的四個維度

碰撞檢測系統的“可靠性”測試是一個系統工程，需從多個維度進行綜合評價。

• 功能可靠性：關注系統能否持續穩定地工作。這要求測試不僅在于系統能否檢測到碰撞，更在于其能否在各種復雜工況下（如機器人高速運動、帶載運行、執行復雜軌跡時）持續、準確地識別碰撞，并有效區分真實碰撞與內部擾動（如電機啟停的沖擊）。先進的測試會引入二階前饋動量觀測器等算法，通過構建機器人動力學模型，比對理論動量與實際動量的偏差來提升檢測的準確性和抗干擾能力。

• 性能可靠性：關注系統響應的及時性和準確性。核心指標包括響應時間（從碰撞發生到系統觸發安全指令的延遲，通常要求低于100毫秒）、檢測精度（所能識別的最小碰撞力大小）以及在不同負載和速度下的參數一致性。例如，ABB的YuMi機器人其碰撞檢測功能的安全等級為PL b（性能等級b級）。

• 環境適應性與魯棒性：檢驗系統在非理想條件下的表現。這包括在極端溫度、電壓波動、電磁干擾或機械振動等應力條件下，驗證檢測功能是否正常，是否出現誤觸發或失效。

• 安全合規性：確保碰撞發生時施加于人體的力不會造成傷害。ISO/TS 15066標準為此提供了關鍵依據，它規定了人體各部位（如手臂、頭部）所能承受的力與壓強閾值。例如，標準規定頭部承受的最大瞬時沖擊力不得超過140牛頓。任何協作機器人應用在部署前，都必須通過實驗驗證其碰撞力低于這些閾值。

?? 核心測試方法與流程

可靠性測試需遵循嚴謹的方法和流程，確保結果的可重復性和可比性。

• 測試方法：主要包括準靜態測試和動態測試。

• 準靜態測試：模擬機器人以較低速度與人體發生擠壓、夾持等接觸。此時主要測量并驗證其產生的穩態力是否低于ISO/TS 15066標準中對應身體部位的限值。

• 動態測試（暫態接觸）：模擬機器人運動過程中與人發生的意外撞擊。測試中會測量碰撞的峰值力，并與標準中的瞬態力閾值進行比對。為更真實地模擬人體組織的動態響應，先進的測試會使用具備阻抗模式的輔助測試機器人，通過設置質量（R）、阻尼（C）、剛度（K）等參數來模擬人體的生物力學特性。

• 標準測試流程：一次完整的可靠性測試通常包含以下步驟：

1. 測試準備：明確測試目標（如功能驗證、安全認證）、確定機器人測試位姿與運動軌跡、安裝校準傳感器（如六維力傳感器）。

2. 測試執行：控制機器人按預定軌跡運動，在指定點位通過輔助設備使其與測量裝置發生碰撞，或由測試設備撞擊機器人。同時，數據采集系統會完整記錄整個過程中的各類物理信號。

3. 數據處理與分析：對采集到的力、力矩、電流等信號進行濾波和特征提取。關鍵分析包括計算碰撞力峰值/穩態值、系統響應時間，并與預設的安全閾值進行比對。

4. 結果評估與報告：生成測試報告，其中需清晰記錄測試條件、原始數據、分析結果以及是否符合相關標準的明確結論。

?? 關鍵性能指標與通過標準

判斷碰撞檢測系統是否可靠，需要依據具體量化的性能指標。

• 檢測靈敏度與準確性：系統能夠可靠檢測到的最小碰撞力。例如，在某些精密協作應用中，要求能檢測到低至 10牛頓 的輕微接觸。

• 響應時間：從碰撞力開始作用到系統發出停機或回退指令的總延遲。高性能系統的目標通常在幾十毫秒以內。有研究表明，改進的動量觀測器算法可實現0.3秒內的檢測與響應。

• 誤報率與漏報率：在非碰撞情況下錯誤觸發的頻率（誤報率），以及未能檢測到真實碰撞的次數（漏報率）。優秀的系統需要在兩者間取得平衡，例如通過動態閾值算法，根據機器人末端運動速度自動調整觸發閾值，有效降低誤報。

• 安全合規指標：最核心的通過標準是碰撞力數據嚴格符合ISO/TS 15066 中針對人體各部位的生物力學疼痛閾值限值。

?? 行業應用與最佳實踐

在實際工業應用中，碰撞檢測可靠性測試是確保人機協作安全落地的基石。

• 風險評估先行：在任何協作應用部署前，都必須進行全面的風險評估。這需要遵循ISO 10218-2和ISO/TS 15066等標準，識別所有潛在的碰撞、夾點等危險源，并制定相應的測試驗證方案。

• 傳感器校準與維護：力傳感器的準確性是基礎。需建立標準化的校準流程，包括硬件安裝檢查、靜態標定與零點漂移修正、動態特性驗證等。定期維護和校準是維持長期可靠性的關鍵。

• 測試自動化：為提高測試效率和一致性，行業正越來越多地采用自動化測試系統。例如，使用一臺“輔助測試機器人”自動攜帶力傳感器到達一系列預設的測試點，替代傳統人工操作，從而覆蓋更全面的機器人工作空間和碰撞姿態。

?? 未來趨勢與挑戰

隨著技術的發展，碰撞檢測可靠性測試也面臨著新的挑戰和演進方向。

• 測試標準的完善與統一：行業需要更精細、更統一的測試標準。例如，中國電器工業協會等在2024年推出的《協作機器人碰撞力測試方法》等團體標準，旨在細化測試方法，推動行業規范化發展。

• 網絡安全與功能安全的融合：在物聯網和工業4.0背景下，協作機器人的網絡安全已成為可靠性的新維度。網絡攻擊（如DDoS攻擊、惡意參數篡改）可能導致碰撞檢測功能失效。未來的測試標準（如ISO/TS 15066的修訂版）有望整合網絡安全要求，例如強制進行滲透測試，以確保功能安全不被網絡漏洞所破壞。

• 智能測試與仿真技術的應用：利用數字孿生和機器學習技術，可以在虛擬環境中模擬海量碰撞場景，進行高效的算法驗證和測試用例擴充，從而彌補實體測試成本高、周期長的不足。

?? 總結

對工業協作機器人而言，一套嚴謹、科學的碰撞檢測可靠性測試體系，是其從“可用的機器”轉變為“可信的伙伴”的必由之路。這套體系深度融合了國際標準、多維測試方法、量化性能指標以及持續的風險管理。隨著技術發展，未來的測試將更加智能化，并深度融合網絡安全要求，為人機協作安全提供更堅實的保障。