工業(yè)協(xié)作機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于精密裝配、物料搬運(yùn)等場(chǎng)景，其碰撞檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性直接關(guān)系到人機(jī)協(xié)作的安全性與效率。本文將系統(tǒng)解析碰撞檢測(cè)可靠性測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)體系、核心方法、關(guān)鍵指標(biāo)與典型流程，并展望未來技術(shù)趨勢(shì)。

?? 理解可靠性測(cè)試的四個(gè)維度

碰撞檢測(cè)系統(tǒng)的“可靠性”測(cè)試是一個(gè)系統(tǒng)工程，需從多個(gè)維度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

• 功能可靠性：關(guān)注系統(tǒng)能否持續(xù)穩(wěn)定地工作。這要求測(cè)試不僅在于系統(tǒng)能否檢測(cè)到碰撞，更在于其能否在各種復(fù)雜工況下（如機(jī)器人高速運(yùn)動(dòng)、帶載運(yùn)行、執(zhí)行復(fù)雜軌跡時(shí)）持續(xù)、準(zhǔn)確地識(shí)別碰撞，并有效區(qū)分真實(shí)碰撞與內(nèi)部擾動(dòng)（如電機(jī)啟停的沖擊）。先進(jìn)的測(cè)試會(huì)引入二階前饋動(dòng)量觀測(cè)器等算法，通過構(gòu)建機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型，比對(duì)理論動(dòng)量與實(shí)際動(dòng)量的偏差來提升檢測(cè)的準(zhǔn)確性和抗干擾能力。

• 性能可靠性：關(guān)注系統(tǒng)響應(yīng)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。核心指標(biāo)包括響應(yīng)時(shí)間（從碰撞發(fā)生到系統(tǒng)觸發(fā)安全指令的延遲，通常要求低于100毫秒）、檢測(cè)精度（所能識(shí)別的最小碰撞力大小）以及在不同負(fù)載和速度下的參數(shù)一致性。例如，ABB的YuMi機(jī)器人其碰撞檢測(cè)功能的安全等級(jí)為PL b（性能等級(jí)b級(jí)）。

• 環(huán)境適應(yīng)性與魯棒性：檢驗(yàn)系統(tǒng)在非理想條件下的表現(xiàn)。這包括在極端溫度、電壓波動(dòng)、電磁干擾或機(jī)械振動(dòng)等應(yīng)力條件下，驗(yàn)證檢測(cè)功能是否正常，是否出現(xiàn)誤觸發(fā)或失效。

• 安全合規(guī)性：確保碰撞發(fā)生時(shí)施加于人體的力不會(huì)造成傷害。ISO/TS 15066標(biāo)準(zhǔn)為此提供了關(guān)鍵依據(jù)，它規(guī)定了人體各部位（如手臂、頭部）所能承受的力與壓強(qiáng)閾值。例如，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定頭部承受的最大瞬時(shí)沖擊力不得超過140牛頓。任何協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用在部署前，都必須通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其碰撞力低于這些閾值。

?? 核心測(cè)試方法與流程

可靠性測(cè)試需遵循嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ê土鞒蹋_保結(jié)果的可重復(fù)性和可比性。

• 測(cè)試方法：主要包括準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試。

• 準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)試：模擬機(jī)器人以較低速度與人體發(fā)生擠壓、夾持等接觸。此時(shí)主要測(cè)量并驗(yàn)證其產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)力是否低于ISO/TS 15066標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)身體部位的限值。

• 動(dòng)態(tài)測(cè)試（暫態(tài)接觸）：模擬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中與人發(fā)生的意外撞擊。測(cè)試中會(huì)測(cè)量碰撞的峰值力，并與標(biāo)準(zhǔn)中的瞬態(tài)力閾值進(jìn)行比對(duì)。為更真實(shí)地模擬人體組織的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，先進(jìn)的測(cè)試會(huì)使用具備阻抗模式的輔助測(cè)試機(jī)器人，通過設(shè)置質(zhì)量（R）、阻尼（C）、剛度（K）等參數(shù)來模擬人體的生物力學(xué)特性。

• 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試流程：一次完整的可靠性測(cè)試通常包含以下步驟：

1. 測(cè)試準(zhǔn)備：明確測(cè)試目標(biāo)（如功能驗(yàn)證、安全認(rèn)證）、確定機(jī)器人測(cè)試位姿與運(yùn)動(dòng)軌跡、安裝校準(zhǔn)傳感器（如六維力傳感器）。

2. 測(cè)試執(zhí)行：控制機(jī)器人按預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)，在指定點(diǎn)位通過輔助設(shè)備使其與測(cè)量裝置發(fā)生碰撞，或由測(cè)試設(shè)備撞擊機(jī)器人。同時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會(huì)完整記錄整個(gè)過程中的各類物理信號(hào)。

3. 數(shù)據(jù)處理與分析：對(duì)采集到的力、力矩、電流等信號(hào)進(jìn)行濾波和特征提取。關(guān)鍵分析包括計(jì)算碰撞力峰值/穩(wěn)態(tài)值、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，并與預(yù)設(shè)的安全閾值進(jìn)行比對(duì)。

4. 結(jié)果評(píng)估與報(bào)告：生成測(cè)試報(bào)告，其中需清晰記錄測(cè)試條件、原始數(shù)據(jù)、分析結(jié)果以及是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的明確結(jié)論。

?? 關(guān)鍵性能指標(biāo)與通過標(biāo)準(zhǔn)

判斷碰撞檢測(cè)系統(tǒng)是否可靠，需要依據(jù)具體量化的性能指標(biāo)。

• 檢測(cè)靈敏度與準(zhǔn)確性：系統(tǒng)能夠可靠檢測(cè)到的最小碰撞力。例如，在某些精密協(xié)作應(yīng)用中，要求能檢測(cè)到低至 10牛頓 的輕微接觸。

• 響應(yīng)時(shí)間：從碰撞力開始作用到系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)或回退指令的總延遲。高性能系統(tǒng)的目標(biāo)通常在幾十毫秒以內(nèi)。有研究表明，改進(jìn)的動(dòng)量觀測(cè)器算法可實(shí)現(xiàn)0.3秒內(nèi)的檢測(cè)與響應(yīng)。

• 誤報(bào)率與漏報(bào)率：在非碰撞情況下錯(cuò)誤觸發(fā)的頻率（誤報(bào)率），以及未能檢測(cè)到真實(shí)碰撞的次數(shù)（漏報(bào)率）。優(yōu)秀的系統(tǒng)需要在兩者間取得平衡，例如通過動(dòng)態(tài)閾值算法，根據(jù)機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)速度自動(dòng)調(diào)整觸發(fā)閾值，有效降低誤報(bào)。

• 安全合規(guī)指標(biāo)：最核心的通過標(biāo)準(zhǔn)是碰撞力數(shù)據(jù)嚴(yán)格符合ISO/TS 15066 中針對(duì)人體各部位的生物力學(xué)疼痛閾值限值。

?? 行業(yè)應(yīng)用與最佳實(shí)踐

在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，碰撞檢測(cè)可靠性測(cè)試是確保人機(jī)協(xié)作安全落地的基石。

• 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估先行：在任何協(xié)作應(yīng)用部署前，都必須進(jìn)行全面的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。這需要遵循ISO 10218-2和ISO/TS 15066等標(biāo)準(zhǔn)，識(shí)別所有潛在的碰撞、夾點(diǎn)等危險(xiǎn)源，并制定相應(yīng)的測(cè)試驗(yàn)證方案。

• 傳感器校準(zhǔn)與維護(hù)：力傳感器的準(zhǔn)確性是基礎(chǔ)。需建立標(biāo)準(zhǔn)化的校準(zhǔn)流程，包括硬件安裝檢查、靜態(tài)標(biāo)定與零點(diǎn)漂移修正、動(dòng)態(tài)特性驗(yàn)證等。定期維護(hù)和校準(zhǔn)是維持長(zhǎng)期可靠性的關(guān)鍵。

• 測(cè)試自動(dòng)化：為提高測(cè)試效率和一致性，行業(yè)正越來越多地采用自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。例如，使用一臺(tái)“輔助測(cè)試機(jī)器人”自動(dòng)攜帶力傳感器到達(dá)一系列預(yù)設(shè)的測(cè)試點(diǎn)，替代傳統(tǒng)人工操作，從而覆蓋更全面的機(jī)器人工作空間和碰撞姿態(tài)。

?? 未來趨勢(shì)與挑戰(zhàn)

隨著技術(shù)的發(fā)展，碰撞檢測(cè)可靠性測(cè)試也面臨著新的挑戰(zhàn)和演進(jìn)方向。

• 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的完善與統(tǒng)一：行業(yè)需要更精細(xì)、更統(tǒng)一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。例如，中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)等在2024年推出的《協(xié)作機(jī)器人碰撞力測(cè)試方法》等團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，旨在細(xì)化測(cè)試方法，推動(dòng)行業(yè)規(guī)范化發(fā)展。

• 網(wǎng)絡(luò)安全與功能安全的融合：在物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0背景下，協(xié)作機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)安全已成為可靠性的新維度。網(wǎng)絡(luò)攻擊（如DDoS攻擊、惡意參數(shù)篡改）可能導(dǎo)致碰撞檢測(cè)功能失效。未來的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（如ISO/TS 15066的修訂版）有望整合網(wǎng)絡(luò)安全要求，例如強(qiáng)制進(jìn)行滲透測(cè)試，以確保功能安全不被網(wǎng)絡(luò)漏洞所破壞。

• 智能測(cè)試與仿真技術(shù)的應(yīng)用：利用數(shù)字孿生和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，可以在虛擬環(huán)境中模擬海量碰撞場(chǎng)景，進(jìn)行高效的算法驗(yàn)證和測(cè)試用例擴(kuò)充，從而彌補(bǔ)實(shí)體測(cè)試成本高、周期長(zhǎng)的不足。

?? 總結(jié)

對(duì)工業(yè)協(xié)作機(jī)器人而言，一套嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的碰撞檢測(cè)可靠性測(cè)試體系，是其從“可用的機(jī)器”轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱尚诺幕锇椤钡谋赜芍贰＿@套體系深度融合了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、多維測(cè)試方法、量化性能指標(biāo)以及持續(xù)的風(fēng)險(xiǎn)管理。隨著技術(shù)發(fā)展，未來的測(cè)試將更加智能化，并深度融合網(wǎng)絡(luò)安全要求，為人機(jī)協(xié)作安全提供更堅(jiān)實(shí)的保障。