协作机器人碰撞力测试
技术概述
协作机器人（Collaborative Robot，简称Cobot）是指能够在无需物理安全围栏隔离的条件下，与人类操作者在同一工作空间内直接协同作业的机器人产品。与传统工业机器人依靠外部防护装置实现安全隔离不同，协作机器人的安全策略核心在于将机器人与人体意外接触时的碰撞能量和接触力限制在人体生物力学可承受范围之内。协作机器人碰撞力测试正是围绕这一核心安全要求开展的专业检测活动，其目的在于科学评估机器人在最不利接触工况下对人体产生的机械风险。
碰撞力测试的主要技术依据包括ISO/TS 15066《机器人与机器人装备 协作机器人》、ISO 10218-1《机器人与机器人装备 工业机器人的安全要求 第1部分：机器人》等国际标准，以及GB/T 36008《协作机器人 设计准则》等相关国内标准。其中，ISO/TS 15066附录A系统给出了人体各主要部位（涵盖面部、头骨、颈部、胸腹部、骨盆、四肢、手部等）在准静态接触与瞬态接触两种工况下的最大允许作用力和最大允许压力限值，为碰撞力测试提供了量化的判定基准。
按照标准要求，协作机器人实现人机协作有四种典型模式：安全级监控停止、手动引导、速度与分离监控、功率与力限制。其中功率与力限制（PFL）模式允许机器人与人体发生受控接触，此时必须通过碰撞力测试验证接触力不超过人体相应部位的限值，否则机器人不得宣称具备该协作能力。因此，碰撞力测试既是协作机器人产品安全设计验证的关键环节，也是产品型式试验、风险评估和进入市场的重要技术支撑。
检测样品
协作机器人碰撞力测试的检测样品范围广泛，凡涉及人机协作场景、需要验证接触安全的机器人产品与部件均可作为检测对象，主要包括以下类型：
- 各负载等级六轴协作机械臂，覆盖轻载到重载不同产品段；
- SCARA型协作机器人；
- 协作型并联（Delta）机器人；
- 复合机器人，即移动底盘与协作机械臂的组合系统；
- 协作机器人末端执行器，包括电动夹爪、真空吸盘、柔性夹持器、工具快换装置等；
- 协作机器人控制器、安全控制单元及配套安全软件；
- 加装力矩传感器或碰撞检测模块的轻量型工业机器人。
送检样品应处于完整可运行状态，随附控制器、示教器、电源模块、安装工装及必要的通信线缆，并提供产品说明书、技术参数表、安全功能描述等资料，以保证测试条件与实际使用工况一致。若末端执行器为选配部件，建议连同典型末端执行器一并送检，以便开展整机最不利工况下的碰撞评估。
检测项目
根据协作机器人的结构特点、协作模式和预期接触场景，碰撞力测试通常涵盖以下检测项目：
- 瞬态碰撞力测试：评估机器人与人体发生动态冲击时的力峰值是否超标；
- 准静态接触力测试：模拟人体部位被机器人挤压或卡滞时的持续接触受力状态；
- 接触压力分布测试：分析接触界面上的压力分布形态及最大接触压力；
- 碰撞力峰值与接触持续时间测量；
- 碰撞检测与响应特性测试：验证碰撞检测功能的触发时间、停止距离及残余接触力；
- 功率与力限制（PFL）功能验证：在最大速度、最大负载等极限参数下验证限力功能的有效性；
- 速度与分离监控功能验证：评估保护距离设定与机器人动态参数的匹配性；
- 安全级监控停止与手动引导模式功能验证；
- 多部位、多姿态、多工况组合测试：覆盖手掌、前臂、头部、躯干等潜在接触部位。
检测机构会依据产品预期用途和风险评估结果，与委托方共同确定具体的测试项目组合，确保测试方案既满足标准符合性要求，又切合产品的实际协作应用场景。
检测方法
协作机器人碰撞力测试遵循标准化的试验流程，核心思路是复现机器人与人体接触的最不利工况，利用测量装置采集接触力学数据，并与标准限值进行比对判定。典型测试流程如下：
第一步，开展测试前分析与方案设计。通过风险评估识别机器人与人体的潜在接触场景，确定协作模式、接触部位、接触类型（准静态或瞬态）以及对应的力与压力限值，明确最不利工况参数，包括最大工具中心点速度、最大负载、最大伸展姿态等。
第二步，布置测量系统。将高精度力传感器、压力分布测量薄膜或仿生接触测量装置安装于模拟人体接触的测力工装上，调整传感器有效接触面积与目标人体部位相当，并对测量链进行校准核查，确保测量不确定度满足标准要求。
第三步，执行碰撞试验。机器人以设定的最不利工况运行，末端执行器或本体以受控方式接触测量装置：瞬态测试中机器人以规定速度撞向传感器；准静态测试中机器人缓慢施加挤压力直至达到稳态或触发碰撞检测功能。每个工况重复多次试验，以确认结果的一致性与可重复性。
第四步，数据处理与判定。采集力—时间曲线、压力分布云图等原始数据，提取力峰值、最大压力、接触面积、作用时间等特征参数，与ISO/TS 15066附录A中相应身体部位的限值逐项比对，给出符合性判定结论，并对超限项提出整改建议。
检测仪器
碰撞力测试对测量设备的精度和动态响应能力要求较高，常用检测仪器包括：
- 高精度动态力传感器及多轴测力仪：量程与频响覆盖人体接触力学范围，用于力值测量；
- 压力分布测量系统：柔性阵列传感薄膜，用于获取接触界面压力分布与峰值压力；
- 高速数据采集系统：以高采样率同步采集力、压力、位移等多路信号；
- 激光测速仪与非接触位移测量装置：用于标定接触瞬间的机器人运行速度与停止距离；
- 高速摄像系统：记录碰撞全过程，辅助分析接触形态与机器人响应行为；
- 仿生接触模拟装置：模拟人体不同部位几何形状与刚度特性的标准试验工装；
- 力标准机与校准装置：对传感器进行定期校准，保证量值溯源可靠。
所有测量仪器均须经过计量校准并处于有效期内，测试环境的温度、湿度、供电条件应满足标准与产品规格书要求，以保证测试数据的准确性与可追溯性。
应用领域
协作机器人碰撞力测试服务面向机器人产业链上下游多个领域，典型应用场景包括：
- 协作机器人整机厂商：新产品研发验证、型式试验以及安全认证前的摸底测试；
- 汽车及零部件制造：装配、拧紧、上下料等协作工位的入厂安全验收；
- 3C电子与半导体行业：精密装配、检测、搬运协作单元的安全评估；
- 医疗器械与制药行业：实验室自动化、辅助配液等洁净协作场景的安全验证；
- 物流与电商仓储：协作拣选、分拣、包装工作站的安全确认；
- 科研院所与高校：人机交互安全研究及标准制修订的数据支撑；
- 系统集成商与终端用户：人机协作产线改造的风险验证与验收依据；
- 保险与安全生产评估机构：事故分析、责任认定及安全合规性评价。
常见问题
问题一：协作机器人碰撞力测试的检测周期是多久？
协作机器人碰撞力测试的检测周期一般为7-15个工作日。具体周期受多种因素影响：检测项目数量越多、接触工况组合越复杂，所需试验时间越长；送检样品数量较多，或需要在不同末端执行器、不同负载条件下重复测试时，周期会相应延长；若测试方案设计涉及非标工装搭建、方法开发，或委托方有加急需求，也会对实际周期产生影响。正式测试前，检测机构会根据确认后的测试方案给出明确的周期计划，如时间紧迫可提前与工程师沟通协调安排。
问题二：协作机器人碰撞力测试的检测价格是多少？
协作机器人碰撞力测试的费用与多个因素密切相关，主要包括：检测项目的数量与复杂程度，例如仅开展单项瞬态碰撞力测试与开展多部位、多工况全覆盖测试的费用差异明显；样品数量、结构形式及末端执行器的配置情况；采用的检测方法是否需要定制化工装与专项方案开发；以及对检测周期的要求，加急服务通常会产生额外费用。建议在委托检测前与检测机构充分沟通检测需求，由工程师评估确认测试方案后获取正式报价，以便获得与实际需求相匹配的费用信息。
问题三：协作机器人碰撞力测试测试需要什么资质？
我们旗下拥有CMA和CNAS资质，检测能力范围覆盖协作机器人及工业机器人相关的碰撞力测试、安全功能验证等检测领域，能够依据ISO/TS 15066、ISO 10218系列等国内外标准开展规范化测试。同时，我们组建了由机器人检测领域资深工程师构成的专业技术团队，配备了高精度力值与压力测量系统、高速数据采集设备等先进仪器，可为客户提供从测试方案设计、现场试验到数据分析与整改建议的一站式技术服务，切实保障检测结果的科学性、公正性与权威性。
问题四：什么是瞬态接触和准静态接触？两者测试有何区别？
瞬态接触是指机器人与人体部位发生快速撞击的动态过程，能量在极短时间内传递，测试重点关注碰撞力峰值、作用时间及压力分布，试验中机器人通常以接近最大运行速度撞向测量装置。准静态接触则模拟人体部位被机器人挤压、卡滞在两个表面之间的情形，接触力缓慢建立并持续存在，测试考察机器人在稳态接触下对力的限制控制能力。标准对两类接触给出的人体部位力与压力限值不同，一般而言准静态工况的限值更为严格，测试时需根据实际风险场景分别评估。
问题五：协作机器人如果安装了碰撞检测功能，还需要做碰撞力测试吗？
需要。碰撞检测功能属于机器人的安全控制措施，其触发阈值、响应时间和停机性能必须在真实接触工况下得到验证。仅依靠软件参数设定或厂商的技术声称，并不能证明安全功能的有效性，只有通过标准规定的碰撞力测试，采集实际的力峰值、残余力与响应时间数据，并与人体生物力学限值比对，才能确认碰撞检测功能在最不利工况下能够将接触力控制在安全范围内。碰撞力测试正是验证此类安全功能有效性的核心手段。
问题六：送检前需要准备哪些资料和样品状态？
送检前建议准备：完整可正常运行的机器人样机及控制器、示教器、电源等配套部件；产品技术规格书与使用说明书；安全功能描述文件及碰撞检测参数设置说明；预期协作场景说明及可能发生人体接触的部位信息。样品应处于正常出厂状态，软件版本固定并可与测试设备正常通信。若测试涉及末端执行器，建议一并提供典型的负载工装。前期资料越完整，测试方案制定越精准，整体检测效率也越高。
问题七：如果测试结果超出人体限值，应如何整改？
当碰撞力或压力超过标准限值时，可从多个方向进行整改：降低碰撞发生时的工具中心点速度或运动部件等效质量，从源头减小碰撞动能；优化末端执行器结构设计，增大接触面积、增加柔性缓冲材料，以降低峰值压力；调整碰撞检测灵敏度与响应阈值，缩短停机时间、减小残余接触力；在系统层面设置速度与分离监控功能，限制近距离工况下的运行速度；必要时还可通过工作区域规划增大人机安全距离。检测机构可结合测试数据出具针对性的改进建议，企业完成整改后进行复测验证，直至产品满足标准要求。
