随着制造业向柔性自动化转型，协同机器人（Cobot）以其安全、灵活、易部署的特点被广泛应用于装配、搬运、检测等场景。然而，协同机器人安全并非一劳永逸的默认配置，它涉及风险评估、功能安全设计、人员培训等多个维度。本文以ISO/TS 15066等国际标准为根基，从安全架构到操作实践，系统解析如何构建真正可靠的人机协作安全体系。
协同机器人安全的核心标准体系
理解协同机器人安全，首先需要掌握三份关键规范：
- ISO 10218-1/2：工业机器人安全要求的基础标准，定义了机器人本体与系统的通用安全功能。
- ISO/TS 15066：专为协同机器人制定的技术规范，明确了碰撞力、压力、速度等量化安全极限。
- GB 11291（中国对应标准）：国内实施的安全要求，与ISO系列基本衔接。
值得强调的是，ISO/TS 15066并非替代ISO 10218，而是在后者基础上增加了“允许有限接触”的场景定义。例如，当机器人速度低于规定阈值且碰撞力符合“准静态接触”或“瞬态接触”限值时，允许不安装物理围栏——这正是协同机器人安全区别于传统工业机器人的核心特征。
风险评估：从“假设安全”到“验证安全”
很多人误以为“力觉传感器+低速运行”就等同于安全。事实上，协同机器人安全的前提是系统级风险评估，包括：
- 任务分析：机器人执行的每个动作（抓取、装配、移动）是否可能接触人员？接触部位是手、头还是躯干？不同部位的耐受力差异很大（如面部可承受远低于背部的压力）。
- 空间交互：人员与机器人的作业区域重叠程度、进入频率、紧急撤离路径。
- 工具与工件：末端执行器是否锐利？夹持力是否会在失控时造成挤压？工件是否高温或易碎？
在风险评估后，需根据结果选择安全策略。常见的策略分为三类：
- 安全级监控停止：人员进入协作区时，机器人自动停止；离开后恢复。
- 手引导模式：人员通过拖拽示教器或直接用手引导机器人运动，此时速度与力矩受严格限制。
- 速度与距离监控：基于安全传感器（如激光扫描仪、安全地毯）动态调整机器人速度，保持人员与机器人之间的最小安全距离。
典型安全功能与防护措施
下面列举协同机器人环境中必须或推荐配置的安全功能：
- 安全停止（STO/SS1）：任何安全信号触发时，机器人立即停止动力输出，确保无意外运动。
- 限速与限力：通过软件或硬件限位，确保碰撞力不超过ISO/TS 15066规定的生物力学限值（例如准静态压力≤140N/cm²）。
- 关节力矩监控：实时检测每个关节的力矩变化，超出阈值即触发停止——这是应对意外夹持的关键。
- 安全区配置：使用安全PLC控制激光扫描仪或光幕，定义“警告区”（减速）与“危险区”（停止）。
- 末端执行器安全设计：采用柔性材料包裹夹爪，或使用带机械缓冲的吸盘，降低潜在伤害。
问：如何确定协同机器人的安全速度？
答：安全速度并非固定值，而是根据风险评估动态计算。首先需要明确协作区域中人体可能接触的部位——例如手指与手掌的碰撞力限值较低，对应速度应更低。具体过程为：先通过ISO/TS 15066附录A的表格查找对应身体部位的“准静态压力”与“瞬态冲击力”限值；再结合机器人末端质量、惯性矩、接触面积等参数，反推最大允许速度。多数主流品牌（如优傲、发那科）的控制器内置此计算工具，但仍需工程师手动校核最严苛的接触场景。建议在调试时使用测力扳手或压力传感器进行实测验证。
问：是否所有协作场景都必须拆除物理围栏？
答：不一定。ISO/TS 15066明确四种协作操作：“安全级监控停止”“手引导”“速度与距离监控”以及“力与功率限制”。其中只有最后三种允许人员与机器人在无物理隔离下同时运动。如果风险评估显示某些动作（如搬运尖锐工件或高速移动）可能超过安全阈值，必须保留围栏或光栅。例如汽车行业中的螺栓拧紧协作工位，由于末端冲击力大，通常采用“安全级监控停止”模式——人员进入时机器人先停止，任务完成后人员退出再恢复。安全不是理念，而是经过计算的取舍。
人员培训与操作规范
再好的安全设计，也需要操作者正确理解与执行。企业应建立以下培训体系：
- 基础安全认知：让每位操作员了解协同机器人的安全边界、停止按钮位置、紧急释放流程。
- 风险感知训练：通过模拟演示，让员工直观感受不同速度下的碰撞力度，培养“主动避开危险区域”的意识。
- 程序修改规范：任何涉及速度、力矩、安全区域的变更都必须经过二次风险评估，并记录归档。
- 日常巡检清单：包括检查安全传感器是否被遮挡、紧急停止按钮是否正常、机器人本体有无异常声响等。
结语
协同机器人安全不是一个静态配置，而是一个贯穿设备选型、安装调试、运行生产、维护改造全过程的动态管理过程。从ISO标准中的数字限值，到车间现场的每日点检，每一个环节都决定着“人机共融”的可持续性。唯有将标准落地为可验证的工程实践，协同机器人才能真正成为人类安全、高效的工作伙伴。