2、基础知识：机器人常见异常类型（碰撞、卡死、低电量、急停）的定义、触发条件与典型场景

机器人系统在真实物理环境中运行时，异常保护机制是保障设备安全、人员安全和任务连续性的最后一道防线。本章聚焦于四类最常见的机器人异常——碰撞、卡死、低电量与急停，从定义、触发条件、典型场景到工程判断逻辑进行系统拆解。理解这些异常的本质，是后续设计保护策略、编写恢复逻辑和进行故障诊断的基础。

上图展示了四类异常在机器人系统中的位置与关系。急停作为最高优先级的安全机制，独立于其他软件保护逻辑；碰撞与卡死均属于运动学层面的异常，但检测原理和响应策略截然不同；低电量则属于能源管理范畴，其保护逻辑往往与任务调度深度耦合。下面逐一展开分析。

2.1 碰撞异常：定义、触发条件与典型场景

2.1.1 核心原理

碰撞异常是指机器人在运动过程中与环境中静态或动态物体发生非预期接触，导致机械结构受力超过安全阈值。从控制论角度看，碰撞检测的本质是“期望状态”与“实际状态”的偏差识别。工业机器人通常采用以下三种检测原理：

• 电流/力矩监测法：伺服电机驱动电流与输出力矩近似成正比。当碰撞发生时，电机需要输出额外力矩来抵抗阻力，电流会瞬间上升。通过设定电流阈值和持续时间窗口，可以区分正常负载波动与碰撞。
• 加速度/惯性监测法：在机器人末端或关节处安装加速度计，当发生碰撞时，加速度信号会出现高频突变。该方法对刚性碰撞敏感，但对缓慢挤压不敏感。
• 六维力传感器法：在机器人腕部或基座安装力/力矩传感器，直接测量外部接触力。该方法精度最高，但成本也最高，常用于协作机器人。

2.1.2 触发条件与判断方法

碰撞异常的触发条件并非单一阈值，而是多条件组合判断。工程上常用的判断逻辑如下：

1. 瞬时力矩超限：当前力矩超过额定力矩的150%~200%，持续超过20ms。
2. 力矩变化率超限：单位时间内力矩变化量超过设定斜率，例如10ms内力矩增加超过额定值的30%。
3. 位置偏差超限：指令位置与实际位置（编码器反馈）偏差超过3mm或0.5°，且持续超过50ms。
4. 速度异常跌落：在匀速运动段，速度突然下降超过设定值的20%，且无法通过PID调节恢复。

2.1.3 典型场景与案例拆解

场景：某汽车零部件焊接产线，六轴工业机器人在进行点焊作业时，由于夹具定位偏移，焊枪与工件边缘发生刮擦。

2.1.4 常见误区

• 误区一：碰撞检测越灵敏越好。过于灵敏会导致正常作业（如铆接、敲击）被误判为碰撞，频繁停机反而降低效率。
• 误区二：碰撞后直接急停。对于协作机器人，碰撞后应进入“柔顺控制”模式，即顺着外力方向退让，而不是刚性急停，否则可能对人造成二次伤害。
• 误区三：忽略碰撞后的机械损伤检查。即使电气保护动作正常，减速机、同步带等机械部件可能已产生微裂纹，必须安排点检。

2.2 卡死异常：定义、触发条件与典型场景

2.2.1 核心原理

卡死（Stall）是指机器人某个或多个关节因外部机械阻力或内部故障，导致电机无法达到指令位置，且持续处于堵转状态。与碰撞不同，卡死通常不是瞬时冲击，而是持续性的阻力增大。卡死的本质是电机输出力矩无法克服负载力矩，导致转子无法转动或转速极低。

2.2.2 触发条件与判断方法

卡死的判断逻辑与碰撞有显著区别，核心在于“持续性与位置误差累积”：

• 位置误差持续超限：指令位置与实际位置偏差超过5mm（或1°），且持续超过500ms。
• 速度指令饱和：控制器输出最大速度指令，但实际速度低于设定值的10%，持续超过200ms。
• 电流持续饱和：电机电流持续处于最大限幅值（如额定电流的200%），且无下降趋势。
• 编码器零脉冲丢失：对于增量式编码器，若在堵转状态下电机仍被外力强行转动，可能导致零脉冲丢失，引发位置丢失。

2.2.3 典型场景与案例拆解

场景：AGV（自动导引车）在仓库中执行托盘搬运任务，由于地面有翘起的金属板，AGV驱动轮被卡住无法前进。

2.2.4 常见误区

• 误区一：将卡死与碰撞混为一谈。碰撞是瞬时冲击，卡死是持续堵转。碰撞保护强调“快速响应”，卡死保护强调“限时切断”。
• 误区二：卡死后反复自动重启。如果卡死原因未排除（如机械卡滞），自动重启会反复触发保护，甚至损坏电机。应设置“三次重启失败后锁定，需人工介入”。
• 误区三：忽略卡死对电池的影响。对于移动机器人，卡死时电机大电流放电，会导致电池电压瞬间跌落，可能触发低电量保护，造成故障叠加。

2.3 低电量异常：定义、触发条件与典型场景

2.3.1 核心原理

低电量异常是指机器人动力电池的剩余电量（State of Charge, SOC）低于安全运行阈值，无法保证机器人完成当前任务或安全返回充电站。低电量保护的核心目标是“保底续航”——确保机器人有足够电量执行安全停机动作，而不是在任务中途突然断电。

2.3.2 触发条件与判断方法

低电量的判断不能只看SOC百分比，还需要结合电压、电流和温度进行综合评估：

1. SOC阈值：一般设定两级阈值——警告阈值（如30%）和强制保护阈值（如15%）。
2. 电压跌落速率：当电池在大电流放电时，电压会瞬时跌落。若电压在1秒内跌落超过5V（以48V系统为例），说明电池内阻增大或即将耗尽。
3. 剩余能量估算：根据当前平均功耗和剩余电量，估算可运行时间。若可运行时间小于返回充电站所需时间+安全余量（如5分钟），则触发保护。
4. 单体电池电压：对于锂电池组，若任一单体电压低于最低允许值（如3.0V），即使总SOC尚可，也必须触发保护，防止电池过放损坏。

2.3.3 典型场景与案例拆解

场景：某仓储物流中心的自动分拣机器人，在执行夜间连续分拣任务时，由于任务量超出预期，电池电量快速下降。

2.3.4 常见误区

• 误区一：低电量保护就是“没电了才停”。实际上，低电量保护应在任务执行前就进行“任务可行性评估”，如果电量不足以完成任务，应提前拒绝任务或调整任务优先级。
• 误区二：SOC百分比是唯一指标。电池老化后，SOC 30%的实际可用能量可能只有新电池的60%。应结合电池健康状态（SOH）进行修正。
• 误区三：低电量时仍允许高速运动。低电量时电池内阻增大，大电流放电会导致电压进一步跌落，可能触发欠压保护，反而加速断电。应主动降速降功率。

2.4 急停异常：定义、触发条件与典型场景

2.4.1 核心原理

急停（Emergency Stop）是机器人系统中最高优先级的安全机制，其设计遵循“失效安全”原则——即无论控制系统是否正常工作，急停回路必须能够独立切断动力源。急停不是软件功能，而是硬件安全回路的一部分，通常由急停按钮、安全继电器、接触器和抱闸电路组成。

2.4.2 触发条件与判断方法

急停的触发条件相对简单，但工程实现要求极高：

• 物理按钮触发：操作人员按下红色蘑菇头急停按钮，按钮常闭触点断开。
• 安全PLC信号：安全光幕、安全门锁、安全扫描仪等外部安全设备触发时，向安全PLC发送信号，安全PLC切断急停回路。
• 控制器故障：当控制器检测到看门狗超时、内存校验错误等致命故障时，主动触发急停。
• 通信丢失：对于移动机器人，若与上位机的通信中断超过设定时间（如500ms），为防失控，自动触发急停。

2.4.3 典型场景与案例拆解

场景：某注塑车间，一台三轴桁架机器人在高速取件时，操作人员发现工件未完全脱模，为防止模具损坏，按下急停按钮。

2.4.4 常见误区

• 误区一：急停按钮越多越好。急停按钮过多会导致误触概率增加，且每个按钮都需要独立接线和测试。一般建议在操作面板、机器人本体前后端、安全围栏入口处设置即可。
• 误区二：急停后可以立即重新启动。急停复位后，必须执行完整的安全确认流程，包括检查机械位置、确认无人员处于危险区域、重新初始化运动参数。
• 误区三：急停只切断电机电源即可。对于气动或液压驱动的机器人，还需要同时切断气源/液压源，否则残余压力可能导致执行器继续运动。

2.5 四类异常的对比与综合管理

为了在实际项目中快速区分和响应，下表对四类异常进行了横向对比：

在实际系统设计中，四类异常并非完全独立。例如，碰撞可能导致电机堵转，进而触发卡死保护；卡死时的大电流会加速电量消耗，可能同时触发低电量警告；而急停则是所有异常处理失败后的最终兜底手段。因此，异常保护逻辑应采用分层设计：

• 第一层（软件保护）：碰撞检测、卡死检测、低电量管理，由运动控制器和电池管理系统（BMS）协同完成。
• 第二层（硬件保护）：急停回路、安全继电器、抱闸电路，独立于软件运行。
• 第三层（机械保护）：机械限位挡块、缓冲器、扭矩限制器，作为最后一道物理防线。

综上所述，碰撞、卡死、低电量与急停构成了机器人异常保护的核心框架。理解它们的定义、触发条件与典型场景，是后续设计具体保护算法、配置安全参数和制定运维规范的前提。在实际工程中，建议结合具体机器人的机械结构、驱动方式和应用环境，对上述阈值和响应策略进行针对性调整，并通过故障注入测试验证保护逻辑的有效性。