1. 课程导入
协作机器人（Cobot）与传统工业机器人最大的区别，不在于外形，而在于它被允许与人共享同一工作空间。这一许可的前提，是机器人必须具备"感知碰撞、判断风险、控制力量"的能力。本课程围绕碰撞检测与安全力控两条主线展开，帮助你建立从原理到工程落地的完整认知。
学习目标：理解碰撞检测与力控的物理本质；掌握电流环、关节力矩、末端六维力等信号链；能读懂安全标准中的力与压强限值；能针对典型场景选择检测与柔顺控制方案。
一、核心概念：从"碰撞"到"安全"的三层含义
碰撞检测解决的是"有没有碰到"的问题，安全力控解决的是"碰到之后怎么办"的问题，而功能安全解决的是"万一失效如何兜底"的问题。三者层层递进，构成协作机器人安全体系。
- 碰撞检测（Collision Detection）：通过观测关节电流、力矩、位置偏差或外部传感器信号，判断机器人与外界是否发生非预期接触，并快速触发停止或回退。
- 安全力控（Safe Force Control）：在接触发生后，通过阻抗控制、导纳控制或力位混合控制，把接触力限制在人体可承受范围内，实现"柔顺"而非"硬碰"。
- 功能安全（Functional Safety）：以 ISO 10218、ISO/TS 15066 为依据，通过安全-rated 监控、双通道架构、安全限速与限力，保证单点故障下仍不产生伤害。
需要特别区分两个易混概念：碰撞检测是"事件触发"，追求快；力控是"连续调节"，追求稳。前者是开关量思维，后者是闭环控制思维。
二、整体框架：感知—判断—执行—验证
本课程的知识体系可归纳为一条信号链：传感器/电流采样 → 碰撞特征提取 → 阈值与算法判断 → 安全策略执行 → 验证与复盘。下图给出整体框架与关键对象。
三、方法流程：一次碰撞事件的完整处理
- 采样：以 1 kHz 级别读取关节电流与编码器数据，末端力传感器同步采样。
- 建模：用机器人动力学模型计算无接触时的期望力矩，得到残差信号。
- 检测：残差超过自适应阈值即判定碰撞，估计碰撞方向与等效外力。
- 响应：按安全等级选择停止、回退或切换阻抗控制，限制接触力。
- 恢复：确认环境安全后复位，记录事件数据用于阈值与参数优化。
下面是一段典型的碰撞检测参数配置示例，用于说明工程中真正需要整定的量：
collision_detection:
sample_rate: 1000 Hz
observer: momentum_based
threshold:
base: 8.0 N·m
adaptive_gain: 0.35
reaction:
stop_time: 20 ms
retract_distance: 15 mm
force_control:
mode: impedance
Kp: 800 N/m
Kd: 40 N·s/m
F_max: 140 N
p_max: 190 N/cm²四、行业应用概览与安全限值
碰撞检测与力控并非实验室概念，它直接决定了协作机器人能否进入产线。下表列出典型场景与关注重点。
| 应用场景 | 典型任务 | 检测重点 | 力控要求 |
|---|---|---|---|
| 人机协同装配 | 轴孔插入、卡扣压装 | 接触瞬间的微小力突变 | 低刚度柔顺，力跟踪精度高 |
| 打磨与抛光 | 曲面恒力跟踪 | 工具与工件异常碰撞 | 恒力控制，抗扰性强 |
| 医疗与康复 | 辅助牵引、按摩 | 人体接触力上限 | 严格限力，失效安全 |
| 物流分拣 | 抓取、码垛 | 误抓与碰撞停机 | 快速恢复，节拍优先 |
| 教学科研 | 算法验证 | 可观测性与可调参 | 开放接口，便于复现 |
ISO/TS 15066 给出了人体各部位准静态接触力与压强限值，例如手部约 140 N、腹部约 110 N，压强限值多在 190 N/cm² 量级。工程中应把这些限值作为 F_max 与 p_max 的设计输入，而不是事后验证。
五、常见误区与复盘要点
误区一：把"碰撞检测"等同于"装了力传感器"。实际上，基于电流与动量观测的无传感器方案在多数关节型协作机器人上已足够灵敏，力传感器更多用于精细力控。
- 误区二：阈值越低越安全。阈值过低会导致误触发，频繁停机反而降低安全性，因为操作者可能习惯性绕过安全逻辑。
- 误区三：只关注峰值力，忽略压强。尖锐末端在相同力下压强更高，伤害更大，必须同时约束 F 与 p。
- 误区四：忽略检测延迟。从碰撞发生到停止的位移与延迟直接相关，20 ms 与 100 ms 的后果差异显著。
- 复盘要点：记录碰撞时刻的残差曲线、触发阈值、停止距离与接触力峰值，形成可追溯的安全档案。