2. 协作机器人基础
协作机器人（Collaborative Robot，简称 Cobot）并不是“普通工业机器人加一层软垫”这么简单。它的核心定义是：能够在共享工作空间中与人类直接协同作业，并满足相应安全要求的机器人系统。理解这一定义，需要同时抓住三个关键词：共享空间、人机协同、安全合规。缺少任何一项，都不能称为真正意义上的协作机器人。
一、协作机器人的定义与分类
按照 ISO/TS 15066 与 ISO 10218 的框架，协作机器人通常通过四种协作方式实现人机共存：
- 安全监控停止：人进入区域时机器人停止，人离开后恢复运行。
- 手动引导：操作者通过手柄或直接拖动示教器引导机器人运动。
- 速度与分离监控：机器人根据人机距离动态调整速度，保持安全间距。
- 功率与力限制：机器人本体限制碰撞力与功率，实现本质安全。
从结构形态上，协作机器人可分为关节型、SCARA 型、直角坐标型与并联型；从应用场景上，又可分为桌面级、移动式、双臂式与专用型。分类方式不同，但共同点是：安全策略必须与结构、负载、速度、工作空间匹配。
二、典型结构与自由度
目前最常见的协作机器人采用六自由度串联关节结构，即 J1 到 J6 六个旋转关节。六个自由度使机器人能够在三维空间中到达任意位置并调整姿态，适合抓取、装配、拧螺丝、涂胶等复杂任务。部分场景使用五自由度或七自由度：五自由度成本更低，但姿态调整能力受限；七自由度冗余度更高，避障与姿态优化更灵活，但控制复杂度也更高。
典型结构还包括：
- 基座：固定机器人，提供稳定支撑。
- 关节模块：集成电机、减速器、编码器与力矩传感器。
- 连杆：连接各关节，决定臂展与刚度。
- 末端法兰：安装夹爪、吸盘、力传感器等工具。
- 控制柜与示教器：负责运动规划、安全监控与人机交互。
自由度直接决定机器人能否到达目标位姿。对于六自由度机器人，通常存在多组逆解；对于七自由度机器人，则存在无穷多组解。实际控制中需要结合关节限位、奇异位形、避障与力控需求选择最优解。
三、工作空间、负载与速度的关键参数
工作空间是机器人末端能够到达的所有位置集合，通常由臂展、关节限位与安装方式共同决定。选型时不能只看“最大臂展”，还要看有效工作空间：即在实际姿态约束、避障要求和工具尺寸下，机器人仍能稳定完成任务的区域。
负载参数需要区分额定负载与有效负载。额定负载是厂商给出的最大质量，但实际可用负载必须扣除末端工具、法兰、线缆与工件重量。若工具重心偏离法兰中心，还会产生附加力矩，导致机器人实际动态性能下降，甚至触发过载保护。
速度参数包括关节最大速度与 TCP 最大速度。协作模式下，速度往往不是越高越好，而是要与安全监控策略联动：当人靠近时降速，当人离开时恢复。速度越高，碰撞风险与动能越大，对力控与检测算法的实时性要求也越高。
| 参数 | 含义 | 典型关注点 | 对碰撞检测与力控的影响 |
|---|---|---|---|
| 自由度 | 独立运动轴数量 | 6 轴主流，7 轴冗余 | 影响逆解选择与奇异位形规避 |
| 工作空间 | 末端可达位置集合 | 臂展、关节限位、安装姿态 | 决定安全区域划分与监控范围 |
| 额定负载 | 法兰可承受最大质量 | 需扣除工具与工件重量 | 影响碰撞力阈值设定 |
| TCP 速度 | 末端最大线速度 | 协作模式下需限速 | 速度越高，碰撞动能越大 |
| 重复定位精度 | 多次到达同一点的一致性 | 装配、拧螺丝场景关键 | 影响力控接触稳定性 |
四、案例与场景：从选型到安全验证
假设某电子装配工位需要机器人完成 PCB 取放与螺丝锁付。工件质量 0.5 kg，夹爪与力传感器合计 1.2 kg，要求节拍 8 秒/件，人与机器人共享同一桌面。选型时可按以下流程推进：
- 确定工作空间：测量桌面取放点与锁付点，确认臂展覆盖范围并预留 15% 余量。
- 计算有效负载：0.5 + 1.2 = 1.7 kg，选择额定负载 3 kg 以上的机型。
- 校核速度与节拍：根据路径长度与加减速时间，估算 TCP 速度是否满足 8 秒节拍。
- 设定协作模式：人靠近时降速至 250 mm/s 以下，并启动力限制。
- 验证安全：通过力传感器与碰撞检测算法，确认接触力不超过 ISO/TS 15066 限值。
# 协作机器人关键参数配置示例（伪代码）
robot:
dof: 6
payload_rated: 3.0 kg
payload_effective: 1.7 kg
reach: 620 mm
tcp_speed_max: 1.0 m/s
collaborative_speed: 0.25 m/s
force_limit: 140 N
safety_mode: power_and_force_limiting
workspace_monitor: enabled
五、常见误区与复盘
- 误区一：只看额定负载。忽略工具与工件重量，导致实际运行中频繁过载报警。
- 误区二：把最大臂展当有效工作空间。未考虑姿态约束与避障，现场出现“够不到”或“姿态别扭”。
- 误区三：协作模式等于绝对安全。协作机器人仍需风险评估、安全区域划分与定期验证。
- 误区四：速度越低越安全。速度过低影响节拍，且某些工况下需要足够速度完成力控接触，需综合平衡。
掌握本节的关键参数，是后续学习碰撞检测与安全力控的基础。只有先明确机器人“能到哪、能拿多重、能跑多快、能施加多大力”，才能合理设计检测阈值、力控策略与安全监控逻辑。