📚 课程目录第3章安全标准与法规

3. 安全标准与法规

协作机器人之所以能与人共享工作空间，并不是因为“机器人本身更安全”，而是因为整套系统在标准框架下被证明能把风险降到可接受水平。理解 ISO 10218、ISO/TS 15066 与 GB 11291 之间的关系，是设计碰撞检测与安全力控功能的第一步：标准决定了你要测什么、允许多大接触力、在什么条件下必须停机，以及如何留下可验证的证据。

标准不是“建议清单”，而是安全功能的验收语言。碰撞检测阈值、力控限值、停止距离与验证报告，最终都要能映射到具体条款与测试条件上。

一、标准体系的分工：从整机到协作应用

ISO 10218 是工业机器人安全的“母标准”，分为两部分：ISO 10218-1 针对机器人本体，ISO 10218-2 针对机器人系统与集成。它规定了安全相关控制系统性能等级、急停、使能装置、速度与力限制等基础要求。ISO/TS 15066 则是协作机器人专项技术规范，重点解决“人机共享空间”下的功率与力限制（PFL）以及速度与分离监控（SSM）的量化方法。GB 11291 系列对应我国工业机器人安全要求，其中 GB 11291.1 与 ISO 10218-1 高度协调，GB 11291.2 对应系统集成要求，是国内项目验收与认证的常用依据。

三者不是替代关系，而是层级关系：ISO 10218 给出通用安全架构，ISO/TS 15066 给出协作操作的量化限值，GB 11291 给出国内合规落地路径。做碰撞检测与力控时，必须同时回答“整机是否满足安全控制要求”和“协作接触是否低于人体耐受阈值”两个问题。

二、ISO/TS 15066 的核心量化逻辑

ISO/TS 15066 最具工程价值的部分，是把人体按部位划分，并给出准静态接触与瞬态接触的力/压强限值。准静态接触指人体被夹在机器人与固定面之间，持续时间较长，阈值较低；瞬态接触指短暂碰撞，允许的峰值更高但作用时间极短。标准附录中给出了不同身体部位（如手、前臂、上臂、躯干、头部）的参考限值，工程上常将其转化为机器人末端的最大允许力与最大允许压强。

对碰撞检测而言，这意味着不能只设一个“全局力阈值”。例如手部与躯干的耐受差异很大，若统一按躯干阈值设置，会导致手部接触时反应过慢；若统一按手部阈值设置，又可能造成误触发。正确做法是结合末端工具形状、接触面积与运动方向，做分区阈值映射。

# 示例：按身体部位配置力控阈值（单位：N，仅示意）
body_region_limits:
  hand:        { quasi_static: 140, transient: 280 }
  forearm:     { quasi_static: 160, transient: 320 }
  upper_arm:   { quasi_static: 180, transient: 360 }
  torso:       { quasi_static: 210, transient: 420 }
  head:        { quasi_static: 100, transient: 200 }

# 碰撞检测触发条件（伪代码）
if measured_force > region_limit[contact_region]:
    trigger_safety_stop(category=1)

三、方法流程：从标准条款到可运行的安全功能

确定协作模式：明确是安全-rated 监控停止、手动引导、速度与分离监控，还是功率与力限制。不同模式对应不同标准条款与检测策略。
开展风险评估：识别接触部位、接触方向、夹点、锐边与惯性负载，输出每个任务的风险等级。
映射限值：依据 ISO/TS 15066 附录，把身体部位限值转换为机器人末端的力、压强、速度与停止距离约束。
配置检测与力控：设置电流/力矩突变阈值、关节偏差阈值、末端六维力阈值，并确定安全停止类别与响应时间。
验证与记录：用测力计、压力感应膜或仿真复现接触场景，记录峰值力、持续时间与停止距离，形成合规证据。

四、案例场景：装配工位的 PFL 配置

某电子装配工位使用六轴协作机器人进行螺丝锁付，操作员在机器人下方取放工件。风险评估发现主要接触部位为手背与前臂，接触形式为瞬态碰撞。团队按 ISO/TS 15066 将手部瞬态限值设为 280 N，但实测发现螺丝锁付时轴向力本身可达 120 N，若阈值设得过低会频繁误停。最终方案是：将碰撞检测与工艺力分离，工艺力通过力控闭环补偿，碰撞检测只响应超出工艺包络的突变分量，并把安全停止响应时间控制在 80 ms 以内。这样既满足标准限值，又保证了节拍。

标准/规范	核心关注点	对碰撞检测与力控的要求
ISO 10218-1	机器人本体安全	安全控制系统性能等级、急停、使能装置、速度/力限制功能
ISO 10218-2	系统集成安全	安全距离、停止时间、协作空间划分与集成验证
ISO/TS 15066	协作操作量化限值	PFL 准静态/瞬态力阈值、SSM 安全距离与速度限值
GB 11291.1	国内机器人安全要求	与 ISO 10218-1 协调，作为国内认证与验收依据
GB 11291.2	国内系统集成要求	协作系统风险评估、安全功能验证与文档要求

常见误区：把 ISO/TS 15066 的限值直接当作“机器人输出力上限”。实际上限值取决于接触部位、接触面积、接触形式与持续时间，必须结合具体任务做映射，不能简单套用一个数字。

五、复盘：合规落地的三个关键动作

第一，建立“标准条款—安全功能—测试证据”的对应表，避免做完检测却无法证明符合哪一条。第二，把力控阈值与工艺力解耦，防止正常工艺力触发碰撞误报。第三，保留每次参数变更的记录，因为碰撞检测阈值、停止时间与末端负载的变化都会影响合规结论。只有把标准要求转化为可配置、可测试、可追溯的工程参数，碰撞检测与安全力控才真正具备验收意义。