2. UR协作机器人安全基础

协作机器人（Collaborative Robot，简称Cobot）并不是“没有危险的机器人”，而是通过设计、控制与使用方式，使人与机器人在同一工作空间内可以安全共处的机器人系统。理解这一点，是学习UR安全应用的前提。传统工业机器人通常被围栏隔离，人机之间存在物理屏障；协作机器人则允许人在特定条件下进入机器人工作区域，甚至与机器人共享任务节拍。这种“共享”必须建立在标准框架、风险评估和产品安全特性三者协同的基础之上。

协作机器人的定义与四种协作模式

根据ISO 10218系列标准，协作机器人是指“设计用于与人共享工作空间的机器人”。这里的“共享”不是简单的空间重叠，而是指在协作工作空间内，人与机器人可以同时执行任务。标准进一步定义了四种协作操作模式，理解这四种模式是判断安全策略的基础：

• 安全-rated 监控停止（Safety-rated Monitored Stop）：机器人运动时，人不得进入协作空间；当人进入时，机器人停止运动，但保持通电状态，无需重新启动即可恢复。UR的“保护性停止”即对应此模式。
• 手动引导（Hand Guiding）：操作员通过手柄或直接拖动机械臂进行示教，机器人以受限速度和力运行。UR的“ Freedrive”模式即属于此类。
• 速度与分离监控（Speed and Separation Monitoring）：系统实时监测人与机器人的距离，动态调整机器人速度，保持安全距离。这需要外部传感器或安全雷达配合。
• 功率与力限制（Power and Force Limiting，PFL）：机器人本身通过力/功率限制来避免伤害，无需外部安全围栏。UR的多数协作应用依赖此模式，也是ISO/TS 15066重点规范的内容。

需要强调的是，UR机器人出厂时具备PFL能力，但最终是否安全，取决于应用场景、末端执行器、工件、安装姿态和风险评估结果。机器人本体安全不等于系统安全。

UR产品系列的安全特性

UR（Universal Robots）目前主流产品包括UR3e、UR5e、UR10e和UR16e，以及新一代UR20、UR30。各型号在负载、臂展和关节速度上不同，但安全架构具有高度一致性。以下从安全功能角度梳理UR产品的关键特性：

• 安全-rated 停止功能：包括保护性停止、紧急停止、安全限位停止。这些功能通过安全控制器和双通道架构实现，符合ISO 13849-1的PLd/Cat.3要求。
• 力/功率限制：UR机器人关节内置力矩传感器，可实时检测外力。当外力超过设定阈值时，机器人立即停止或回退。该阈值可在PolyScope界面中配置，但必须基于ISO/TS 15066的力/压力限值进行验证。
• 安全输入/输出：UR控制器提供安全I/O接口，可连接安全门锁、安全光幕、使能装置等外部安全设备，实现系统级安全联锁。
• 安全限位与安全速度：可配置关节角度限位、工具姿态限位、TCP速度限位等，防止机器人进入危险区域或超速运行。
• Freedrive与手动引导：在手动模式下，机器人以低力运行，操作员可拖动机械臂进行示教，松开后机器人保持位置。

以UR5e为例，其典型安全参数包括：最大TCP速度可限制在250 mm/s以下（协作模式常用值），关节力矩传感器分辨率可达0.1 N·m量级，保护性停止响应时间约10 ms。这些参数是配置安全策略的起点，但实际安全验证必须结合具体应用。

ISO 10218与ISO/TS 15066标准框架

ISO 10218是工业机器人安全的通用标准，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。2011版首次引入协作机器人概念，但未给出具体的力/压力限值。ISO/TS 15066作为技术规范，专门补充了协作机器人的安全要求，尤其是功率与力限制模式下的生物力学限值。

ISO/TS 15066的核心贡献在于：它给出了人体各部位（如手、手臂、胸部、腿部）在准静态接触和瞬态接触下的力与压力限值。例如，手部准静态接触的力限值约为140 N，压力限值约为190 kPa；瞬态接触的力限值可更高，但持续时间极短。这些限值用于验证机器人在碰撞时是否会造成伤害。

标准框架还要求进行风险评估，流程包括：识别危险源、评估风险、实施降低措施、验证剩余风险。对于协作应用，验证通常包括：测量接触力/压力、检查停止时间与距离、确认安全-rated功能有效。UR机器人提供的安全配置工具和日志功能，可辅助完成部分验证工作，但不能替代完整的风险评估报告。

标准、产品与应用的协同关系

从上面的关系图可以看出，ISO 10218与ISO/TS 15066提供了“规则”，UR产品提供了“工具”，而协作模式是“策略”。三者必须协同：标准告诉你力限值是多少，UR机器人告诉你如何配置力限制，而协作模式决定你采用哪种安全策略。例如，在一个典型的UR5e装配工位中，若采用PFL模式，需要根据ISO/TS 15066的手部限值（约140 N）设定UR的力限制阈值，并通过实际测量验证接触力不超过该值。若采用安全监控停止模式，则需配置安全光幕或区域扫描仪，确保人进入时机器人停止。

实际工程中，常见误区是“UR机器人本身安全，所以不需要风险评估”。这是错误的。UR机器人是安全-rated设备，但末端执行器（如夹爪、焊枪、吸盘）可能带来新的危险源，工件可能尖锐或高温，安装姿态可能使机器人以高速撞击人体。因此，任何协作应用都必须进行完整的风险评估，并保留验证记录。

安全配置的关键参数与判断依据

在UR PolyScope界面中，安全配置主要包括：安全限位（关节角度、工具姿态、TCP速度）、安全输入/输出（紧急停止、保护性停止、安全门）、力限制（关节力矩阈值、TCP力阈值）。配置完成后，需通过“安全验证”功能检查配置是否生效。判断依据包括：

• 保护性停止响应时间是否满足应用节拍要求；
• 力限制触发后，机器人是否在安全距离内停止；
• 安全-rated功能是否达到PLd/Cat.3；
• 接触力/压力是否低于ISO/TS 15066对应人体部位的限值。

只有这些条件全部满足，协作应用才能被认定为安全。标准框架不是束缚，而是让协作机器人真正发挥价值的保障。