1. UR安全平面与功能安全工程导论
在协作机器人应用中，安全不是一个附加选项，而是决定系统能否落地的前提。UR（Universal Robots）机器人以其轻量化、易编程和开放接口被广泛用于柔性产线，但“协作”二字并不意味着天然安全。真正让一台 UR 机器人进入可交付、可验收状态的，是一套围绕安全平面组织起来的功能安全工程方法。本节作为全课程的开篇，先厘清安全平面的定义，再说明功能安全工程要达成的目标，最后给出整门课程的知识路线与学习成果。
一、什么是 UR 安全平面
UR 安全平面并不是一块物理挡板，而是由控制器内部安全功能所定义的一组虚拟边界与约束条件。它把机器人的运动空间、速度、力矩和停止行为，用可配置、可监控、可验证的参数描述出来。当机器人本体、工具（TCP）或关节运动触及这些约束时，安全系统会触发相应的限制或停止反应。
从工程视角看，UR 安全平面包含三个层次：
- 空间层：安全边界（Safety Boundary）、安全平面（Safety Plane）、工具姿态限制等，用于约束“机器人能到哪里”。
- 运动层：TCP 速度限制、关节速度限制、力矩限制，用于约束“机器人以多快、多大力运动”。
- 反应层：安全停止类别（如保护性停止、紧急停止）、停止距离与停止时间，用于约束“越界后如何停下来”。
这三层共同构成一个可配置的安全包络。以 PolyScope 中的安全配置为例，一个典型的安全平面由“平面法向、平面偏移、限制类型”三个要素确定。假设在机器人基坐标系下设置一个限制机器人向工作台方向运动的平面，法向取基坐标 Z 轴负方向，偏移量设为 −150 mm，则机器人 TCP 在 Z 方向被限制在 −150 mm 以上区域。这里的坐标系约定必须全文统一：所有安全平面参数均以机器人基坐标系为参照，若使用工具坐标系或用户坐标系，必须在配置中显式切换并记录。
二、功能安全工程的目标
功能安全工程的目标，不是让机器人“绝对不出事”，而是把风险降低到可接受水平，并且这种降低是可量化、可验证、可复现的。围绕 UR 平台，这一目标可拆解为四项具体任务：
- 风险识别与评估：依据 ISO 12100 与 ISO 10218，识别协作场景中的挤压、碰撞、夹持等危险，确定所需性能等级（PLr）。
- 安全功能设计：把风险降低需求转化为具体的安全功能，如安全 rated 监控停止、安全限制速度（SLS）、安全限制力矩等。
- 参数配置与实现：在 PolyScope 安全配置中落地边界、速度、力矩、停止类别等参数，并设置密码保护与配置校验。
- 验证与确认：通过手动测试、测量停止距离与时间、记录验证结果，确认安全功能达到设计目标。
这四项任务不是一次性动作，而是贯穿设计、集成、调试、验收和运维的闭环。功能安全工程的价值，正体现在这个闭环能否被完整执行并留下证据。
三、课程整体路线图
本课程共 30 章，按“认知—设计—配置—验证—运维”的逻辑展开。下图给出课程主线与各阶段的核心对象关系，帮助你在学习每一章时知道它处在整体工程的哪个位置。
路线图左侧是认知与法规，解决“为什么做、依据什么做”；中间是安全功能设计，解决“做什么”；右侧是配置与验证，解决“怎么做、怎么证明做对了”。底部闭环强调：功能安全不是一次性配置，而是持续维护的证据链。
四、学习成果
完成本课程后，你应当能够独立完成以下工作：
- 用规范语言描述一个协作机器人应用的安全平面，包括坐标系、法向、偏移与限制类型。
- 依据风险评估结果，选择合适的安全功能与停止类别，并说明选择理由。
- 在 PolyScope 中完成安全边界、速度、力矩等参数的配置，并正确设置密码保护。
- 设计并执行停止距离与停止时间测试，记录数据并判断是否满足安全距离要求。
- 识别常见配置错误（如法向反向、坐标系混用、停止类别不匹配），并给出修正方案。
需要强调的是，本课程给出的所有参数、数值和测试结果，除特别说明外均为教学示例或合理假设，用于说明配置与判断方法，不代表任何具体项目的实测结论。实际工程中必须以现场测量和风险评估为准。