2. UR机器人本体安全特性解析

UR机器人（Universal Robots）之所以在协作机器人领域被广泛用于人机共融场景，核心原因并不只是“轻”或“慢”，而是其本体从关节到控制器、从固件到安全I/O，构建了一条相对完整的安全链路。理解这条链路，是后续做风险评估、安全配置和验证的前提。本节围绕UR3/UR5/UR10/UR16/UR20/UR30各系列的安全相关硬件与固件特性、关节力矩传感与电流监控、安全停止类别、安全I/O接口与安全信号定义展开。

一、各系列本体的安全相关硬件差异

UR各系列在安全架构上共享同一套设计理念，但随负载能力提升，机械与电气参数差异会直接影响安全性能。UR3、UR5、UR10属于早期经典系列，UR16e、UR20、UR30属于e系列及后续高负载平台。e系列在编码器、关节力矩传感、安全固件和安全I/O上做了明显增强。

需要强调的是，负载越大、臂展越长，同样的安全停止类别下，机器人末端停止距离和停止时间通常越大。因此，UR30在相同速度下比UR3需要更大的安全距离，这是后续做安全区域和速度限制时必须考虑的物理事实。

二、关节力矩传感与电流监控

UR机器人每个关节内部都集成了电流环与力矩估计机制。其基本思路是：电机驱动器根据电流推算输出力矩，再结合关节位置、速度和动力学模型，估计外部接触力。当估计值超过设定阈值时，控制器触发保护性停止。e系列进一步引入关节力矩传感器或更高精度的力矩估计，使碰撞检测更灵敏。

实际配置中，Polyscope界面提供“安全”菜单下的“力”设置，可分别设置TCP力、关节力矩和碰撞灵敏度。例如，在UR5e上做装配任务时，可将TCP力限制设为50 N，关节力矩限制设为默认值的60%，碰撞灵敏度设为“高”。这样当末端接触工件时，机器人能更快停止，而不是继续施力。

三、安全停止类别与固件行为

UR机器人支持多种安全停止类别，常见包括：

• 类别0停止：立即切断电机动力，机器人自由滑行停止。响应最快，但停止距离不可控，适合紧急情况。
• 类别1停止：先按受控减速停止，再切断动力。兼顾速度与可控性，是协作场景常用方式。
• 类别2停止：保持动力，按受控方式停止，停止后仍保持位置。适合需要恢复运行的场景。

在UR固件中，安全停止类别与安全输入信号绑定。例如，当安全输入触发“保护性停止”时，机器人按配置的停止类别执行；当触发“紧急停止”时，通常执行类别0或类别1。配置时需在“安全”->“安全输入”中为每个输入分配功能，并选择停止类别和停止时间。

示例：安全输入配置
输入名称：S_IN_0
功能：保护性停止
停止类别：类别1
停止时间：500 ms
触发条件：低电平有效

停止时间设置过短可能导致机械冲击，过长则增加安全距离。一般建议根据负载和速度，在100~500 ms之间选取，并通过实际测量停止距离验证。

四、安全I/O接口与安全信号定义

UR控制器提供安全I/O接口，包括安全输入和安全输出。安全输入用于接收外部安全信号，如安全门、光幕、急停按钮；安全输出用于向外部设备反馈机器人安全状态。e系列和UR20/UR30通常提供双通道安全输入，以满足PLd/Cat.3或更高安全等级。

常见安全信号定义如下：

接线时需注意：安全输入通常要求双通道且反相，以便检测线路故障。例如，S_IN_0和S_IN_1同时接入安全门开关的两路常闭触点，只有当两路都闭合时，机器人才能运行。若一路断开，控制器检测到不一致，立即触发安全停止。

五、从本体到系统的安全链路

将上述内容串起来看，UR机器人的本体安全特性可以理解为一条从物理关节到安全输出的链路：关节力矩传感与电流监控负责感知碰撞，安全固件负责判断并触发停止，安全停止类别决定停止方式，安全I/O负责与外部安全设备交互。这条链路的每一环都影响最终的安全性能。

在实际项目中，建议先确认机器人系列和固件版本，再根据任务风险选择停止类别和力阈值，最后通过安全I/O与外部设备联调。验证时可用力传感器或测力计在末端施加已知力，观察机器人是否在设定阈值内停止，并记录停止距离和停止时间。只有这些数据与风险评估中的安全距离匹配，才能认为本体安全配置有效。