协作机器人手臂：EN ISO 10218-1碰撞感应与安全停机测试解析

新闻中心 / 2026-05-15 14:39:09

一、标准核心要求与定义

EN ISO 10218-1:2025 作为工业机器人安全的核心标准，将碰撞检测明确定义为安全相关控制功能，要求机器人在检测到意外接触时，必须在限定时间内触发保护性停止 (Protective Stop)或分级响应 (预警、减速、回退)，以将碰撞力控制在人体耐受范围内。该标准已整合原 ISO/TS 15066 协作机器人技术规范，明确了生物力学极限值，为 29 个人体部位设定了最大允许作用力和压力负荷范围。

核心安全指标包括：

响应时间：碰撞检测至触发安全停机≤5ms

动态功率限制：协作模式下≤80W

安全功能等级：碰撞检测系统需达到PLd/SIL 2最低要求

停止类别：必须支持 \\0 类 (立即切断动力)或1 类 (受控停止后切断动力)\\保护停止

二、碰撞感应技术原理与实现方案

1. 关节扭矩 / 力传感技术

这是主流协作机器人 (如库卡 LBR iiwa、优傲 UR 系列) 采用的核心技术，通过在关节处集成高精度扭矩传感器，实时监测受力变化，可感知低至0.1N的微小外力。系统通过对比当前扭矩与模型预测值的偏差，判断是否发生碰撞。

2. 电流 / 功率监测法

通过监测电机电流变化间接推算输出力，成本较低但灵敏度有限，适用于负载稳定的场景。

3. 视觉与距离传感融合

结合激光雷达、3D 相机构建安全空间，实现速度与分离监控 (SSM)，人靠近时自动降速，进入危险区则立即停止。

4. 阻抗控制算法

通过动态调整机器人关节刚度，实现碰撞时的柔性响应，既保证安全性又维持作业精度。

三、安全停机机制与分级响应

EN ISO 10218-1 要求协作机器人具备三级安全响应机制：

响应级别

触发条件

执行动作

安全目标

初级预警

接近安全阈值 (通常为阈值的 70%)

声光提示、减速

提醒操作员、降低碰撞能量

中级干预

达到预警阈值

暂停当前动作、尝试回退安全距离

避免持续接触、降低伤害风险

紧急制动

超过安全阈值

触发 0 类 / 1 类保护性停止

防止严重伤害

安全停机后，系统必须保持状态信息 (含程序) 以便重启，同时提供 \\安全监控停止 (Monitored Standstill)\\功能，在驱动电源激活状态下监控机器人位置，防止意外移动。

四、合规性测试方法与关键流程

1. 测试设备要求

专用力 / 压强测量系统：模拟人体软组织和骨骼结构的测试探头，符合 ISO 10218-1 附录 D 规定

高速数据采集系统：采样率≥10kHz，确保捕捉 5ms 内的力变化

碰撞测试平台：可调节角度和速度的线性驱动装置，模拟不同碰撞场景

安全功能验证工具：检测 PLd/SIL 2 等级合规性

2. 核心测试项目

(1) 碰撞力与压力验证

在机器人工作空间的关键位置(如末端执行器、关节、手臂中部) 进行测试，验证：

瞬态接触 (撞击)：峰值力≤150N(头部 / 颈部区域更低)

准静态接触 (挤压)：持续力≤50N，压强≤1.5MPa

(2) 响应时间测试

通过高速摄影与力传感器同步采集，测量从碰撞发生到机器人速度降至 0 的时间，必须≤5ms。

(3) 安全停机功能验证

测试 0 类 / 1 类停止的有效性，包括：

停机后位置保持精度

重启前的安全确认机制

故障状态下的安全降级性能

(4) 动态功率测试

在最大负载和最高速度下，测量机器人的动态功率消耗，确保≤80W。

3. 测试流程规范

预测试校准：确认机器人处于标准工作状态，传感器校准合格

测试场景设计：覆盖所有典型工作姿态和速度组合

数据采集：同步记录力、位置、速度和控制信号

数据分析：验证是否符合标准限值，生成测试报告

整改与复测：对不达标项进行调整后重新测试

五、常见问题与合规建议

灵敏度与效率平衡：碰撞阈值设置过低易导致误触发，过高则影响安全性，建议通过分级阈值实现动态调整

负载变化影响：负载变化会改变碰撞检测灵敏度，需建立负载 - 阈值映射表，动态调整参数

维护与校准：定期 (建议每 6 个月) 对扭矩传感器进行校准，确保检测精度

系统集成验证：不仅验证机器人本体，还需测试末端执行器和周边设备对碰撞检测的影响

六、总结

EN ISO 10218-1:2025 为协作机器人碰撞安全设定了严格标准，通过碰撞感应技术与分级安全停机机制的结合，实现人机协作的本质安全。合规测试需覆盖力 / 压力限值、响应时间、安全功能等级等核心指标，确保机器人在各种工况下都能将碰撞伤害风险降至最低。制造商应将安全设计融入产品开发全流程，用户则需定期验证设备安全性能，共同构建人机协作的安全生态。

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