随着智能制造技术的快速发展，协作机器人因其灵活性与安全性逐渐取代传统工业机器人成为产线主流。在人机共存的工作环境中，碰撞安全性能直接决定了设备能否投入实际应用。碰撞安全测试不仅是产品合规上市的必要门槛，更是保障操作人员生命健康的关键防线。通过科学的测试手段验证机器人在意外接触下的力控表现，能够有效识别潜在风险并进行技术优化，确保人机协作场景下的本质安全。
一、核心标准与法规依据
协作机器人的安全测试并非凭空进行，而是严格遵循国际与国内通行的技术标准体系。理解这些标准是开展测试工作的前提，也是确保测试结果具备法律效力的基础。
1. 国际标准体系
ISO 10218 系列标准规定了机器人系统的安全要求，而针对协作机器人特有的安全特性，ISO/TS 15066 提供了具体的技术指南。该技术规范详细定义了人机协作的四种模式，并重点针对碰撞与挤压场景提出了生物力学限值要求。测试过程中需严格参照该标准中规定的身体部位疼痛阈值，确保机器人在接触人体时的力和压力不超过限定范围。
2. 国内合规要求
在中国市场，GB/T 36008 系列标准等效采用了 ISO 国际标准，成为国内协作机器人检测认证的主要依据。企业若希望产品获得 CR 认证或进入特定行业供应链，必须通过符合国标要求的碰撞安全测试。此外，出口欧美市场的产品还需满足 CE 认证或 UL 认证中的相关安全条款，不同地区的法规细节存在差异，需针对性调整测试方案。
二、碰撞安全测试关键指标
碰撞安全测试的核心在于量化机器人对人体的潜在伤害能力。主要评估指标包括接触力、接触压力以及动态冲击能量。这些指标需与人体生物力学耐受极限进行比对，以判定安全等级。
| 身体部位 | 最大力限值 (N) | 最大压力限值 (N/cm²) | 风险等级 |
|---|---|---|---|
| 头部 | 120 | 16 | 高 |
| 胸部 | 150 | 20 | 中 |
| 手臂 | 180 | 25 | 低 |
| 腿部 | 200 | 30 | 低 |
上述数据参考了 ISO/TS 15066 中的生物力学限值表，实际测试中需根据具体接触部位选择对应的阈值。值得注意的是，限值并非固定不变，需结合接触持续时间、接触面积以及人体姿态进行综合评估。测试报告必须明确记录每一次碰撞过程中的峰值力与峰值压力，并确保所有数据均在安全范围内。
三、测试场景与方法论
真实的工业场景复杂多变，测试必须覆盖多种可能的碰撞情形。根据接触性质不同，主要分为瞬态接触与准静态接触两大类，每种场景对应的测试方法与风险评估逻辑存在显著差异。
1. 瞬态接触测试
瞬态接触指机器人与人体发生短暂碰撞后迅速分离的情况，常见于机器人快速运动过程中的意外撞击。测试重点在于测量冲击过程中的动态力峰值。需要使用高响应频率的力传感器捕捉毫秒级的力变化曲线，确保峰值不超过生物力学限值。此类测试通常模拟机器人全速运行状态，验证急停功能与力控算法的有效性。
2. 准静态接触测试
准静态接触指机器人与人体接触后持续施加压力的情况，常见于夹持或挤压场景。测试重点在于测量持续作用下的压力分布。需使用仿生模型模拟人体组织硬度，记录接触面积内的平均压力与最大压力。此类测试风险较高，需严格控制测试速度与作用时间，防止对测试设备或模拟模型造成不可逆损伤。
四、测试设备与评估流程
专业的碰撞安全测试离不开高精度的检测设备与规范的执行流程。硬件设备的精度直接决定数据的可信度，而流程的规范性则确保测试结果的可复现性。
- 高精度六维力传感器：用于捕捉碰撞过程中的多方向力矩变化，分辨率需达到牛顿级。
- 生物力学仿真模型：包括头部、胸部等关键部位的仿生dummy，其硬度与弹性需接近真实人体组织。
- 高速数据采集系统：采样频率需高于 1kHz，确保不遗漏瞬态冲击的峰值数据。
- 运动捕捉系统：辅助记录机器人末端轨迹与速度，验证速度监控功能是否生效。
评估流程通常分为预测试检查、正式测试执行与数据分析三个阶段。预测试阶段需校准所有传感器并检查机器人安全参数设置；正式测试阶段需按照预设路径重复执行碰撞动作，每个测试点至少重复三次以取平均值；数据分析阶段需将采集数据与标准限值比对，生成详细的风险评估报告。任何一项指标超标均视为测试不通过，需返回设计阶段进行整改。
五、测试总结与合规建议
碰撞安全测试是协作机器人研发与认证过程中不可忽视的关键环节。企业应建立常态化的安全测试机制，不仅在新品发布前进行检测，还应在软件升级或硬件变更后重新评估安全性能。合规不仅仅是为了拿到证书，更是为了构建可靠的产品竞争力。通过严格的测试验证，可以有效降低售后风险，提升品牌在高端制造领域的信任度。
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