工业协作机器人已广泛应用于精密装配、物料搬运等场景，其碰撞检测系统的可靠性直接关系到人机协作的安全性与效率。本文将系统解析碰撞检测可靠性测试的标准体系、核心方法、关键指标与典型流程，并展望未来技术趋势。
测试维度 | 核心目标 | 典型方法或设备 |
|---|---|---|
功能可靠性 | 验证检测系统能否稳定、准确地触发碰撞响应 | 基于动量观测器的算法测试、六维力传感器直接测量 |
性能可靠性 | 评估检测系统的响应时间、精度及耐久性 | 专用测试设备（如皮尔磁PRMS）进行重复性冲击测试 |
环境适应性 | 检验系统在不同工况下的鲁棒性 | 高低温、电压波动、电磁干扰测试 |
安全合规性 | 确保碰撞力符合国际标准的安全阈值 | 依据ISO/TS 15066进行生物力学疼痛阈值验证 |
🔍 理解可靠性测试的四个维度
碰撞检测系统的“可靠性”测试是一个系统工程，需从多个维度进行综合评价。
功能可靠性：关注系统能否持续稳定地工作。这要求测试不仅在于系统能否检测到碰撞，更在于其能否在各种复杂工况下（如机器人高速运动、带载运行、执行复杂轨迹时）持续、准确地识别碰撞，并有效区分真实碰撞与内部扰动（如电机启停的冲击）。先进的测试会引入二阶前馈动量观测器等算法，通过构建机器人动力学模型，比对理论动量与实际动量的偏差来提升检测的准确性和抗干扰能力。
性能可靠性：关注系统响应的及时性和准确性。核心指标包括响应时间（从碰撞发生到系统触发安全指令的延迟，通常要求低于100毫秒）、检测精度（所能识别的最小碰撞力大小）以及在不同负载和速度下的参数一致性。例如，ABB的YuMi机器人其碰撞检测功能的安全等级为PL b（性能等级b级）。
环境适应性与鲁棒性：检验系统在非理想条件下的表现。这包括在极端温度、电压波动、电磁干扰或机械振动等应力条件下，验证检测功能是否正常，是否出现误触发或失效。
安全合规性：确保碰撞发生时施加于人体的力不会造成伤害。ISO/TS 15066标准为此提供了关键依据，它规定了人体各部位（如手臂、头部）所能承受的力与压强阈值。例如，标准规定头部承受的最大瞬时冲击力不得超过140牛顿。任何协作机器人应用在部署前，都必须通过实验验证其碰撞力低于这些阈值。
⚙️ 核心测试方法与流程
可靠性测试需遵循严谨的方法和流程，确保结果的可重复性和可比性。
测试方法：主要包括准静态测试和动态测试。
准静态测试：模拟机器人以较低速度与人体发生挤压、夹持等接触。此时主要测量并验证其产生的稳态力是否低于ISO/TS 15066标准中对应身体部位的限值。
动态测试（暂态接触）：模拟机器人运动过程中与人发生的意外撞击。测试中会测量碰撞的峰值力，并与标准中的瞬态力阈值进行比对。为更真实地模拟人体组织的动态响应，先进的测试会使用具备阻抗模式的辅助测试机器人，通过设置质量（R）、阻尼（C）、刚度（K）等参数来模拟人体的生物力学特性。
标准测试流程：一次完整的可靠性测试通常包含以下步骤：
测试准备：明确测试目标（如功能验证、安全认证）、确定机器人测试位姿与运动轨迹、安装校准传感器（如六维力传感器）。
测试执行：控制机器人按预定轨迹运动，在指定点位通过辅助设备使其与测量装置发生碰撞，或由测试设备撞击机器人。同时，数据采集系统会完整记录整个过程中的各类物理信号。
数据处理与分析：对采集到的力、力矩、电流等信号进行滤波和特征提取。关键分析包括计算碰撞力峰值/稳态值、系统响应时间，并与预设的安全阈值进行比对。
结果评估与报告：生成测试报告，其中需清晰记录测试条件、原始数据、分析结果以及是否符合相关标准的明确结论。
📊 关键性能指标与通过标准
判断碰撞检测系统是否可靠，需要依据具体量化的性能指标。
检测灵敏度与准确性：系统能够可靠检测到的最小碰撞力。例如，在某些精密协作应用中，要求能检测到低至 10牛顿 的轻微接触。
响应时间：从碰撞力开始作用到系统发出停机或回退指令的总延迟。高性能系统的目标通常在几十毫秒以内。有研究表明，改进的动量观测器算法可实现0.3秒内的检测与响应。
误报率与漏报率：在非碰撞情况下错误触发的频率（误报率），以及未能检测到真实碰撞的次数（漏报率）。优秀的系统需要在两者间取得平衡，例如通过动态阈值算法，根据机器人末端运动速度自动调整触发阈值，有效降低误报。
安全合规指标：最核心的通过标准是碰撞力数据严格符合ISO/TS 15066 中针对人体各部位的生物力学疼痛阈值限值。
🏭 行业应用与最佳实践
在实际工业应用中，碰撞检测可靠性测试是确保人机协作安全落地的基石。
风险评估先行：在任何协作应用部署前，都必须进行全面的风险评估。这需要遵循ISO 10218-2和ISO/TS 15066等标准，识别所有潜在的碰撞、夹点等危险源，并制定相应的测试验证方案。
传感器校准与维护：力传感器的准确性是基础。需建立标准化的校准流程，包括硬件安装检查、静态标定与零点漂移修正、动态特性验证等。定期维护和校准是维持长期可靠性的关键。
测试自动化：为提高测试效率和一致性，行业正越来越多地采用自动化测试系统。例如，使用一台“辅助测试机器人”自动携带力传感器到达一系列预设的测试点，替代传统人工操作，从而覆盖更全面的机器人工作空间和碰撞姿态。
🔮 未来趋势与挑战
随着技术的发展，碰撞检测可靠性测试也面临着新的挑战和演进方向。
测试标准的完善与统一：行业需要更精细、更统一的测试标准。例如，中国电器工业协会等在2024年推出的《协作机器人碰撞力测试方法》等团体标准，旨在细化测试方法，推动行业规范化发展。
网络安全与功能安全的融合：在物联网和工业4.0背景下，协作机器人的网络安全已成为可靠性的新维度。网络攻击（如DDoS攻击、恶意参数篡改）可能导致碰撞检测功能失效。未来的测试标准（如ISO/TS 15066的修订版）有望整合网络安全要求，例如强制进行渗透测试，以确保功能安全不被网络漏洞所破坏。
智能测试与仿真技术的应用：利用数字孪生和机器学习技术，可以在虚拟环境中模拟海量碰撞场景，进行高效的算法验证和测试用例扩充，从而弥补实体测试成本高、周期长的不足。
💎 总结
对工业协作机器人而言，一套严谨、科学的碰撞检测可靠性测试体系，是其从“可用的机器”转变为“可信的伙伴”的必由之路。这套体系深度融合了国际标准、多维测试方法、量化性能指标以及持续的风险管理。随着技术发展，未来的测试将更加智能化，并深度融合网络安全要求，为人机协作安全提供更坚实的保障。