协作机器人性能标准研究与发展趋势

崔朝宇 伍国梁

【摘要】协作机器人性能标准的现状已经被业界关注。国际标准化组织（ISO）已经为协作机器人建立了一系列解决安全性、精准性、灵活性等问题的标准，如ISO 10218—1、ISO 10218—2和ISO/TS 15066。这些标准强调了对机器人本身及其控制系统的要求。虽然现有标准为协作机器人的安全运行提供了基本框架和指导，但随着应用领域的不断扩大，标准制定者可在智能化与学习化能力、感知和决策能力、安全性与多领域适应性方面，进一步完善和扩展这些标准，以满足不同行业和场景的需求，确保协作机器人能够在各个领域发挥最佳性能。

【关键词】协作机器人；性能标准；安全性；适应性

【DOI编码】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.01.015

【基金项目】广东产品质量监督检验研究院科技项目（2022GQI17）。

Research and Development Trends of Performance Standards for Collaborative Robots

CUI Zhaoyu， WU Guoliang

（Guangdong Testing Institute of Product Quality Supervision， Foshan 528300， China）

Abstract： The current state of performance standards for collaborative robots has been concerned by the industry. The International Organization for Standardization （ISO） has established a series of standards for collaborative robots that address safety， accuracy， flexibility， and other issues， such as ISO 10218—1， ISO 10218—2， and ISO/TS 15066. These standards emphasize the requirements for the robot itself and its control system. While existing standards provide the basic framework and guidance for the safe operation of collaborative robots， as the field of application continues to expand， standard makers can improve intelligence and learning capabilities， perception and decision-making capabilities， safety and multi-domain adaptability. These standards are further refined and extended to meet the needs of different industries and scenarios， ensuring that cobots can deliver the best performance in every field.

Keywords： collaborative robot； performance standard； safety； adaptability

协作机器人（Collaborative Robots，简称Cobots）是一类能够与人类直接共同工作的智能机器人系统。与传统工业机器人相比，协作机器人具有更高的安全性和灵活性。它们通常设计成可以与人类在同一工作区域内共同作业，无须额外的隔离设备。这是通过先进的传感技术和安全特性实现的，使得它们能够感知周围环境和人类的位置，随时做出相应调整以保证工作安全。协作机器人具备直观易用的编程接口，有时甚至可以通过简单的示教来规划任务，这使得它们在生产线或工作站的快速部署变得极为便捷[1]。此外，它们还可以与人类直接互动，如处理物品、传递工具等。协作机器人在现代制造业、医疗保健、物流和服务等领域得到了广泛应用[2]，其出色的安全性和灵活性使得它们能够与人类高效协作，共同完成各种任务，从而提升了生产效率、降低了劳动强度，并为工业自动化带来了全新的发展前景。随着技术的不断进步，对协作机器人性能标准的研究成了推动其发展的重要因素之一。这些标准不仅可以为制造商提供明确的设计和制造方向，也能为用户提供可靠的參考依据，从而确保协作机器人在不同工作环境中表现出色，并在工业生产中发挥最大价值。同时，标准的制定也推动了协作机器人技术的不断创新与升级，为工业自动化提供了坚实的基础，推动了整个产业的快速发展。

目前，协作机器人性能标准的制定和实施已成为工业界关注的重要议题。国际标准化组织（ISO）针对协作机器人的安全性、灵活性、精度等方面制定了一系列标准，如ISO 10218—1和ISO 10218—2，分别强调了机器人本体及其控制系统的要求。此外，ISO/TS 15066也提供了关于协作机器人与人类互动的指南，从感知技术到安全保障提出了全面的建议。欧洲标准组织（EN）也在协作机器人的安全性方面制定了相应的EN ISO 10218标准。美国国家标准协会（ANSI）同样发布了一套协作机器人安全标准，即ANSI/RIA R15.06，涵盖了机器人的设计、建造、集成、安装和操作方面的要求。这些现有标准为协作机器人的安全运作提供了基本的框架和指导，随着协作机器人应用领域的不断拓展，未来标准制定机构可能会进一步完善和拓展这些标准，以适应不同行业和场景的需求，保障协作机器人能够在各个领域发挥最佳性能。

协作机器人性能标准的制定涵盖了多个关键要素，其中包括了安全性、精度、灵活性和交互性能等方面。首先，安全性是协作机器人性能标准中至关重要的要素，它要求机器人在与人类共同工作时，具备高度的安全保障机制，通过先进的传感技术和智能控制系统来避免潜在的碰撞或伤害。其次，精度和重复性是评估协作机器人性能的重要指标，要求机器人在执行任务时能够保持高度的精准度和稳定性，以确保产品质量和生产效率。此外，灵活性要求协作机器人能够适应不同的工作场景和任务需求，具备多功能、多场景的适应能力，从而提升其在生产过程中的灵活应用性。最后，交互性能强调机器人与人类之间的良好沟通和协作能力，包括机器人的感知能力、识别能力以及与人类的协调配合，以实现更为高效的工作合作。综合而言，协作机器人性能标准的各个关键要素相互交织，共同确保了机器人能够在与人类共同工作的场景中发挥最佳性能，为现代工业带来前所未有的生产效率和安全保障。

2.1安全性

协作机器人的安全性是其性能标准中至关重要的要素之一，它直接关系到机器人与人类共同工作时的安全保障。协作机器人的安全性是确保在与人类共同工作时避免伤害和意外的关键因素。由于协作机器人与人类在同一工作区域内工作，因此必须具备高度的安全保障机制，以避免在操作过程中发生碰撞、夹伤等潜在的危险情况。ISO/TS 15066是国际标准化组织（ISO）制定的一项关于协作机器人安全性的技术规范。它提供了与人类共同工作的协作机器人所需的安全措施的指导。具体来说，ISO/TS 15066包括了以下重要内容。

1）危险源评估：标准强调了对可能的危险源进行评估和识别，以便采取相应的安全措施来减轻或消除潜在风险。

2）接触力限制：标准规定了协作机器人与人类接触时的力和压力的限制，以确保在接触情况下不会造成伤害。

3）速度和力的监控：标准要求协作机器人必须具备监控功能，能够实时检测其运动速度和施加的力，并在超过安全阈值时采取相应措施。

4）紧急停止和切断：标准规定了协作机器人必须配备紧急停止装置，以便在出现紧急情况时立即停止动作。

2.2精度和重复性要求

协作机器人的精度和重复性要求是确保其在工业生产中高效稳定运行的关键因素。精度是指机器人执行任务时达到的准确度，而重复性则表示机器人在多次执行同一任务时保持一致性的能力。这两个要素直接影响产品的质量和生产效率。高精度保证了产品的尺寸和质量符合规范，而重复性保障了产品生产的一致性，降低了生产中的变异性。在工业生产中，特别是在精密制造和装配过程中，精度和重复性的要求至关重要，可以避免产品缺陷和废品的产生，提升生产效率和产品质量。尽管目前针对协作机器人的专门精度标准尚未普遍制定，但可以参考工业机器人精度标准，如ISO 9283和ANSI/RIA R15.05，将其作为评估协作机器人性能的参考依据。这些标准为协作机器人提供了一些基本的性能指导，同时也促使行业在协作机器人精度和重复性方面不断探索和创新，以满足不断变化的生产需求。

2.3灵活性和适应性

协作机器人需要具备多功能、多场景的适应能力，所以在不同工作场景下的灵活性要求对于协作机器人至关重要。这意味着协作机器人应该能够迅速适应不同的工作环境和任务需求，无论是在制造业的生产线上、医疗保健领域的手术室内，还是在物流行业的仓储中。它们可能需要执行各种各样的任务，从简单的物品搬运到复杂的装配工序。因此，协作机器人需要具备智能感知和决策能力，能够根据实时的环境情况和任务要求作出相应的调整。此外，灵活性也包括了对工作空间的适应能力，可能需要在狭窄的空间内工作，或者需要在复杂的环境中避开障碍物。总的来说，协作机器人的灵活性使得它们能够在各种不同的工作场景下发挥作用，为现代工业和服务行业提供高效、多樣化的解决方案。

2.4交互性能

协作机器人的交互性能要求其与人类共同工作时互动顺畅。这要求机器人具备高度的感知能力，能够准确感知周围环境和物体的位置以及对人类的存在和动作进行感知。此外，机器人还需要具备识别能力，能够识别不同物体的特征和属性，以便在工作过程中作出相应的动作和决策。最重要的是，协作机器人需要与人类保持良好的沟通和协作能力，这涵盖了通过声音、视觉，甚至手势等方式与人类进行交流，能够理解人类的指令和意图，并作出相应的响应。这种高效的交互性能使得协作机器人在与人类共同工作的环境中实现高度的合作和协调，从而提高了工作效率和生产质量。因此，协作机器人的交互性能要求是确保其成功融入工作环境，与人类共同完成任务的重要保障。

协作机器人与人类共同工作正逐渐成为工业领域的重要趋势。未来，人机共存将更加深度融合，这将对未来标准产生深远影响。随着技术的不断进步，协作机器人将具备更高的智能和感知能力，能够更加灵活地适应不同工作场景。此外，机器人的学习和适应能力将不断提升，使其能够实时调整工作策略以适应变化的环境和任务需求。在未来的标准制定中，必然会考虑到协作机器人与人类互动的复杂性和多样性，从而提出更具体、灵活的标准要求，以保证机器人的安全、高效与可靠地运行。这也将推动协作机器人行业的持续创新和发展，为工业自动化带来新的突破和可能性。在协作机器人的发展过程中，下列几个方面的科技进步将存在发展的可能性。

3.1智能化和学习能力的发展

协作机器人的智能化和学习能力的不断发展是当今工业领域的一大亮点。随着人工智能和机器学习技术的迅猛发展，协作机器人能够通过不断积累经验自主学习，逐渐提升其在各种工作场景下的适应能力。这使得协作机器人能够更灵活地应对复杂多变的工作环境和任务需求[1]。在未来标准的制定中，必将考虑提高协作机器人智能化水平和学习能力，提出更为灵活、具体的要求。标准将需要涵盖机器人的自主决策能力、实时学习能力以及对变化环境的适应性，以确保协作机器人在与人类共同工作时能够以最高效、安全的方式运行。这也将推动协作机器人行业迈向更加智能化、自适应的发展阶段，为工业自动化注入新的活力。

3.2感知和决策能力的提升

未来，协作机器人在感知和决策方面将迎来显著的发展。随着先进的传感技术和人工智能的快速进步，协作机器人将具备更高级别的感知能力，能够准确地识别周围环境、物体的位置及特征[3]。同时，机器人的决策能力也将得到极大提升，通过深度学习和模式识别等技术，使机器人能够在复杂情境下做出智能化的选择。这将使协作机器人在各种工作场景下更加灵活和高效地与人类合作。

对于性能标准而言，未来将面临更高的要求。标准将需要包括机器人感知和决策能力的测试和评估方法，以确保其在不同工作环境中都能够可靠地运行。此外，标准还可能会涉及机器人的自主决策机制、应对突发情况的能力等方面，以适应未来工业智能化和自动化的发展趋势。总的来说，协作机器人在感知和决策方面的进步将为工业生产带来前所未有的灵活性和效率，同时也将推动性能标准不断升级，以满足日益复杂的生产需求。

3.3安全性能的持续提升

随着协作机器人应用范围的不断扩大，对于其安全性能的提升显得尤为迫切和必要。协作机器人在与人类共同工作的情况下，直接参与到生产流程中，因此安全性问题不容忽视。高度可靠的安全性能可以有效降低意外伤害的风险[4]，保障工作场所的人员安全。此外，随着协作机器人应用领域的拓展，它们可能会面对更加复杂多样的工作环境，如医疗、零售等领域，而这些领域对安全性的要求可能会更为严格。因此，持续提升协作机器人的安全性能，包括安全传感器、紧急停止系统等方面的技术创新，是保障生产环境和人员安全的关键措施。只有通过不断提升安全性能，协作机器人才能在各行各业得到更广泛的应用，为现代工业带来更高效、安全的生产方式。

3.4多领域应用的适应性

协作机器人的智能化水平在不同领域中得到了充分的体现。配备先进的感知和控制系统，它们能够通过各类传感器实时获取环境信息，从而做出智能化的决策。这使得协作机器人能够适应各类工作场景，如在医疗领域参与手术，在无人车间中完成精密的装配工作。相较于传统机器人，它们能够更为自如地适应各种工作环境。在生产制造中，协作机器人可以根据不同任务的需求，自动调整工作路径和姿态，与工人共同完成组装、装配等工序。这使得其在制造业的各个环节中都能够发挥重要作用。

协作机器人性能标准的研究在当前正迎来蓬勃发展阶段，其涵盖了安全性、精度、灵活性、交互性等多个关键要素，为确保机器人与人类协同工作的安全可靠提供了重要保障。目前，国际标准化组织（ISO）、欧洲标准组织（EN）和美国国家标准协会（ANSI）等机构相继发布了一系列针对协作机器人的安全性标准和性能测试指南。未来，随着协作机器人应用范围的扩大，感知和决策能力的提升以及智能化水平的不断提高，标准将面临新的挑战和发展方向。因此，制定完善的性能标准不仅是保障协作机器人安全运行的必要手段，也是推动工业自动化和智能化发展的关键支撑。这也将为行业提供可靠的技术指导，促进整个产业的蓬勃发展。

【参考文献】

[1]吴其林，赵韩，陈晓飞，等.多臂协作机器人技术与应用现状及发展趋势[J].机械工程学报，2023，59（15）：1-16.

[2]刘京运.协作机器人表现亮眼国产厂商按下发展“加速键”[J].机器人产业，2022（4）：18-21.

[3]吕乃静，刘检华.柔性线缆的机器人自动敷设关键技术与发展趋势[J].机械工程学报，2022，58（17）：75-95.

[4]柳昕.工业机器人行业运行情况及发展趋势分析[J].中国国情国力，2022（7）：11-15.

[5]胡腾，倪航，方力，等.智能巡检机器人研究现状与发展方向分析[J].机器人产业，2022（3）：30-35.

【作者简介】

崔朝宇，男，1983年出生，工程师，硕士，研究方向为工业机器人应用。

（編辑：侯睿琪）