协作机器人力控规范（课件）

协作机器人力控规范·

协作机器人概述与行业应用·

力控系统基本原理与架构·

安全标准与认证要求·

力控参数设置规范·

运动控制策略优化·

人机交互界面设计标准·

末端执行器力控集成目录·

系统校准与维护规程·

典型应用场景力控方案·

故障诊断与应急处理●测试验证方法体系·

数据记录与分析规范·

人员培训与操作认证·

技术发展趋势展望目录协作机器人是一种能与人在共享空间直接交互的工业机器人，通过

力矩传感、视觉系统等技术实现安全协同作业，其核心特性包括柔

性化和动态避障能力。从早期单一功能机械臂发展为集成多关节模组和智能控制系统的成

熟品类，2024年成为工业机器人中增速最快的细分领域(增速28.2%),精度可达±0.015mm。国内厂商如越疆机器人实现全球市场份额领先，2024年国产协作机

器人国内市场占有率突破60%,并完成港股上市，标志着产业链成

熟度显著提升。技术演进国产化突破人机共融定义协作机器人定义及发展历程半导体封装在洁净环境中完成晶圆搬运、精密贴装等微力控制任务，视觉系统确保±0.015mm

级操作精度。消费品柔性生产在3C电子、食品包装等领域执行小批量多品种任务，无需安全围栏即可与工人共享工作空间。新能源汽车产线承担电池组装、焊接等高精度作业，适应产线频繁改造需求，通过模块化关节实现快速部署，负载范围覆盖3-35kg。医疗手术辅助应用于骨科定位、内窥镜操控等场景,通过力矩反馈实现医生-机器人协同操作，降低人为误差风险。主要应用场景与行业分布安全协同机制协作机器人内置力觉传感器和动态避障系统，接触时可自动降速或停机，而传统工业机器人需依赖物理围栏隔离。采用模块化关节设计，无需专业编程即可快速适配新产线，传统机器人则需固

定工装和复杂调试。支持直接物理交互(如示教牵引),适用于装配、检测等需人类判断的环节，

传统机器人仅能执行预设轨迹作业。部署灵活性人机交互深度与传统工业机器人区别应变电阻原理通过测量应变片在外力作用下的电阻变化来量化受力大小，具有高灵敏度和线性响应特性，适用于静态和动态力测量。光学编码原理采用光纤布拉格光栅等光学元件，通过光信号变化检测受力形变，具有抗电磁干扰和远距离传输优势，适用于恶劣工业环境。压电效应原理利用压电材料在受力时产生电荷的特

性，实现高频动态力测量，但对静态

力响应较差，需配合电荷放大器使用力/力矩传感器工作原理多轴力觉传感器通常安装在机器人末端法兰处

,采用六维力/力矩测量结构，包含多个测量单元组成的惠斯通电桥阵列。伺服驱动系统包含高精度编码器、力矩电机

和功率放大器，具备力矩/位置/速度三环控制能力，带宽需达到500Hz以上。实时控制单元基于FPGA或高性能DSP处理器，实现μs级控制周期，支持高速

数据采集和闭环控制算法执行安全保护模块集成硬件急停电路、过载检测和碰撞检测功能，当测量力超

过阈值时触发安全保护机制。控制系统硬件组成阻抗控制算法通过建立质量-阻尼-弹簧虚拟模型，调节机器人末端刚度特性，实现与环境的

安全柔顺交互。导纳控制架构以力信号作为输入，通过二次积分生成位置修正量，特别适合处理高刚度环境下的力跟踪任务。混合力/位控制将任务空间分解为力控子空间和位控子空间，分别采用不同的控制策略，实现

复杂接触作业。软件算法框架解析疼痛阈值限制标准首次量化了人机碰撞时的安全阈值，规定机器人接触人体时产生的力或压强必须低于特定身体部位的疼痛阈值(如脖子准静态接触最

大压强140N/cm²)

。

通过生物力学研究划分29个人体区域，分别设定动态/静态接触限值。协作模式分类明确四种人机协作方式(安全监控静止、手持式引导、速度距离监控、功率和力限制),其中功率和力限制模式需结合身体模型数据，确

保瞬态接触力不超过疼痛阈值的2倍(如脖骨瞬态接触允许300N)。ISO/TS

15066核心内容北

美NRTL认

证除参考ISO标准外，还需符合ANSI/RIA

R15.06的附加条款，如要求机器人末端执行器的动能

限制在6J以下。认证更侧重瞬态冲击测试，需

提供动态碰撞能量吸收数据。中国GB/T

36008等效采用ISO/TS15066,

但增加对协作机器人工作环境的分级要求(如洁净室或防爆场景)

。认证需包含安全PLC的国产化适配测试，并提

交全生命周期维护记录。欧盟CE认证基于EN

ISO10218和ISO/TS15066双重标准,要求机器人系统集成时进行完整的风险评

估，并强制使用SIL/PLe

等级的安全控制器。认证流程需包含第三方机构审查协作区域的

力/速度测试报告。区域安全认证差异分析动态参数验证通过专业设备(如SICK的力测量系统)模拟实际碰撞，

测试瞬态/准静态接触下的力、压强数据是否达标。测

试需覆盖所有29个身体部位，并考虑不同接触角度(如正面撞击与侧面刮擦的差异)。场景化危险识别需分析机器人应用中的所有潜在接触点(如机械臂运动

轨迹、工件夹持状态),结合ISO12100标准评估夹压、剪切等风险。例如评估协作工位中人员可能误入的干

预区域，并量化最大接触频率。人机协作风险评估方法根据ISO/TS15066标准中29个身体部位的疼痛阈值数据(如颈部准静态接

触最大压力150N),设置力矩上限需

低于对应解剖区域的生物力学极限。针对不同协作模式(如引导操作/自主

运行)采用差异化阈值，自主运行时

需比人工引导模式降低30%-50%的力矩

容限。在理论阈值基础上预留20%安全余量，

应对传感器误差、系统延迟等不确定

因素。结合工具端实际负载重量和惯性特性

,通过动力学模型实时计算补偿力矩,避免因重力或加速度导致的误触发03

负载动态补偿

04

安全冗余设计力矩阈值设定原则01

人体耐受阈值优先

02

动态工况分级近场降速策略当人机距离小于1米时激活速度衰减曲线，最终接触速

度不超过0.25m/s(ISO

13482推荐值)。关节角速度约束针对大惯量关节(如基座旋转轴)单独设置角速度限值

,通常不超过15°/s以防止离心力失控。紧急制动梯度配置加速度变化率

(jerk)

不超过50m/s³,

确保急停时不会因瞬时冲击导致机械结构过载。速度限制参数配置Industrialrobot多级触发机制设置从预警(70%阈值)、减速(85%阈值)到停机(100%阈值)

的三级响应策略，对应不同接触严重程度。频域滤波优化采用5-10Hz带通滤波器处理原始力信号，有效剔除低频重力干扰

和高频振动噪声。空间向量加权根据工具形状特征(如尖锐/钝形末端)对各轴向力分量分配不

同权重系数，提高危险方向检测精度。学习型阈值适应基于历史碰撞数据建立统计模型，自动优化阈值参数以适应不同

工作场景的接触特性。碰撞检测灵敏度调整动态刚度调节通过实时检测环境接触力，自动调整机械臂的刚度和阻尼参数，使协作机器人在不同接

触条件下保持稳定的力交互性能，适用于装配、打磨等需要柔性控制的场景。变阻抗参数学习基于机器学习算法(如强化学习)在线优化阻抗模型参数，使机器人能够适应未知环境

或任务变化，提升力控的适应性和精度。人机协作安全保护在阻抗控制框架下集成碰撞检测与响应机制

,当检测到异常接触力时迅速切换为低阻抗

模式，避免对操作人员或设备造成伤害。自适应阻抗控制方法1动态障碍物预测结合视觉或激光雷达数据，实时

预测移动障碍物的运动轨迹，并

采用速度障碍法(VO)或人工势

场

法

(APF)

动态调整路径，确

保避障的实时性。②多目标优化路径生成在路径规划中同时考虑时间最短、能耗最低、运动平滑性等约束

条件，通过RRT(快速扩展随机树

)

或A算法生成全局最优路径3狭窄空间自适应规划针对复杂狭窄环境，采用基于采

样的算法(如PRM)

结合局部优化策略，确保机械臂在受限空间内无碰撞运动。4人机共享空间协调通过划定虚拟安全区域或动态调整机器人速度，实现人机共融场景下的主动避让，符合ISO/TS15066协作安全标准。路径规划避障算法主动阻尼注入在关节控制回路中引入加速度反馈或状态观测器(如卡尔曼滤波器),主动抵消机械臂末端因惯性或外力引起的振动。结构谐振频率补偿通过频域分析识别机械臂的固有谐振频率，并在轨迹规划阶段避开敏感

频段，或设计前馈滤波器抑制谐振峰值。末端执行器柔顺控制采用基于力/位混合控制策略，通过六维力传感器反馈实时调整末端姿态

,减少接触过程中的振动传递。振动抑制技术方案触手可及原则急停按钮应设置在操作员无需移动身体或改变姿势即可

快速触达的位置，通常位于

控制台正面或机械臂基座侧

方。符合ISO

13850标准按钮采用红色蘑菇头设计，黄底黑边标识，保持突出表

面3-5mm,

确保紧急情况下

能通过撞击或拍打触发。双重确认机制急停触发需配合声光报警系统，并在复位时要求操作员

进行二次确认操作，防止误

触导致产线中断。急停装置布置规范权限分级管理设置管理员/工程师/操作员三级权限,通过RFID卡识别身份，限制不同级别用户的程序修改、参数调整等核心功能访问。紧急脱离功能示教器与主机采用磁吸快拆接口，突发情况下可承受50kg拉力瞬时分离，同时触发系统安全状态锁定。力反馈交互示教器应集成6轴力矩传感器，当检测到超过5N的异常外力时自动切换为柔顺模式，并伴有震动警示提示操作风险。防误触机制关键指令如轨迹录制、速度调节需长按3秒+二次确认，触摸屏采用防油脂材质并支持手套操作模式。示教器功能设计要求AR叠加显示在协作区域部署激光投影装置，实时在地面投射机器人运动轨迹预测线和工作禁区边界，可视距离达15米。数字孪生同步建立1:1虚拟映射界面，显示关节扭矩、电机温度等32项实时数据，异常参数自动放大突出显示并记录最后30秒操作日志。多模态警示系统通过三色LED灯带(绿-运行/黄-待机/红-故障)配合800Hz-2kHz变频蜂鸣器，实现声光双重状态识别。状态可视化呈现方案高精度力传感器集成采用应变片或光学力传感器，实时监测夹持力度，误差控制在±0.1N以内，确保抓取脆弱物体时的安全性。动态力控算法通过PID或自适应控制算法调节夹持力，适应不同材质(如金属、塑料

、玻璃)的抓取需求，避免过载或滑脱。标准化通信协议支持EtherCAT或CANopen接口，与主控系统实时同步力反馈数据，确保低延迟(<2ms)

和高可靠性。夹持器力反馈接口工具坐标系标定流程三点接触标定法利用标准球头探针依次触碰固定基准平面,通过最小二乘法解算TCP(Tool

CenterPoint)空间位置，重复定位精度±0.02mm,满足精密装配需求。温度漂移补偿内置IMU模块监测环境温度变化，按0.003%/℃系数修正力传感器零位，保证8小时连续作业时力控误差<±1%。动态负载惯量辨识驱动夹爪执行正弦扫频运动(0.5-10Hz),采集关节力矩数据反推负载质量/质心,补偿值自动写入控制器，使20kg负载下的轨迹偏差<0.15mm。碰撞阈值自学习通过500次随机碰撞试验建立不同材质(金属/塑料/硅胶)的力-形变数据库，自动优化安全触发阈值，误触发率降低至0.3次/千小时。01030204谐振抑制策略通过FFT分析机械臂末端振动频谱(5-30Hz

频段),注入反向相位电流消

除共振，使玻璃瓶搬运中的振幅从±2mm降至±0.4mm。摩擦非线性建模采

用LuGre摩擦模型辨识导轨/谐波减速机参数，在低速(<5mm/s)精密装

配时消除”粘滑"现象，重复定位精度

提升40%。加速度前馈控制基于牛顿-欧拉方程实时计算惯性力,

在AGV移动(0

.

3g加速度)时提前补偿夹持力，工件位移量<50μm。负载动态补偿算法温度补偿校准针对温度敏感型传感器，需结合季节性温度变化制定动态校准计划，冬季和夏季各增加一次校准，补偿因温度导致的零漂偏移。突发异常检测若系统频繁出现力控抖动或数据跳变,需立即启动临时零漂校准流程，排

查传感器老化或电路干扰问题，并记

录异常波形用于故障分析。高精度力控传感器建议每3个月进行一次零漂校准，确保力控精度误差控制在±0.5%以内，校准需在无负载、恒温环境下

进行，避免环境干扰。传感器零漂校准周期同步带张力测试使用专用张力计每季度检测传动带张力，确保数值在厂商推荐范围(通常80-100N)

内，过松会导致定位滞后，过紧则加速轴承磨损

。关节轴承游隙测量采用千分表半年检测各轴径向/轴向游隙，工业机器人要求游隙≤0.03mm,协作机器人因需柔顺控制可放宽至0.05mm但需软件补偿。谐波减速器磨损检测每月检查减速器齿轮啮合面，通过振动频谱分析判断磨损程度，当高频噪声能量超过基线20%时需更换润滑脂或整体部件。末端执行器连接件每周目视检查法兰盘螺栓扭矩，使用扭矩扳手复核至标准值(如M6螺栓需8-10N·m),

防止因松动导致力控反馈失真。机械传动部件检查灾难恢复演练每季度模拟主控系统崩溃场景，验证备份参数恢复时效性，要求从最新备份完成到系统重启不超过15分钟，关键力控参数需100%还

原

。三重备份机制本地硬盘存储实时参数，网络服务器每日增量备份，物理介质(

加

密SSD)每周全量备份,保留至少3个历史版本供异常回滚。版本关联管理每次参数修改需生成包含时间戳、操作者ID、修改摘要的元数

据

，与机器人序列号绑定存入数据库，支持参数变更追溯审

计

。软件参数备份策略自适应力控调节根据装配部件的公差范围动态调整接触力，避免过载损坏精密零件，同时确保装配到位柔性接触保护策略设定力阈值触发柔顺控制模式，在突发碰撞时切换为阻抗控制，降低刚性冲击风险。多维度力反馈补偿通过六维力传感器实时监测XYZ轴及旋转方

向的受力偏差，自动修正机器人末端姿态。精密装配作业配置材料去除率优化基于力-速度耦合模型动态调节进给速度(0.1-0.5m/s),

使不锈钢等硬质材料达到0.05-0.1mm/pass

的理想切削深度。磨损补偿机制通过周期性的工具坐标系标定(间隔4小时),自动补偿打磨轮直径2%以内的磨损量。自适应接触力维持通过恒力控制算法保持10-50N的稳定抛光压力，曲面跟随误差<0.5mm,适用于汽车轮毂等复杂曲面的一致性处理

。振动抑制技术集成500Hz采样率的加速度传感器，实时抑制打磨工具的高频震颤(>100Hz),保证表面粗糙度Ra<0.8μm。柔性抛光工艺参数医疗辅助特殊要求01.生物力学安全设计手术辅助场景下限制末端最大作用力≤5N,紧急制动响应时间<10ms,符

合ISO

13482医疗机器人安全标准。02.无菌环境适配采

用IP67防护等级的一体化力传感器，耐受高温高压灭菌(135℃/2.2bar)和过氧化氢熏蒸消毒。03.人机交互柔顺性实现0.2-1N·m/rad

的可变阻抗控制，使医生在术中引导机器人时获得近似

人体关节的阻尼特性。当机器人关节或末端执行器承受的力矩超过预设阈值时触发，需检查负载是否

超限或运动轨迹是否存在碰撞风险。实际力控输出与指令值偏差持续超过允许范围，可能由伺服电机参数漂移或机

械传动部件磨损引起。力传感器信号异常或通信中断导致力控失效，需排查传感器接线、供电及信号

处理模块是否正常。力反馈失效过载报警动态响应偏差力控异常报警分类安全状态切换逻辑紧急停止

(E-stop)触发后立即切断动力电源，激活机械制动器，所有关节进入被动阻尼状态，需人工复位才能恢复运行。保护性停止

(SOS)检测到轻微力控异常时暂停运动，保持低功耗待机状态，允许系统自检后自动恢复。降级运行模式在非关键传感器(如环境力觉)故障时，切换至预设保守力控参数，限制速度与力矩继续工作。安全区域联动通过激光雷达或视觉系统识别人员侵入，自动切换至低速柔顺模式或调整工作路径避让。参数回写验证空载试运行测试报警复位与确认清除报警日志后需手动确认故障原因已排除，例如重新校准力传感

器或更换损坏的谐波减速器。恢复后需逐项校验力控刚度、阻尼系数等关键参数，确保与出厂标

定值一致。在无负载条件下执行低速轨迹运动，监测实时力反馈数据稳定性，

确认无异常后再投入生产。系统恢复操作流程力控精度验证通过标准砝码加载测试，测量机器人末端执行器的力反馈误差，要求误差范围≤±1%满量程。过载保护能力评估施加超过额定负载10%的力，验证机器人的紧急停止机制和力传感器保护功能是否触发。重复定位精度测试在固定负载下重复执行相同动作，检测力控系统的稳定性，偏差需控制在±0.5N

以内。静态性能测试标准给关节施加0-100%额定力矩的阶跃信

号，记录上升时间(应≤50ms)

、超

调量(应<8%)和稳定时间(应<200ms),评估伺服系统的动态刚度。采用瞬时加载装置模拟50%-150%额定

负载的随机突变，验证力矩环的调节

时间(应<100ms)

和恢复精度(稳态

误差<±1

.

5%)。在0.1-10Hz频率范围内进行正弦力矩

跟踪实验，要求幅频特性曲线在-3dB

带宽不低于5Hz,相位滞后在3Hz处小

于15度。通过六维力传感器监测相邻关节运动

时产生的寄生力矩，要求交叉耦合干

扰不超过主运动轴力矩的2%,且高频

(>20Hz)振动分量衰减至5%以下。01

阶跃响应特性分析

02

正弦跟踪性能测试03多轴耦合干扰测试

04

突变负载适应能力动态响应测试方案加速寿命试验在110%额定力矩下进行10^6次启停循环测试，要求力矩输出衰减不超过初始值的5%,且关键部件(如谐波减速器、编码器)磨损量符合ISO9409-1标准。热稳定性评估连续运行8小时后，用红外热像仪监测关节温升，要求外壳温度不超过65℃(符合IEC60529IP54标准),且高温状态下力矩波动增幅控制在

±2%以内。环境应力筛选在温度(-10℃~+50℃)、湿度(20%~90%RH)

、振动(5-500Hz/0.5g)复合条件下进行720小时老化测试，验证密封性能和力矩输出的一致性

(变异系数CV<1.8%)。长期可靠性验证力/力矩数据实时记录末端执行器及关节的力/力矩数值,包括峰值、均值和波动范围，用于分析机械臂负载状态。环境交互反馈记录机器人与工件/环境的接触力、碰撞检测信号及柔顺控制响应数据，评估安全性与

适应性。运动轨迹参数采集位置、速度、加速度等运动学数据，确保轨迹精度并检测异常抖动或偏移。运行数据采集内容结构化事件编码采用IEEE

1872-2015标准定义异常类型代码，包括E101(力控超限)/E205(通讯中断)等分级分类体系多模态数据关联异常触发时自动保存前30秒的关节运动轨迹视频、电流波形图及点云数据，建立时空关联分析基准处理过程追溯详细记录急停触发链条、人工干预步骤、系统自恢复日志，满足ISO/TS15066审计要求上下文元数据记录异常发生时的任务阶段、负载重量、操作人员ID等上下文信息，采用XML格式封装异常事件记录格式预测性维护模型基于历史运行数据训练LSTM神经网络，预测谐波减速器

磨损周期和电机寿命衰减曲线力控参数优化通过强化学习算法动态调整阻抗控制参数，适应不同材质工件的高精度装配需求安全策略迭代分析近百万次人机接触数据，持续优化碰撞检测算法和

紧急制动响应阈值大数据分析应用基础安全理论涵盖协作机器人工作原理、安全防护机制(如力/力矩

限制、碰撞检测)及国际标

准(ISO/TS15066),确

保

操作人员理解风险场景与应

急处理流程。风险评估案例库分析典型事故案例(如夹伤、工具干涉),教授风险矩

阵评估方法，培养学员自主

识别工作单元潜在隐患的能力。实操演练通过模拟场景训练紧急停止、手动引导模式切换及异常

情况处置，强化操作人员对

安全围栏、光栅等防护设备

的实际应用能力。安全操作培训大纲高级编程认证体系复杂轨迹编程要求掌握基于ROS/PLC的路径规划、多轴协同运动及动态避障算法开发，并能优化节拍时间与能耗平衡。人机协作逻辑设计考核多模态交互(语音/视觉/触觉)系统