工业协作机器人 人机交互安全测试方法

T/CAMETAXXXXX-20XXⅡT/BTIAIRIXXXXX-20XXIII前言本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本文件由北京智能机器人产业技术创新联盟提出。本文件由北京智能机器人产业技术创新联盟归口。本文件起草单位：北京机械工业自动化研究所有限公司、中国科学院沈阳自动化研究所等。本文件主要起草人： 工业协作机器人人机交互安全测试方法范围本文件描述了工业协作机器人人机交互安全的测试方法。本文件适用于对具有协作功能的工业机器人进行人机交互安全的测试与评估,非工业领域的协作型机器人也可参照执行。规范性引用文件下列文件中的条款通过本文件的引用而成为本文件的条款。下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本文件，然而，鼓励根据本文件达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本文件。GB/T36008-2018机器人与机器人装备协作机器人（ISO/TS15066:2026,IDT）GB/T12643-2025机器人词汇（ISO8373:2021,IDT）GB/T39402-2020面向人机协作的工业机器人设计规范GB/T16855.1-2018机械安全控制系统安全相关部件第1部分：设计通则GB/T38244-2019机器人安全总则术语和定义下列术语和定义适用于本文件。

协作collaboration由专门设计的机器人与人一起操作，工作在同一空间中。[来源：GB/T12643-2025，3.13]

协作机器人collaborativerobot为在协作运行中与人直接交互而设计的机器人。

人机交互human-robotInteraction指人类与机器人在共享工作空间内发生的物理接触或信息交流。

碰撞力collisionforce指在瞬态接触过程中，机器人运动部件与人体或模拟人体的测试设备表面之间，因碰撞而产生的动态作用力。碰撞力的大小随时间快速变化，在安全测试中，通常关注其在整个接触期间达到的峰值，该峰值也被称为“最大瞬态接触力”。该术语区别于在准静态接触条件下的接触力。

碰撞压力collisionpressure指碰撞力在其作用的有效接触面积上的分布，其量值为单位面积上所承受的力。由于机器人与人体的接触形面通常为曲面，碰撞压力在接触区域内的分布往往是不均匀的。在安全测试中，通常关注其在接触面积空间分布上的最大值，该峰值也被称为“最大瞬态接触压力”。它对于评估尖锐或狭窄部件造成局部伤害的风险至关重要。

保护性停止距离protectivestopdistance从安全监控系统（如距离传感器）触发停止信号的时刻起，至机器人所有运动部件完全停止时，机器人部件所移动的最大距离。测试条件通则被测机器人应按制造商规定的使用要求组装完整，包括其在目标协作应用中拟使用的末端执行器。其能源应保证在进行一个试验项目时不会因能源耗尽而被迫终止。测试时，应在末端执行器上安装能够代表额定负载的工件或等效质量的模拟负载。所有测试应在机器人控制器中设定的最大速度、加速度及负载条件下进行，以模拟最差工况。测试环境测试环境条件应满足以下要求：温度：15℃~30℃；相对湿度：45%~75%；大气压力：86kPa~106kPa。如果制造商规定的环境条件超出上述指标，应在测试报告中声明。测试设备所有用于测量的设备，包括但不限于测试假人、力传感器、压力传感器、高速摄像机、激光跟踪仪、红外相机等，均应处于有效的计量校准周期内。测量设备的不确定度应适合被测参数的要求，并在测试报告中予以声明。接触动力学安全测试瞬态碰撞力与压力目的本试验的目的是模拟机器人运动部件与人体发生的瞬间碰撞，测量碰撞瞬间产生的峰值力与峰值压力。试验设施碰撞生物力学测量系统即一套能够模拟人体不同部位力学特性的测量装置。该系统应至少包含：力传感器：三轴或单轴力传感器，采样频率不低于1kHz，用于记录碰撞过程中的力-时间曲线；可更换式弹簧阻尼元件：一套具有不同刚度系数的弹簧，用于模拟GB/T36008-2018中规定的人体各部位（如头、胸、臂、手等）的弹性模量；压力传感器：用于测量接触区域的压力分布和峰值压力；数据采集与分析软件：用于同步记录力、压力数据，并能自动计算峰值、区分瞬态与准静态接触。试验步骤测试程序包括以下步骤：根据风险评估确定的潜在碰撞部位，选择对应的人体区域，并在测量系统上安装相应的弹簧阻尼元件；将压力传感器固定在测量系统的接触面上；将测量系统放置在机器人工作空间内预定的碰撞点。该点应选择在机器人运动路径上动能最大的位置，以代表最差工况；编程机器人以其在协作模式下的最大允许速度和最大负载，沿预定路径运动并撞击测量系统；数据采集系统记录完整的力-时间曲线和压力分布图；从力-时间曲线中，确定接触类型为瞬态接触（持续时间<0.5s），并读取峰值力；分析压力传感器数据，确定最大接触面积和峰值压力；在同一测试点重复步骤d)至g)至少三次，以验证结果的可复现性；针对风险评估中识别出的所有其他潜在碰撞点和人体部位，重复步骤a)至h)。试验结果对于每一个测试点，连续三次有效试验测得的峰值力和峰值压力均不得超过附录A中为相应人体部位和瞬态接触类型规定的生物力学限值。准静态接触力与压力目的本试验的目的是模拟人体被机器人挤压的场景，测量挤压状态下机器人施加的稳定、持续的力与压力。试验设施试验设施包括：在5.1.2中规定的碰撞生物力学测量系统；刚性固定表面即一个固定的、刚性的平面或结构，用于与机器人共同形成挤压条件。试验步骤测试程序包括以下步骤：根据风险评估确定的潜在挤压部位，选择对应的人体区域，并在测量系统上安装相应的弹簧阻尼元件；将压力传感器固定在测量系统的接触面上；将测量系统放置在机器人与刚性固定表面之间，模拟潜在的挤压场景；编程机器人以其在协作模式下的最大允许速度和最大负载，沿预定路径运动，直至将测量系统挤压在固定表面上，并保持该状态至少1s；数据采集系统记录完整的力-时间曲线和压力分布图；从力-时间曲线中，确定接触类型为准静态接触（力在达到峰值后维持一个持续时间≥0.5s的稳定段），并读取该稳定段的准静态接触力值；分析压力传感器，确定稳定挤压状态下的接触面积和准静态接触压力值；在同一测试点重复步骤d)至g)至少三次；针对风险评估中识别出的所有其他潜在挤压点和人体部位，重复步骤a)至h)。试验结果对于每一个测试点，连续三次有效试验测得的准静态接触力与压力均不得超过附录A中为相应人体部位和准静态接触类型规定的生物力学限值。冲击能量与功率目的本试验的目的是评估碰撞过程中传递的总能量和系统功率。试验步骤通过核查制造商提供的机器人有效质量、最大速度等参数，依据GB/T36008-2018中的公式计算碰撞能量和系统功率。试验结果试验结果以计算出的最大冲击能量，单位为焦耳（J）。计算出的最大冲击能量与最大系统有效功率应不超过相关应用标准或制造商声明的安全限值。手动引导交互力目的本试验旨在评估在手动引导（拖动示教）模式下，操作者与机器人交互时所需施加的力。试验设施试验设施包括：在5.1.2中规定的碰撞生物力学测量系统。多轴力/力矩传感器：安装在碰撞生物力学测量系统与机器人末端法兰手动引导手柄之间。试验步骤测试程序包括以下步骤：将机器人切换至手动引导模式；操作者通过引导手柄，对机器人执行一系列典型操作，包括：启动：从静止状态开始移动机器人所需的初始力（启动力）；匀速移动：在水平、垂直及复合方向上，以不同速度（慢、中、快）移动机器人所需的持续力；停止：使运动中的机器人停止所需的力；改变方向：在运动中突然改变方向所需的力；数据采集系统记录整个过程中的多轴力数据；分析数据，提取各项操作的峰值力和平均力。试验结果记录启动机器人运动所需的最大力，持续移动力应低于人因工程学阈值。机器人运动应与操作者施加的力同步，无明显延迟或超调。在整个引导过程中，作用力应平滑变化，无突然的阻力尖峰或抖动。交互运动学安全测试安全监控速度与加速度目的本试验的目的是验证机器人速度与加速度的安全监控功能是否可靠。试验设施试验设施包括：高精度运动追踪系统：如激光跟踪仪或多摄像头光学运动捕捉系统，能够以不低于100Hz的频率独立测量机器人工具中心点（TCP）的三维空间位置、速度和加速度；数据采集与同步系统：用于同步记录运动追踪系统数据和机器人控制器内部状态。试验步骤测试程序包括以下步骤：设定机器人在协作模式下的最大允许速度；命令机器人执行大范围运动，使其达到最大速度；使用测试设备测量机器人末端执行器的实际最大速度和加速度。试验结果测得的实际最大速度与加速度不应超过其安全监控的设定值。安全停止距离与停止时间目的本试验的目的是衡量安全系统触发后，机器人从发出停止信号到完全停止所需的物理距离和时间。试验设施试验设施包括：触发装置：具有快速响应和精确时间戳输出的安全光幕或激光扫描仪。高速数据采集系统：用于精确测量时间间隔。高精度运动追踪系统（同6.1.2a)）。试验步骤测试程序包括以下步骤：将机器人配置为以最大协作速度和最大负载运动；编程机器人执行段长距离直线运动，该路径将穿过触发装置的探测区域；将数据采集系统的一个通道连接到触发装置的输出信号，另一个通道连接到机器人电机驱动器的制动信号或电源切断信号；启动机器人运动，当机器人TCP穿过触发装置时，触发装置发出停止信号；运动追踪系统记录从触发瞬间到TCP完全静止的整个轨迹；数据采集系统记录从触发信号发出到制动信号生效的系统内部响应时间；从运动追踪系统的轨迹数据中，计算出从触发瞬间到完全停止的总时间和总位移距离；在不同运动方向、不同速度和不同负载下重复本试验至少三次，记录最差情况（最大值）的结果。试验结果记录不同速度、负载下的最大安全停止距离与停止时间。安全功能响应时间目的本试验旨在测量从危险事件被检测到安全功能最终执行完成的端到端系统响应时间。该时间是影响瞬态接触峰值力和保护性停止距离的核心因素。试验设施试验设施参考6.2.2。试验步骤本试验与6.2的测试过程同步进行，但侧重于时间的分解测量。测试程序包括以下步骤：按照6.2.3的步骤进行试验。使用高速数据采集系统或示波器，精确测量以下时间节点：t0：危险事件发生；t1：传感器输出信号变化；t2：机器人安全控制器接收到信号并完成逻辑处理，发出停止命令；t3：驱动器接收到命令，开始执行制动；计算总响应时间T=t3-t0。试验结果针对不同的安全触发事件重复试验，记录各自的响应时间。协同操作功能安全测试安全监控速度与加速度目的本试验目的是通过功能测试，验证GB/T36008-2018中定义的四种协作操作功能是否按预期工作。试验步骤本试验为一系列功能性检查，测试程序包括以下步骤：安全级监控停止包括：定义一个监控区域，并配置安全输入（如安全地毯、激光扫描仪）；操作人员进入该区域；验证机器人是否立即触发并维持一个安全的停止状态，即驱动器保持通电，位置锁定；验证当操作人员离开该区域后，机器人是否能够无需额外操作即可自动恢复运行；手动引导包括：验证手动引导功能只能在机器人处于安全级监控停止状态下被激活；验证在引导过程中，必须持续按住使能设备，机器人才能移动；验证松开使能设备后，机器人立即停止并保持位置；验证退出手动引导模式后，机器人返回安全级监控停止状态；速度与间距监控包括：使用模拟人体目标（如圆柱体）或真人，从远处逐渐接近正在运行的机器人；验证随着间距的减小，机器人的运行速度是否相应平滑降低；验证当间距小于设定的最小保护距离时，机器人是否触发保护性停止；验证距离传感设备的探测范围、精度和盲区是否符合应用要求；功率与力限制包括：验证该功能在控制器中处于激活状态；本功能的有效性由第5章的接触动力学安全测试进行定量验证；试验结果所有功能应与GB/T36008-2018中的描述完全一致，所有安全逻辑均应正确无误。安全相关控制系统的性能等级（PL）或安全完整性等级（SIL）评估目的本试验的目的是评估实现安全功能的硬件和软件系统的可靠性。试验步骤测试程序包括以下步骤：安全要求规范(SRS)审查：检查制造商是否为每个安全功能（如安全速度监控、急停）提供了清晰、无歧义的安全要求规范；设计文档审查：审查硬件电路图和软件架构设计，确认是否采用了符合所声称PL等级的架构；可靠性参数验证：审查制造商提供的性能等级或安全完整性等级计算报告，核对其为各元器件选取的平均危险失效前时间（MTTFd）、诊断覆盖率（DC）和共因失效（CCF）措施的合理性。试验结果以审查报告与安全等级分析的形式给出结论，确认安全系统是否达到其声称的PL或SIL等级。物理设计与人因工程测试外形几何安全目的本试验的目的是降低因机器人外形设计不当而造成的伤害风险。试验步骤测试程序包括以下步骤：对被测机器人（包括末端执行器）所有可能与操作人员接触的表面进行系统性的目视和触觉检查；操作机器人以低速通过其整个协作运动范围，特别注意检查各关节在运动过程中是否会形成剪切点或挤压点。试验结果试验报告中应记录检查结果，不应存在尖锐边缘和明显的夹挤风险区域。意外运动防护目的本试验的目的是防止在断电或故障情况下因能量释放而导致的意外运动。试验步骤测试程序包括以下步骤：将机器人置于最不利的重力姿态，如手臂水平伸展并带额定负载等；触发紧急停止或切断机器人主电源；观察并测量机器人在断电后各关节的位移。试验结果机器人的所有关节应可靠锁定，不应发生明显的下坠或移动。人机交互界面可用性目的本试验的目的是验证机器人的人机交互界面功能是否有效，且其设计满足基本的可用性原则，以确保操作者在常规及紧急情况下能够准确、高效地进行交互。试验步骤测试程序包括以下步骤：状态指示的有效性与可辨识性试验包括：审查制造商文件，确认通电待机、自动运行、协作模式、保护性停止、故障等不同机器人状态是否均有对应的视觉或听觉指示；将机器人切换至上述各个状态。在制造商规定的典型工作距离和环境光照/噪声条件下，检查其指示灯颜色、闪烁模式、声音信号等状态指示是否清晰可见；评估指示信号的含义是否符合相关标准的规定，是否易于理解、不易产生混淆。安全操作装置的有效性与可操作性试验包括：识别机器人上的所有安全相关操作装置，如紧急停止按钮、模式选择开关、使能装置等；在机器人运动时，触发紧急停止按钮，验证机器人是否按照其安全功能定义（如0类或1类停止）可靠地停止；检查紧急停止按钮是否为红色、背景是否为黄色；检查其安装位置是否醒目、易于触及且无障碍；切换操作模式（如从自动模式切换到手动模式），验证切换逻辑是否可靠，是否需要钥匙等授权操作以防止意外切换；检查模式指示是否清晰，不易误操作。试验结果试验结果应记录检查与测试情况。状态指示应清晰可辨，其含义应明确无歧义；有安全操作装置应功能有效；安全操作装置的设计与布局应符合相关标准规定和基本的人因工程原则。

（资料性）

生物力学阈值本附录参考GB/T36008-2018附录A中表A.2。生物力学限制身体区位特定身体部位准静态接触瞬态（暂态）接触最大允许压最大允许力最大允许压力乘数PT最大允许力乘数FT颅脑与前额1前额中部不适用不适用2太阳穴不适用面部3咀嚼肌6522颈部4颈部肌肉225第7颈椎2102后背与肩部6肩关节210227第5腰椎2102胸部8胸骨229胸部肌肉2腹部腹部肌肉22盆骨部盆骨21022上臀与肘关节三角肌22肱骨2202前臂与腕关节桡骨22前臂肌肉2臂部神经2手与手指食指腹D30022食指腹ND2702食指末关节D280220食指末关节ND220221大鱼际隆起200222手掌D260223手掌ND260224手背D200225手背ND2大腿与膝部26大腿肌肉2502202227膝盖2202小腿28胫骨2202229腓肠肌2102

（资料性）

工业协作机器人人机交互危险源识别清单本附录旨在为制造商进行风险评估中的危险源识别步骤提供一个结构化的、非穷尽的参考清单。该清单基于工业协作机器人的特殊性，列举了典型的人机交互相关危险源、危险状态及其潜在伤害。制造商应结合其产品的具体设计、预期用途和使用环境，对本清单进行补充和细化。工业协作机器人人机交互危险源识别清单危险源类别具体危险源/危险状态潜在伤害A.机械危险源A1.碰撞：机器人在运动过程中，其本体或末端执行器与操作人员发生瞬时接触。冲击伤、钝挫伤、骨折、内出血、脑震荡（如击中头部）。A2.挤压/夹伤：操作人员的身体部位被夹在机器人与另一物体（如工作台、墙壁、料架、机器人自身的其他部分）之间。挤压伤、骨折、关节损伤、内脏损伤、窒息（如挤压胸部）。A3.剪切：操作人员的肢体进入机器人两个相互靠近的运动部件之间（如关节的开合处），或机器人与固定物体之间的狭小间隙。剪切伤、断指/断肢、严重的割裂伤。A4.缠绕/卷入：操作人员的宽松衣物、长发、饰品等被机器人的旋转关节或末端执行器卷入。绞伤、撕裂伤、骨折、勒颈/窒息。A5.锐边/尖角/粗糙表面：机器人本体、电缆、末端执行器或工件存在未经处理的锋利边缘或尖角。割伤、划伤、刺伤、皮肤擦伤。A6.抛射物：机器人夹持的工件意外脱落、碎裂，或末端执行器部件失效飞出。冲击伤、砸伤、刺穿伤、眼部伤害。B.电气危险源B1.直接接触：操作人员接触到因绝缘破损、防护罩缺失而暴露的带电部件（如电缆、电机端子）。电击、心室颤动、灼伤、肌肉痉挛。B2.间接接触：机器人因内部绝缘失效导致其金属外壳带电，操作人员接触到外壳。电击。C.控制系统与软件危险源C1.安全功能失效：功率与力限制、速度与间距监控、安全级监控停止等协作安全功能未能按预期触发或执行。导致A类机械伤害的发生，且可能因速度/力量未受限而加重伤害。C2.传感器故障或受扰：用于安全监控的传感器（如力传感器、距离传感器、视觉系统）失效、被遮挡、受强光/电磁干扰，导致错误读数。机器人无法感知人员存在或接触，导致高速碰撞或严重挤压。C3.软件错误/逻辑缺陷：程序Bug导致机器人产生非预期的运动轨迹、速度或行为。不可预测的快速运动，导致所有类型的机械伤害。C4.错误的操作模式：机器人被意外地设置为高速的非协作模式，但操作人员误以为其处于安全的协作模式下