（正式版）T∕CEEIA 909-2025 协作机器人碰撞力测试方法

ICS13.020CCSZ04CEEIACollisiontestmethodofhuman-robotcollaborationIT/CEEIA909—2025中国电器工业协会（CEEIA）是在平等、自愿基础上，由全国电工装备制造、科研、院校、工程成套、销售、用户及相关企事业单位组成的全国性社会组织。按照专业分为发电设备、输变电设备、配电设备、用电设备、基础元件和材料五个领域。现有42个分支机构，6000余家会员单位，分布在全国各地，涵盖电器工业所有领域。中国电器工业协会始终以振兴和发展我国电器工业，代表和维护全行业共同利益和会员合法权益为宗旨，在政府和会员之间发挥"纽带"和"桥梁"的作用。制定中国电器工业协会团体标准，是推动行业可持续发展，满足企业需要，推进企业技术进步，也是协会重要工作之一。中国境内的团体和个人，均可提出制、修订中国电器工业协会团体标准的建议并参与有关工作。中国电器工业协会团体标准按照《中国电器工业协会团体标准制定工作管理办法》进行制定、发布和管理。标准中有关的知识产权问题，按照《中国电器工业协会团体标准知识产权管理办法》进行管理。在标准实施过程中，如发现需要修改或完善之处，请联系中国电器工业协会标准化工作委员会秘书处。本标准由中国电器工业协会制定发布，其版权归中国电器组织和个人未经中国电器工业协会同意，不得印邮政编码：100070电话：010-6前言 2规范性引用文件 3术语定义 4测试流程 5人机接触部位及接触类型的识别 5.1人机接触发生来源 5.2人机接触类型 5.3接触区域 5.4人机接触事件识别的因素 6机器人碰撞测试位姿及运动轨迹 6.1协作机器人本体 6.1.1机器人碰撞测试位姿 6.1.2机器人运动路径 6.2协作机器人系统集成 7测试系统 7.1准静态接触力测量系统 7.1.1力/压力测量模块 7.1.2PFMD的安装 67.1.3测量系统的校准 7.2暂态接触力测量系统 7.2.1测量原理 7.2.2测量系统要求 8试验方法 8.1试验前准备 8.2协作机器人本体 8.2.1准静态接触情形 8.2.2暂态接触情形 8.3协作机器人系统集成 9结果报告 附录A（规范性）人体生物力学阈值 T/CEEIA909—2025附录B（资料性）人机协作过程风险评估危险事件清单 附录C（资料性）协作机器人本体-人典型碰撞部位的组合 附录D（资料性）PFMD的安装实例——基于机器人应用 15附录E（资料性）机器人有效质量mR的测量 参考文献 本文件参照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的的结构和起草规则》及T/CEEIA270—2017《CEEIA标准编写指南》给出的规定编写。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专利的责任。本文件由中国电器工业协会标准化工作委员会提出。本文件由中电协电气场所用机器人安全与检测标准化专业委员会归口。本文件起草单位：上海机器人产业技术研究院有限公司、法奥意威（苏州）机器人系统有限公司、上海电器科学研究所（集团）有限公司、上海捷勃特机器人有限公司、中科新松有限公司、苏州艾利特机器人有限公司、节卡机器人股份有限公司、常州检验检测标准认证研究院、遨博（北京）智能科技股份有限公司、上海电气集团股份有限公司中央研究院、上海工程技术大学、唐山松下产业机器有限公司、南京工程学院、北京思灵机器人科技有限责任公司、上海电器科学研究院、广东省东莞市质量监督检测中心、上海辰竹仪表有限公司、苏州鸿博工业科技有限公司、上海电子信息职业技术学院、上海电器设备检测所有限公司、上海添唯认证技术有限公司。本文件主要起草人：朱晓鹏、巩相峰、皇甫亚波、龚劭秋、陈宏伟、孙恺、杨帆、王直荣、朱志昆、陈忠、杭鲁滨、陈赛旋、郭建飞、乔贵方、邹添、邢琳、张文龙、周婷、蔡进、张振山、陈永平、王凯凯、耿方琪、贾晓艳。本文件于2025年首次制定。VT/CEEIA909—2025协作机器人去除物理围栏，人和机器人共享工作空间来执行特定任务，机器人与人体难免会发生各类接触。在发生接触后，评判安全与否的依据是接触力/压力是否会超出人体可接受的阈值。当前，协作机器人碰撞力测试存在两个短期内难以解决的问题：一是与人体生物力学组织特性完全相同的PFMD模块（在测量力/压力的同时，可以模拟人体组织的生物力学反应），二是准确的且具有广泛代表性的人体生物力学模型。然而受协作机器人行业快速发展驱动，当前对于接触力/压力测试的标准化和一致性需求的迫切程度要大于测试结果的绝对准确性，以便于消除机器人制造商和用户存在的分歧，从而使得各方协同推动协作机器人的安全应用。本文件结合协作机器人产品特点，提出了一种协作机器人碰撞力测试方法，明确试验过程中的内容及细节，提高测评结果的一致性，有利于提升机器人产品质量水平，促进国产机器人进入高端制造业，提升国产工业机器人的国际竞争力。1T/CEEIA909—2025协作机器人碰撞力测试方法本文件规定了协作机器人碰撞力测试方法，包括测试流程、人机接触部位及接触类型的识别、碰撞测试位姿及运动轨迹、测试系统、试验方法和结果报告等本文件适用于各类协作机器人和协作机器人系统集成（以下简称“机器人”）。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而过程本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T12642-2013工业机器人性能规范及其试验方法GB/T15706-2012机械安全设计通则风险评估与风险减小GB/T19876-2012机械安全与人体部位接近速度相关的安全防护装置的定位GB/T36008-2018机器人与机器人装备协作机器人JJG860-2015压力传感器(静态)检定规程ISO868-2003塑料和硬橡胶-用硬度计测定压痕硬度(肖氏硬度)（Plasticsandebonite—Determinationofindentationhardnessbymeansofadurometer(Shorehardness)）ASTMA125-96-2018热处理螺旋形钢弹簧的标准规范（StandardSpecificationforSteelSprings,Helical,Heat-Treated）ASTMD2240-15(2021)橡胶性能标准试验方法-硬度计硬度（StandardTestMethodforRubberProperty—DurometerHardness）DIN2096-1-1981圆线材及棒材制圆柱形螺旋压簧热绕压缩弹簧的质量要求（Helicalcompressionspringsmadeofroundwireandrod;Qualityrequirementsforhotformedcompressionsprings）3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1准静态接触quasi-staticcontact人员与机器人系统部件之间的接触，这种接触人员身体部位可能被夹在机器人系统运动部件以及另一个机器人单元固定或运动部件之间。[来源：GB/T36008-2018，3.4]3.2暂态接触transientcontact人员与机器人系统部件之间的接触，人员的身体部位没被夹住，能从机器人系统移动部件上反弹或撤回。[来源：GB/T36008-2018，3.5]4测试流程机器人碰撞力测试流程如图1所示。开始开始别图1机器人碰撞力测试流程机器人碰撞力测试流程：a)通过风险评估的方法识别人机协作过程中潜在的接触事件，确定机器人碰撞部位、人体碰撞区域以及人机接触类型；b)采用合适的方法，确定碰撞安全测试过程中机器人与测量系统接触时的位姿；c)根据接触类型的不同，搭建相应的测量系统并进行测量：d)若是准静态接触，应设置碰撞力/压力测试系统和机器人，选取能够代表人体不同组织特性的测量模块进行力和压力的测量；e)若是暂态接触，应设置速度测量系统和机器人，选取机器人的不同接触部位进行测试，测量接触部位的运动速度，在计算时应考虑人体运动学参数，然后根据碰撞模型计算碰撞所传递的能量。f)将测试结果与人体生物力学模型阈值进行比对(人体生物力学阈值见附录A),以确定是否符合要求。3T/CEEIA909—20255人机接触部位及接触类型的识别5.1人机接触发生来源机器人与操作人员身体部位之间的接触事件可能来自以下方式：a）预期接触情况，其为应用序列的一部分；b）偶然性接触情况，其可能是不遵循工作程序的结果，但未发生技术性失效；c）失效模式接触情况。5.2人机接触类型人机接触可分为暂态接触和准静态接触。5.3接触区域接触风险一般发生在机器人运动部件，包括但不限于：a）连杆、关节、外壳等结构表面；b）末端执行器；c）由机器人操作的工件；d）其他外围设备等。5.4人机接触事件识别的因素在识别接触情形时应考虑以下因素：——人员暴露的身体区域，应结合人体生物力学模型考虑操作人员暴露的身体区域，见附录A；——接触事件的源头，例如，预期使用中的有意行为或无意接触或可合理预见的误用；——发生的可能性及频率；——接触事件的类型；——接触区域、速度、力、压力、动量、机械功率、能量以及其他量化参数等描述物理接触事件。接触情形包括机器人、末端执行器、工件以及机器人单元内的其他危险。应按GB/T15706-2012进行风险识别，示例见附录B。根据风险识别的结果，确定人体接触部位的组合。附录C给出了协作机器人本体-人典型碰撞部位的组合。6机器人碰撞测试位姿及运动轨迹6.1协作机器人本体6.1.1机器人碰撞测试位姿在进行碰撞力测试时，应正确确定协作机器人碰撞测试位姿，碰撞事件中机器人部位、人的身体部位确定后，机器人的碰撞位姿仍具有多种可能，即发生碰撞时被测机器人可能处于其工作空间的不同区域。在确定碰撞测试机器人位姿时，宜按GB/T12642-2013的要求确定工作空间立方体，如图2所示，应采用边长为250mm、400mm、630mm、1000mm中最大的立方体，选取P1~P5作为测试位姿。4图2工作空间立方体如采用其他方法确定协作机器人碰撞测试位姿，在测试报告中应注明所选用的碰撞测试位姿确定方6.1.2机器人运动路径控制机器人分别沿基坐标系x、y、z三个方向运动。机器人运动路径的设置应足够长，确保被测协作机器人达到碰撞位姿时机器人速度达到到最大值，最大值应在报告中说明。测试位姿应尽量远离路径起点和终点。若机器人本体的设计或应用使得其在某方向上的运动不可能与对应的人体部位发生接触时，该方向上的碰撞力测试经评估可以免除。6.2协作机器人系统集成以协作机器人为核心的系统集成应用，机器人的碰撞测试位姿及运动轨迹宜根据其实际工序运行需求以及人机交互过程中物理空间中的接触情况来进行确定。在试验中应考虑机器人末端执行器以及操作的工件等潜在的可能与操作人员接触的系统组成部分。7测试系统7.1准静态接触力测量系统7.1.1力/压力测量模块协作机器人接触力测试过程中通过可以模拟人体不同部位组织特性的PFMD测量模块与被测协作机器人碰撞，碰撞发生在机器人工作空间内，碰撞的部位为机器人在使用过程中可能与人员发生接触的位置。PFMD通过不同有效弹性系数的弹簧、不用硬度的阻尼材料和不同有效质量的质量块模拟人体不同部位，其主要技术参数按表1。5T/CEEIA909—2025表1PFMD模块主要技术参数A过滤由碰撞产生的压痕B器分布式压力传感器可以采用峰值测量型或连续测量型，峰值测量型测得的力值适用于准静态接触阶段和暂态接CC+F模拟人体不同部D/E/FC+F模拟人体不同部GH/阻尼材料和弹簧技术参数按表2。表2阻尼材料和弹簧技术参数硬度（邵氏硬度A2阻尼材料和弹簧技术参数(续)身体区域阻尼材料(C)弹簧(F)硬度(邵氏硬度A)厚度(mm)弹性系数(N/mm)大腿与膝部小腿PFMD设计见图3,特别需要说明事宜如下：a)弹簧的上端面通过螺栓(或其他可行的方式)固定在平板E上，弹簧的下端面固定在压力传感器G上，这样确保在接触力测量过程中弹簧不会发生反弹，从而b)三个或以上的套筒用于夹紧连接可移动平板E和底座H的连杆，连杆和弹簧导杆的空程应足够长，以使平板E在弹簧压缩的情况下自由移动，并且在接触试验中平板E将克服弹簧的阻力运动，套筒可空程可以确保弹簧只受到压缩力而不受其他方向上的力，特别是在PFMD模块不是7.1.2PFMD的安装安装系统的刚度宜超过PFMD刚度的20倍以上。另外，也可以通过多次测量来看结果的偏离程度，多次测量力的归一化标准差不超过5%,压力的归一化标准差不超过10%。注：足够的刚性是指安装系统的刚度宜超过PFMD刚度的20倍以上。宜将PFMD校准分为部件校准和模块校准，阻尼材料可以通过标准ISO868-2003/ASTMD2240-15(2021)进行校准，弹簧可以通过标准ASTMA125-96-2018/DIN2096-1-1981进行校准，测压元件可以通过标准JJG860-2015等进行校准，对于整体模块的校准可以采用在固定高度自由下落和单摆36008-2018给出了生物力学限制与传递能量之间的关系，通过简易双物体模型来计算碰撞过程中所传递的能量，如图4所示，该模型对应于最恶劣情况的假设，即发生完全非弹性碰撞，碰撞过程中的动能图4暂态接触的接触模型能量E可采用公式(1)进行计算：k——特定身体部位的有效弹性系数；μ——机器人与人碰撞系统的折合质量，可表示为公式(2):m——人体区域的有效质量；mH见表3所示。表3身体模型的有效质量身体区域1238T/CEEIA909—2025表3身体模型的有效质量（续）有效质量m45678392注：大腿、膝盖、小腿的质量值被设置为全身体mR为机器人姿态与运动的函数，可简化为公式（3式中：mL——机器人系统包括工具及工件的有效载荷；M——机器人运动部件的总质量。在考虑相对速度vvel时，宜将人体运动学中的统计数据考虑在内。附录E给出了一种确定机器人有效质量mR的方法，该方法适用于碰撞过程中最大力出现在暂态接触阶段的情形。7.2.2测量系统要求速度测量系统应符合GB/T12642-2013中6.5的要求，此外速度测量系统还应能够对被测机器人实现跟踪测量。8试验方法8.1试验前准备试验前机器人应充分预热，非安全功能或未达到所需的性能等级及类别架构的安全功能应被关闭或去除，如PLb、Cat2的触觉传感器应被关闭。对于机器人负载、速度、加速度和力感知灵敏度等参数，在测试过程中通常是选取最恶劣的情况，一般取最大值。机器人额定负载一般选用球形，应选用刚性材料。9在准静态接触力测量过程中，PFMD应采用固定式安装，参考附录D,碰撞接触时PFMD表面应与碰撞方向垂直，如图5所示，Pi表示协作机器人碰撞位姿，见6.1.1,A₁、P₁、A₂为协作机器人碰撞测试轨迹，红色虚线表示机器人接触区域的运动路径，在P₁点机器人的运动路径与PFMD的测量模块表面垂直。对于每个测试用例，测试3次，取平均值，如果3次测试偏离超过10%,则增加2次，5次器人末端A₂碰撞接触区域的运动轨迹被测协作机器人在P₁点，机器人部位垂A₁P图5准静态接触时机器人运动轨迹可以通过非接触式测量的方式获取，将测量靶球固定于被测协作机器人的碰撞部位，如图6所示。对于每个测试用例，测试三次，取平均值，如果三次测试偏离超过10%,则增加两次，五次测试中取平均激光跟踪仪P激光反射靶球激光跟踪仪P被测机器人碰撞接触区域的运动轨迹人体部位速度的确定按GB/T19876-2012,人体行走速度为1600mm/s,上肢运动速度为2000mm/s,其他情况下的速度可能会高于或低于上述数值，例如人跑动、跳跃、跌倒等，速度宜通过风险a)在测试过程中，应首先分析是否可以对工作环境进行调整，在不影移除影响PFMD安装的部分；b)如无法进行移除，则分析是否可以借助协作机器人工可以满足PFMD安装的区域，如机器人可以绕第1轴旋转而不会改变影响碰撞力/压力结果的T/CEEIA909—2025（规范性）人体生物力学阈值人体生物力学阈值按表A.1规定。表A.1人体生物力学阈值PN/cm212322422526227282292222222222222222ND22T/CEEIA909—2025表A.1人体生物力学阈值（续）PN/cm22222222222T/CEEIA909—2025（资料性）人机协作过程风险评估危险事件清单参考GB/T15706-2012识别人机协作过程中发生风险时的典型危险事件，参考表B.1。表B.1危险事件编号123456714(资料性)协作机器人本体-人典型碰撞部位的组合12腕关节1暂态接触3456789前臂与腕关节PO3肘关节P02肩关节P06腕关节3P08下臂P01基座(资料性)PFMD的安装实例——基于机器人应用基于工业机器人应用的准静态接触力测量系统，该系统由一台工业机器人、PFMD模块、连接板、测量软件等组成，PFMD模块通过连接板安装在工业机器人的法兰盘末端。在每次接触力测试过程中，工业机器人携带PFMD模块到达被测协作机器人工作空间的指定位置，适配被测机器人以不同的位姿进行接触力测试。机器人整体的刚度会受其空间位姿的影响，因此在接触试验过程中工业机器人所处的位姿应确保合适，工业机器人的刚度宜超过PFMD刚度的20倍以上。图D.1测试系统示例T/CEEIA909—2025（资料性）机器人有效质量mR的测量在机器人有效质量mR未知的情况下，可以通过PFMD测量力值来进行估计，见公式（E.1mR………………（E.1）R式中：IR——机器人运动冲量，单位为牛顿秒（N•svR——在碰撞力测试时的接触速度，单位为米每秒（m/s）。运动冲量计算公式（E.2IRFTRtTR…………（E.2）式中：FTR——暂态接触过程中所测得的最大力，单位为牛顿（NtTR——FTR发生的时间，单位为秒（s）(≤500ms）。更精确的方式是采用离散化方式来进行计算，见公式(E.3)：IRFtdt…………（E.3）式中：F(t)——随时间测量的接触力，单位为牛顿（N）。T/CEEIA909—2025参考文