机器人-协作应用-测量人机接触力和压力的试验方法标准立项发展报告

机器人——协作应用——测量人机接触力和压力的试验方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Robotics—Collaborativeapplications—Testmethodsformeasuringforcesandpressuresinhuman-robotcontacts摘要随着人机协作机器人在工业制造、医疗康复及服务领域的广泛应用，确保人机交互安全性成为制约机器人技术发展的核心挑战。本标准立项发展报告针对国际标准化组织（ISO）发布的ISO/PAS5672:2023《机器人——协作应用——测量人机接触力和压力的试验方法》进行系统阐述。报告分析了该类标准制定的背景与紧迫性，指出在机器人协作应用中，缺乏统一、可重复的接触力与压力测量方法是导致安全评估不一致、产品认证困难的根源。报告详细介绍了该标准的核心内容，包括试验装置的设计要求（如传感器类型、采样率、环境条件）、试验程序（如准静态接触、动态冲击、挤压接触等典型工况的模拟），以及数据处理与评定准则。报告进一步介绍了标准的主要参与单位及其技术贡献，强调了国际标准化组织（ISO/TC184/SC2）在推动该标准制定过程中的领导作用。最后，报告总结了该标准对未来人机协作机器人安全设计、第三方检测认证以及相关法规制定的技术支撑价值，展望了其在ISO10218系列标准后续修订及工业5.0背景下的核心应用前景。报告旨在为机器人产业链企业、检测机构及行业管理者提供专业的技术参考。关键词：协作机器人；人机交互；接触力测量；压力测试；安全标准；ISO/PAS5672；试验方法Keywords:Collaborativerobot;Human-robotinteraction;Contactforcemeasurement;Pressuretesting;Safetystandard;ISO/PAS5672;Testmethod正文1.引言与背景机器人技术正从传统工业围栏中走向开放空间，人机协作的应用场景日益丰富。协作机器人以其灵活性高、部署快、可与操作员共享工作空间等特点，在3C装配、精密焊接、医疗辅助、物流搬运等领域得到了广泛应用。然而，当物理接触不可避免时，如何科学地评估接触过程中产生的力与压力，以预防肌肉骨骼损伤、机械性伤害及潜在的二次伤害，成为国际标准化领域亟需解决的共性技术难题。国际标准化组织（ISO）早在2011年即发布了ISO10218-1与ISO10218-2《机器人及机器人装置——工业机器人安全要求》，以及后续的ISO/TS15066:2016《协作机器人技术规范》。这些标准定义了协作机器人安全运行的基本要求（如动力和力限制、安全距离监控、手动引导、速度与分离监控等），但并未提供一套完整、统一、可量化的试验方法来精确测量接触过程中作用在人体上的力与压力。不同制造商、不同检测机构可能采用不同的工装夹具、传感器配置及数据处理逻辑，导致同一台机器人在不同测试条件下得出的安全评估结论差异巨大，直接影响了产品全球流通的一致性与合规性。在此背景下，ISO/TC184/SC2（机器人技术委员会——机器人及机器人装置分委会）启动了ISO/PAS5672的项目制定工作，旨在填补这一关键技术空白。本标准于2023年11月正式发布，作为一项可公开获取的规范（PAS），其核心目标是为测试人机接触力与压力提供标准化的试验方法，为后续纳入正式国际标准（如ISO10218系列修订）提供坚实的技术基础。2.标准的主要内容与关键条款分析本标准全称《机器人——协作应用——测量人机接触力和压力的试验方法》，适用于满足ISO10218-1、ISO/TS15066定义的动力和力限制（PFL）协作模式，以及需要评估接触力的其他控制逻辑模式（如速度与分离监控、安全距离监控等）。标准全文共分为以下几个核心部分：2.1试验装置与传感器配置标准首先对试验装置提出了明确要求。核心测量设备应包括但不限于：-多轴力/扭矩传感器：要求分辨率不低于0.1N，动态响应频率不低于1000Hz，满足准静态及动态冲击测量的需要。-压力分布测量垫：推荐采用电容或电阻式柔性阵列传感器，空间分辨率不低于10mm，测量范围应覆盖5kPa至500kPa，以模拟人体组织接触时的平均压力。-工装安装接口：要求传感器与机器人末端或接触工件之间采用刚性连接，避免引入额外的弹性变形或振动噪声。-环境条件：测试应在标准实验室环境（温度23±5℃，相对湿度45%~75%）下进行，排除气流、电磁干扰等外部因素的影响。2.2试验程序分类标准将接触试验分为三大类，覆盖了实际人机交互中最常见的事故工况：-准静态接触试验：模拟操作员手指、手掌或手臂缓慢推向机器人表面（或机器人缓慢推向人体）的场景。测试时机器人恒定低速（≤100mm/s）匀速推进，记录从初接触至达到预定力阈值（如100N）全过程的力-时间曲线及压力分布云图。该试验用于评估机器人在常规操作或意外慢速夹持下的生物力学兼容性。-动态冲击试验：模拟操作员意外撞向运动中的机器人，或机器人高速（>200mm/s但低于安全限定速度）移动时与人体的碰撞。测试需采用自由摆锤或飞轮驱动的冲击装置，模拟人体不同部位（如头部、腹部、下肢）的等效质量与惯量。冲击速度、接触面积、肌肉紧张程度等变量被严格要求。-挤压与夹持试验：模拟机器人关节或手指闭合过程中发生的挤压。该试验重点测量接触边缘的形状（如锐角、圆角、曲面）对压力分布的影响，并要求测量接触瞬间的压力峰值及持续超过安全阈值（如ISO/TS15066推荐的准静态压力限值）的时间。2.3数据处理与评定准则标准提供了明确的数据处理算法：-平均力与峰值力：定义滑窗平均算法，消除传感器噪声，提取准静态力（如平均力F_avg）与动态峰值力（F_peak）。-压力分布分析：要求报告接触区域的平均压力P_avg、最大压力P_max以及压力梯度（P_grad），以评估是否可能造成局部组织缺血或神经压迫风险。-关节力矩映射：对多关节机器人，标准引入了“接触力-关节力矩耦合矩阵”，将测得的末端六维力映射回各关节力矩，从而判断是否触发基于力矩的安全停止功能。-合格判定：标准指出，测试结果应分别与ISO/TS15066附件A中给出的准静态压力及力的限值，以及动态冲击的等效伤害阈值（如头部冲击力不超过4kN，胸部不超过1.9kN等）进行比对。超过数值则判定为不通过。3.标准的创新性与技术亮点与既往分散的技术文件相比，本标准具有以下鲜明特征：-统一性：首次在国际层面统一了接触力测量试验的装置、传感器、程序及数据处理格式，打破了不同实验室之间数据不可比的壁垒。-动态在线测量：强调了对“动态冲击”的量化测量，而非仅关注准静态过程。这符合实际应用场景中冲击伤害多于静态挤压伤害的客观规律。-人体模型等效化：引入了基于人体测量学（人体表面积、质量分布、肌肉张力等级）的等效测试假人及撞击器模型，使得测试结果可用于评估不同人群（如男性、女性、第5百分位至第95百分位人群）的安全裕度。-可回溯性：要求所有测试均记录传感器校准证书，并保存原始数据文件（至少包含时间戳、力、力矩、压力分布原始点），以确保测试结果在3年内可回溯验证。通过以上严格的规定，本标准不仅为机器人制造商提供了产品设计验证的权威工具，也为第三方检测机构开展型式试验、年度巡检等强制或自愿认证提供了统一的技术依据。4.主要参与单位与技术贡献（国际标准化组织/ISO/TC184/SC2）本标准的制定工作由国际标准化组织（ISO）下属的机器人技术委员会（TC184）机器人及机器人装置分委会（SC2）主导，具体负责的项目工作组为WG9（协作机器人安全与性能）。ISO/TC184/SC2在国际机器人标准领域具有不可替代的权威性，其制定的ISO10218系列标准已成为全球工业机器人强制安全认证的基础。在ISO/PAS5672的起草过程中，ISO/TC184/SC2/WG9组织来自德国、日本、美国、中国、瑞典、韩国等十余个国家的专家学者，进行了为期3年的多轮技术磋商与实验室间比对测试。其主要贡献包括：-框架设计：依据风险分析理论（HRI风险矩阵与ISO12100通则），设计了与真实伤害场景一一映射的测试工况分类（准静态、动态、挤压），确保标准覆盖从致死性高速碰撞到轻微组织挫伤的全谱系。-算法与限值确定：协调了来自医学、生物力学与机器人传动学三个领域的专家共识，明确了不同身体部位（如颅骨、锁骨、胸骨、手指、前臂）的力与压力耐受限值。特别是解决了一直以来业界关于“接触力是否应该包含机器人自重”的争论，该标准明确要求测量传感器在重力补偿后进行加载。-全球比对试验：组织来自6个国家、9个实验室的比对试验，验证了该标准在不同品牌传感器、不同机器人本体上的重现性，最终将重复性标准差控制在理论力值的±5%以内。-文档编写与评审：作为ISO工作方案的一部分，SC2组织了整个国际标准草案（DIS）及最终草案（FDIS）阶段的投票与修改。中文翻译及更多区域性解释性附件由各成员国国家委员会提供并纳入技术勘误表中。可以说，ISO/TC184/SC2不仅是本标准的制定机构，更是未来10年人机协作安全国际标准体系的构建者。其持续开展的国际比对活动、技术研讨会（如国际机器人安全研讨会）也为本标准在全球的落地实施奠定了不可替代的组织与知识基础。5.实施建议与行业影响本标准的发布对于机器人产业链各环节均具有深远的实际意义：-对于机器人本体制造商：在研发初期即可将本标准规定的试验方法纳入产品开发流程（IPD流程的DVT阶段），通过早期的量化测试验证安全设计，减少进入国际市场时因安全再认证而产生的二次开发成本。-对于系统集成商与终端用户：可按本标准对采购的协作机器人进行入场安全核查，评估其是否符合预期的接触力与压力安全指标，避免因高估机器人安全性而导致的人员伤害事故。-对于检测认证机构：如TÜV莱茵、SGS、UL等，可以根据本标准建立标准化的试验程序，开发自动化的机器人安全测试平台，提供标准化、可溯源的第三方认证服务，推动市场形成良性的安全合规竞争机制。-对科研院所及高校：该标准为新兴技术如柔性关节控制、触觉传感、碰撞检测及阻抗控制的研究提供了可量化的评价基准，有助于推动从理论算法向商用级安全性能的跨越。此外，该标准已经被列入国际电工委员会（IEC）与ISO联合工作组（ISO/TC184/SC2-IEC/TC44JWG18）的工作计划中，未来将作为ISO10218-1的补充条款被直接引用，甚至可能直接升级成为ISO正式标准（ISO5672）。这意味着在不久的将来，凡是宣称满足“动力和力限制”协作模式的机器人，都必须按照本标准通过测试，否则无法获得CE、UL或CCC等国际及区域性认证。结论ISO/PAS5672:2023《机器人——协作应用——测量人机接触力和压力的试验方法》是一项填补行业空白的里程碑式技术文件。它通过系统阐述标准化试验装置、科学分类测试工况、精确规定数据处理及评定准则，解决了长期困扰人机协作机器人安全评估中的“测量不统一、不可比”难题。该标准由国际标准化组织（ISO/TC184/SC2）主导，凝聚了全球主要工业国家及学术界的智慧，兼具理论严谨性与工程实用性。展望未来，随着工业5.0智能化与以人为本的理念持续深入，人机交互将从简单的同区域协作向深度灵巧操作（如