協作機器人性能標準研究與發展趨勢

崔朝宇 伍國梁

【摘要】協作機器人性能標準的現狀已經被業界關注。國際標準化組織（ISO）已經為協作機器人建立了一系列解決安全性、精準性、靈活性等問題的標準，如ISO 10218—1、ISO 10218—2和ISO/TS 15066。這些標準強調了對機器人本身及其控制系統的要求。雖然現有標準為協作機器人的安全運行提供了基本框架和指導，但隨著應用領域的不斷擴大，標準制定者可在智能化與學習化能力、感知和決策能力、安全性與多領域適應性方面，進一步完善和擴展這些標準，以滿足不同行業和場景的需求，確保協作機器人能夠在各個領域發揮最佳性能。

【關鍵詞】協作機器人；性能標準；安全性；適應性

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

【基金項目】廣東產品質量監督檢驗研究院科技項目（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

協作機器人（Collaborative Robots，簡稱Cobots）是一類能夠與人類直接共同工作的智能機器人系統。與傳統工業機器人相比，協作機器人具有更高的安全性和靈活性。它們通常設計成可以與人類在同一工作區域內共同作業，無須額外的隔離設備。這是通過先進的傳感技術和安全特性實現的，使得它們能夠感知周圍環境和人類的位置，隨時做出相應調整以保證工作安全。協作機器人具備直觀易用的編程接口，有時甚至可以通過簡單的示教來規劃任務，這使得它們在生產線或工作站的快速部署變得極為便捷[1]。此外，它們還可以與人類直接互動，如處理物品、傳遞工具等。協作機器人在現代制造業、醫療保健、物流和服務等領域得到了廣泛應用[2]，其出色的安全性和靈活性使得它們能夠與人類高效協作，共同完成各種任務，從而提升了生產效率、降低了勞動強度，并為工業自動化帶來了全新的發展前景。隨著技術的不斷進步，對協作機器人性能標準的研究成了推動其發展的重要因素之一。這些標準不僅可以為制造商提供明確的設計和制造方向，也能為用戶提供可靠的參考依據，從而確保協作機器人在不同工作環境中表現出色，并在工業生產中發揮最大價值。同時，標準的制定也推動了協作機器人技術的不斷創新與升級，為工業自動化提供了堅實的基礎，推動了整個產業的快速發展。

目前，協作機器人性能標準的制定和實施已成為工業界關注的重要議題。國際標準化組織（ISO）針對協作機器人的安全性、靈活性、精度等方面制定了一系列標準，如ISO 10218—1和ISO 10218—2，分別強調了機器人本體及其控制系統的要求。此外，ISO/TS 15066也提供了關于協作機器人與人類互動的指南，從感知技術到安全保障提出了全面的建議。歐洲標準組織（EN）也在協作機器人的安全性方面制定了相應的EN ISO 10218標準。美國國家標準協會（ANSI）同樣發布了一套協作機器人安全標準，即ANSI/RIA R15.06，涵蓋了機器人的設計、建造、集成、安裝和操作方面的要求。這些現有標準為協作機器人的安全運作提供了基本的框架和指導，隨著協作機器人應用領域的不斷拓展，未來標準制定機構可能會進一步完善和拓展這些標準，以適應不同行業和場景的需求，保障協作機器人能夠在各個領域發揮最佳性能。

協作機器人性能標準的制定涵蓋了多個關鍵要素，其中包括了安全性、精度、靈活性和交互性能等方面。首先，安全性是協作機器人性能標準中至關重要的要素，它要求機器人在與人類共同工作時，具備高度的安全保障機制，通過先進的傳感技術和智能控制系統來避免潛在的碰撞或傷害。其次，精度和重復性是評估協作機器人性能的重要指標，要求機器人在執行任務時能夠保持高度的精準度和穩定性，以確保產品質量和生產效率。此外，靈活性要求協作機器人能夠適應不同的工作場景和任務需求，具備多功能、多場景的適應能力，從而提升其在生產過程中的靈活應用性。最后，交互性能強調機器人與人類之間的良好溝通和協作能力，包括機器人的感知能力、識別能力以及與人類的協調配合，以實現更為高效的工作合作。綜合而言，協作機器人性能標準的各個關鍵要素相互交織，共同確保了機器人能夠在與人類共同工作的場景中發揮最佳性能，為現代工業帶來前所未有的生產效率和安全保障。

2.1安全性

協作機器人的安全性是其性能標準中至關重要的要素之一，它直接關系到機器人與人類共同工作時的安全保障。協作機器人的安全性是確保在與人類共同工作時避免傷害和意外的關鍵因素。由于協作機器人與人類在同一工作區域內工作，因此必須具備高度的安全保障機制，以避免在操作過程中發生碰撞、夾傷等潛在的危險情況。ISO/TS 15066是國際標準化組織（ISO）制定的一項關于協作機器人安全性的技術規范。它提供了與人類共同工作的協作機器人所需的安全措施的指導。具體來說，ISO/TS 15066包括了以下重要內容。

1）危險源評估：標準強調了對可能的危險源進行評估和識別，以便采取相應的安全措施來減輕或消除潛在風險。

2）接觸力限制：標準規定了協作機器人與人類接觸時的力和壓力的限制，以確保在接觸情況下不會造成傷害。

3）速度和力的監控：標準要求協作機器人必須具備監控功能，能夠實時檢測其運動速度和施加的力，并在超過安全閾值時采取相應措施。

4）緊急停止和切斷：標準規定了協作機器人必須配備緊急停止裝置，以便在出現緊急情況時立即停止動作。

2.2精度和重復性要求

協作機器人的精度和重復性要求是確保其在工業生產中高效穩定運行的關鍵因素。精度是指機器人執行任務時達到的準確度，而重復性則表示機器人在多次執行同一任務時保持一致性的能力。這兩個要素直接影響產品的質量和生產效率。高精度保證了產品的尺寸和質量符合規范，而重復性保障了產品生產的一致性，降低了生產中的變異性。在工業生產中，特別是在精密制造和裝配過程中，精度和重復性的要求至關重要，可以避免產品缺陷和廢品的產生，提升生產效率和產品質量。盡管目前針對協作機器人的專門精度標準尚未普遍制定，但可以參考工業機器人精度標準，如ISO 9283和ANSI/RIA R15.05，將其作為評估協作機器人性能的參考依據。這些標準為協作機器人提供了一些基本的性能指導，同時也促使行業在協作機器人精度和重復性方面不斷探索和創新，以滿足不斷變化的生產需求。

2.3靈活性和適應性

協作機器人需要具備多功能、多場景的適應能力，所以在不同工作場景下的靈活性要求對于協作機器人至關重要。這意味著協作機器人應該能夠迅速適應不同的工作環境和任務需求，無論是在制造業的生產線上、醫療保健領域的手術室內，還是在物流行業的倉儲中。它們可能需要執行各種各樣的任務，從簡單的物品搬運到復雜的裝配工序。因此，協作機器人需要具備智能感知和決策能力，能夠根據實時的環境情況和任務要求作出相應的調整。此外，靈活性也包括了對工作空間的適應能力，可能需要在狹窄的空間內工作，或者需要在復雜的環境中避開障礙物?？偟膩碚f，協作機器人的靈活性使得它們能夠在各種不同的工作場景下發揮作用，為現代工業和服務行業提供高效、多樣化的解決方案。

2.4交互性能

協作機器人的交互性能要求其與人類共同工作時互動順暢。這要求機器人具備高度的感知能力，能夠準確感知周圍環境和物體的位置以及對人類的存在和動作進行感知。此外，機器人還需要具備識別能力，能夠識別不同物體的特征和屬性，以便在工作過程中作出相應的動作和決策。最重要的是，協作機器人需要與人類保持良好的溝通和協作能力，這涵蓋了通過聲音、視覺，甚至手勢等方式與人類進行交流，能夠理解人類的指令和意圖，并作出相應的響應。這種高效的交互性能使得協作機器人在與人類共同工作的環境中實現高度的合作和協調，從而提高了工作效率和生產質量。因此，協作機器人的交互性能要求是確保其成功融入工作環境，與人類共同完成任務的重要保障。

協作機器人與人類共同工作正逐漸成為工業領域的重要趨勢。未來，人機共存將更加深度融合，這將對未來標準產生深遠影響。隨著技術的不斷進步，協作機器人將具備更高的智能和感知能力，能夠更加靈活地適應不同工作場景。此外，機器人的學習和適應能力將不斷提升，使其能夠實時調整工作策略以適應變化的環境和任務需求。在未來的標準制定中，必然會考慮到協作機器人與人類互動的復雜性和多樣性，從而提出更具體、靈活的標準要求，以保證機器人的安全、高效與可靠地運行。這也將推動協作機器人行業的持續創新和發展，為工業自動化帶來新的突破和可能性。在協作機器人的發展過程中，下列幾個方面的科技進步將存在發展的可能性。

3.1智能化和學習能力的發展

協作機器人的智能化和學習能力的不斷發展是當今工業領域的一大亮點。隨著人工智能和機器學習技術的迅猛發展，協作機器人能夠通過不斷積累經驗自主學習，逐漸提升其在各種工作場景下的適應能力。這使得協作機器人能夠更靈活地應對復雜多變的工作環境和任務需求[1]。在未來標準的制定中，必將考慮提高協作機器人智能化水平和學習能力，提出更為靈活、具體的要求。標準將需要涵蓋機器人的自主決策能力、實時學習能力以及對變化環境的適應性，以確保協作機器人在與人類共同工作時能夠以最高效、安全的方式運行。這也將推動協作機器人行業邁向更加智能化、自適應的發展階段，為工業自動化注入新的活力。

3.2感知和決策能力的提升

未來，協作機器人在感知和決策方面將迎來顯著的發展。隨著先進的傳感技術和人工智能的快速進步，協作機器人將具備更高級別的感知能力，能夠準確地識別周圍環境、物體的位置及特征[3]。同時，機器人的決策能力也將得到極大提升，通過深度學習和模式識別等技術，使機器人能夠在復雜情境下做出智能化的選擇。這將使協作機器人在各種工作場景下更加靈活和高效地與人類合作。

對于性能標準而言，未來將面臨更高的要求。標準將需要包括機器人感知和決策能力的測試和評估方法，以確保其在不同工作環境中都能夠可靠地運行。此外，標準還可能會涉及機器人的自主決策機制、應對突發情況的能力等方面，以適應未來工業智能化和自動化的發展趨勢?？偟膩碚f，協作機器人在感知和決策方面的進步將為工業生產帶來前所未有的靈活性和效率，同時也將推動性能標準不斷升級，以滿足日益復雜的生產需求。

3.3安全性能的持續提升

隨著協作機器人應用范圍的不斷擴大，對于其安全性能的提升顯得尤為迫切和必要。協作機器人在與人類共同工作的情況下，直接參與到生產流程中，因此安全性問題不容忽視。高度可靠的安全性能可以有效降低意外傷害的風險[4]，保障工作場所的人員安全。此外，隨著協作機器人應用領域的拓展，它們可能會面對更加復雜多樣的工作環境，如醫療、零售等領域，而這些領域對安全性的要求可能會更為嚴格。因此，持續提升協作機器人的安全性能，包括安全傳感器、緊急停止系統等方面的技術創新，是保障生產環境和人員安全的關鍵措施。只有通過不斷提升安全性能，協作機器人才能在各行各業得到更廣泛的應用，為現代工業帶來更高效、安全的生產方式。

3.4多領域應用的適應性

協作機器人的智能化水平在不同領域中得到了充分的體現。配備先進的感知和控制系統，它們能夠通過各類傳感器實時獲取環境信息，從而做出智能化的決策。這使得協作機器人能夠適應各類工作場景，如在醫療領域參與手術，在無人車間中完成精密的裝配工作。相較于傳統機器人，它們能夠更為自如地適應各種工作環境。在生產制造中，協作機器人可以根據不同任務的需求，自動調整工作路徑和姿態，與工人共同完成組裝、裝配等工序。這使得其在制造業的各個環節中都能夠發揮重要作用。

協作機器人性能標準的研究在當前正迎來蓬勃發展階段，其涵蓋了安全性、精度、靈活性、交互性等多個關鍵要素，為確保機器人與人類協同工作的安全可靠提供了重要保障。目前，國際標準化組織（ISO）、歐洲標準組織（EN）和美國國家標準協會（ANSI）等機構相繼發布了一系列針對協作機器人的安全性標準和性能測試指南。未來，隨著協作機器人應用范圍的擴大，感知和決策能力的提升以及智能化水平的不斷提高，標準將面臨新的挑戰和發展方向。因此，制定完善的性能標準不僅是保障協作機器人安全運行的必要手段，也是推動工業自動化和智能化發展的關鍵支撐。這也將為行業提供可靠的技術指導，促進整個產業的蓬勃發展。

【參考文獻】

[1]吳其林，趙韓，陳曉飛，等.多臂協作機器人技術與應用現狀及發展趨勢[J].機械工程學報，2023，59（15）：1-16.

[2]劉京運.協作機器人表現亮眼國產廠商按下發展“加速鍵”[J].機器人產業，2022（4）：18-21.

[3]呂乃靜，劉檢華.柔性線纜的機器人自動敷設關鍵技術與發展趨勢[J].機械工程學報，2022，58（17）：75-95.

[4]柳昕.工業機器人行業運行情況及發展趨勢分析[J].中國國情國力，2022（7）：11-15.

[5]胡騰，倪航，方力，等.智能巡檢機器人研究現狀與發展方向分析[J].機器人產業，2022（3）：30-35.

【作者簡介】

崔朝宇，男，1983年出生，工程師，碩士，研究方向為工業機器人應用。

（編輯：侯睿琪）