协作机器人 PFL 验证：接触力与压强到底怎么测才算数

功率与力限制PFL的验证测的是“你这套应用”不是“这台机器人”。这不是我个人的看法是新版主标准的原话。ISO 10218-2:2025 引言里写着“It is important to emphasize that the term ‘collaborative robot’ is not used in this document. Only the application can be developed, verified, and validated as a collaborative application.” 必须强调本文件不使用“协作机器人”这一术语。只有应用才能被开发、验证和确认为协作应用。同一段还说明因为人机协作关系到应用而非机器人本身ISO/TS 15066 的大部分要求已被并入该文件。所以本体带 PFL 功能、供应商甩过来一沓碰撞测试报告都推不出你产线的合规结论——那些报告是在他们的工装、姿态与负载下测的换成你的工具、工件、节拍接触力完全可以是另一个数量级。我做了十年集成交付这几年主要替工厂做交付前把关。下面这张责任分层表是我进现场先填的。要回答的问题落在哪一层谁给证据有没有 PFL 安全功能、什么性能等级机器人本体本体制造商的安全功能说明会不会发生接触、接触哪个部位应用风险评估集成方与使用方共同出具真实接触时的力与压强是多少应用实测集成方现场实测并留档最容易被跳过的是第三行。中文资料谈 PFL 绝大部分停在“有限值、要测量”真正决定测出来的数作不作数那一层——用什么装置、装置要有什么特性、测哪个点、重复几次取哪个值——几乎没人展开。这篇补这一层。一、两种接触怎么分判据是能不能退让不是持续了几毫秒这是全文的地基也是被写错最多的一处。很多中文材料把暂态接触定义成“持续时间很短的接触”于是现场出现这种自我放行“这一下就一瞬间算暂态吧。”ISO/TS 15066 的 5.5.5.2 不是这么划的。它对暂态接触的描述是人体部位被机器人运动部件撞到后能够回弹或退离机器人而不被夹持或困住can recoil or retract from the robot without clamping or trapping因此实际接触时间才短。准静态接触则是人体部位被夹在机器人运动部件与工位内其它固定或运动部件之间在状况解除前持续承受压力或力。因果方向要看清接触时间短是“能退开”的结果不是判它为暂态的理由。判据只有一条——那个方向上人退不退得开、有没有被夹住。ISO/PAS 5672:2023 拆得更细用两个独立的接触特征做二维分类载荷曲线load profile分准静态型缓慢变化、无明显全局最大值与动态型快速振荡、有明显峰值空间构型spatial configuration分受约束constrained刚性障碍挡住退让方向与不受约束unconstrained。两两组合出 push、pinch、impact、crush 四种接触类型。该文件还给了个能拿卷尺量的提示判“不受约束”的前提之一是到最近固定物的自由距离至少 500 mm更精确的值查 ISO 13854。我自己的口径比标准保守一档接触点周围只要存在能形成夹持的固定物一律先按准静态判除非能证明该方向上人体可自由退让。现场场景常见误判应按哪种判开阔空间摆动人从侧面走近被碰到——暂态上下料口人手伸进去时机器人从上方压下常被当暂态准静态工件与料仓壁构成夹持面机器人贴着围栏或立柱运动的那一段常被当暂态准静态退让方向被挡死工具与工件之间、夹爪张开的两指之间常被漏掉没列为接触场景准静态另需评估机械夹伤危害第四行漏得最狠。很多人把“人机接触”默认成人跟机器人本体的碰撞忘了真正会夹住手的往往是末端工具本身。二、限值从哪来、是什么性质、“资料性”三个字怎么读限值的中文对应文本是GB/T 36008-2018《机器人与机器人装备 协作机器人》全国标准信息公共服务平台的项目记录写明等同采用 ISO/TS 15066。注意前缀GB/T 是推荐性国标不是“法定强制来源”——这条线上带强制性质的是GB 11291.1-2011管本体与GB 11291.2-2013管系统与集成整线的事引后者。风险评估通则另见GB/T 15706-2012。第一件事“低于限值”到底意味着什么。附录 A 的表注交代得很清楚压强限值出自对 100 名健康成年受试者、29 个具体身体部位所做的疼痛起始阈值onset of pain研究表里取各部位记录值的75 分位力限值依据“可能导致轻微伤的最低能量传递准则”推导对应简明损伤定级AIS1 级——淤青那一档并声明遵守限值可避免伴随出血创口、骨折或其它骨骼损伤的皮肤及软组织穿透。所以“实测低于限值”的准确含义是多数人在这个量级下不会当场感到疼痛且不至于产生轻微伤。它不等于“不会受伤”也不等于“人人都不会疼”——那是 75 分位剩下的分位在表外。这是必须留余量的第一个理由也是第十节那组反向判据的立论基础。第二件资料性不等于规范性。附录 A 是资料性的不能当“强制限值”直接下合规结论合规主张最终要落在风险评估与整体安全设计上。第三件数字必须回原文逐格抄。部位分区表在网上被反复转述丢条件、丢单位、把力和压强混着写的情况我见过不止一次。结构上要记住力和压强是两个独立判据两个都得过不是取其一。具体限值数值本文一个都不写。但有一条不属于逐部位数字、而是结构性事实的可以直接记同一部位的暂态限值至少是准静态限值的两倍附录明确说明这个倍数来自相关研究。第一节那个判定为什么值钱答案在这儿——判错一次你手上宽了一倍的余量。第四件版本关系要说准。ISO 10218-1:2025 与 ISO 10218-2:2025 都已发布协作相关的要求被吸收进了正文——但限值表进的是 ISO 10218-2:2025 的 Annex M且仍标注为资料性informative。别把“新版把协作要求扶正了”读成“新版把限值扶正了”。至于 ISO/TS 15066 本身在 ISO 目录里当天的状态请自己去查我不写“已作废”三个字国内也未见对应新版国标替代那两部 GB 11291。三、超标了往哪调把二体模型摊开写中文资料谈到这里通常一句“标准里有个二体弹簧模型”就带过去。但这个模型在附录 A 里是公开的不属于要保护的限值数字摊开写读者才能自己复算。它假设机器人等效质量 m_R 以相对速度 v_rel 撞上人体部位等效质量 m_H接触面积 A按完全非弹性碰撞处理最坏假设折合质量μ (1/m_H 1/m_R)^(-1)机器人等效质量m_R M/2 m_LM 为运动部件总质量m_L 为含工具与工件的有效负载允许能量传递E F_max² / (2k) A²·p_max² / (2k)反算允许速度v_rel,max F_max / √(μ·k) p_max·A / √(μ·k)k 是人体该部位的等效弹簧常数附录按部位给死它不是集成方能拧的旋钮。附录还给了条容易被忽略的适用边界这些弹簧常数对应约 1 cm² 的接触面积。另有一条现场很受用的注释——大腿、膝、小腿的等效质量按全身体重取因为人站着时这些部位根本退不开。翻成现场能拧的旋钮四条的杠杆标度完全不同速度对峰值力近似线性。降一半速度峰值力大致降一半见效最快代价直接记在节拍上。等效质量由√μ进式子平方根量级。换轻工具、改姿态减小等效惯量不如降速直接但不吃节拍。接触面积对压强是线性改善。改大圆角、点接触改面接触、加软包覆增大受力面积——压强超标时通常是最划算的一刀附录正是把“加衬垫”的收益明确归到面积这一项。接触刚度F ∝ √k平方根量级但更要紧的是这个 k 不归你管。软包覆物理上相当于串了个更软的弹簧把接触时间拉长、峰值削掉一截可这已超出二体模型的适用范围——想拿它当合规论据只能实测不能靠算。力超标优先动速度和等效质量压强超标优先动接触面积与包覆。我见过压强超标却一路降速的项目速度降到工人都嫌慢还是不过因为工具上那道锐边一直没改。反过来拿部位限值代进v_rel,max反算允许速度设计阶段就能估出速度上限、提前判断节拍成不成立——估算替代不了实测但能让你在买设备之前就知道该不该继续。四、“怎么测”该引哪份文件按权威度排三档第一档ISO 10218-2:2025 的附录。新版主标准自带Annex N资料性“Validation of PFL collaborative applications”正文 199–215 页十七页专讲 PFL 协作应用的确认同版Annex M资料性“Limits for quasi-static and transient contact”188–198 页给限值。别让人以为新版主标准不管测量方法。第二档ISO/PAS 5672:2023《Robotics — Collaborative applications — Test methods for measuring forces and pressures in human-robot contacts》规定人机接触中力与压强的测量方法、测得数据的分析方法以及压力-力测量装置PFMDpressure-force measurement device的特性要求。注意文件类型是 PAS公开可用规范不是走完全部共识程序的完整标准引用时把这点写在括号里省得后面扯皮。第三档RIA TR R15.806-2018美国的技术报告讲 PFL 协作应用中准静态与暂态接触事件的力与压强测试方法及度量并对测量条件的确定给了指导。它是技术报告不是标准编号前不加 ANSI/ 前缀。国内进展我核了一次如实写。全国标准信息公共服务平台上有两个在研项目均由全国机器人标准化技术委员会TC591归口、状态“正在起草”20260007-Z-604《机器人协作应用人机接触力测试方法》指导性技术文件登记项目将来对应 GB/Z2026-01-05 登记、周期 12 个月采标情况写明等同采用 ISO/PAS 5672:202320261644-T-604《工业协作机器人 人机交互安全测试方法》推荐性国标计划2026-03-31 下达、周期 18 个月。我没有查到已发布的对应国标两个项目也都没走到发布。请自己再去平台核当天状态——我说的是“未检索到已发布版本”不是“不存在”。落到设备上两个关键点1装置要有生物仿真度biofidelity不能是刚性接触。刚性测力计与机器人硬碰测到的峰值取决于两个刚体的接触刚度跟人体软组织被撞的受力过程不是一回事。可用的 PFMD 在传感器前串了一套弹性-阻尼结构用不同刚度档代表不同部位ISO/PAS 5672 把它的响应表达成“接触力—形变”曲线要求在允许偏差内复现给定部位的生物力学参考响应曲线并指出装置设计参数与生物力学限值是配套的理想情况下应来自同一来源。所以选装置第一句该问“有哪些刚度档、分别对应哪个部位分区、参考响应曲线出自哪份文件”而不是先问量程。也正因为曲线允许一定偏差不同装置、不同刚度档测同一次碰撞本就不该指望读数一致——记录里必须写清哪一台装置、哪个刚度档、依据哪条参考曲线校准换装置后的数与上一次不具备直接可比性。这不是经验之谈是方法本身的定义决定的。2采样与滤波决定你能不能看见峰值。暂态接触的力峰值持续在毫秒量级采样率不够会把尖峰削平给你一个偏低而“很好看”的结果。具体数字别听口口相传回 ISO/PAS 5672:2023 关于 PFMD 的条款加上你所用装置的规格书——该文件第 5.3 条就写死了校准时以 1 mm/s 恒定压入速度测响应曲线力与形变采样频率不低于 100 Hz、分辨率不低于 1 N 与 0.1 mm且校准过程中不得施加信号滤波。注意这 100 Hz 是校准准静态压入用的绝不是撞击采集的采样率——毫秒级峰值要求高得多按该文件传感器特性条款与你的装置规格书定。验收要看原始曲线不是软件汇总的那一个数。五、峰值压强不等于峰值力除以接触面积F/A 算出来的是接触面上的平均压强而判据看的不是平均值。ISO/TS 15066 附录 A 讲力与压强关系时说得很明确刚性的机器人部件与人体接触会在接触面上形成不均匀的压强分布pressure peaks此时接触面上出现的那个峰值压强才是相关量。同一处还提醒两个判据谁先失败取决于场景——手被工具或工件夹住时力可能远低于限值而压强先超接触到有衬垫的大面积表面或软组织较多的部位时则相反。把 F/A 当峰值压强的后果是双重的既低估了判据又自相矛盾——如果压强能用力除面积算出来那还谈什么面分辨率不足会把尖点的高压强平均掉面分辨率之所以要单独讲正是因为峰值压强只能测、算不出来。工具上有棱、有边、有螺钉头的位置压强往往比力先失败。六、测点怎么选往最坏的地方测但有一类地方根本不该出现在清单里五个“最不利”速度取沿接触方向最大的那段轨迹且是安全参数生效后的实际速度而非示教器百分比负载取抓件与空手两种状态都测姿态取伸展最远、等效惯量最大的接触面取工具上面积最小、最尖、最硬的那处结构看接触点附近有没有能形成夹持的固定物。第六个是部位最不利按人实际能伸到哪里定操作位、上下料口、维护开门后的可及范围各算一遍——但这一条有个必须先说清的例外说错会把不合规方案判成合规。ISO/TS 15066 的 A.3.2 有一句话被漏掉太多次虽然表 A.2 给出了面部、颅骨与前额的数据但与这些部位的接触是不允许的并回指正文 5.5.5.3而 5.5.5.3 要求在合理可行的范围内必须防止对敏感身体部位的接触暴露点名的包括颅骨、前额、喉部、眼、耳、面部。GB/T 36008-2018 附录 A 与之同源。这不是“这些部位的限值更严”而是“这些部位不允许发生接触”。差别是根本性的正确做法是靠布局、软硬限位、物理阻挡消除接触可能降速并不能把“不允许”变成“允许”附录之所以还给这几行数值是为了模型完整性能量传递计算需要各部位参数不是可以拿来判过/不过的判据。由此得到一条自检规则——测点清单里一旦出现头面部限值说明方案设计错了不是测法错了该改的是工位布局。颈部虽有数值也在 5.5.5.3 点名之列喉部我一律按最保守处理并优先靠设计消除接触。还有一条拿“人不会站在那儿”排除测点是最常见的自我放行——判据是“人能不能到那儿”。七、实测那天的流程先冻结状态程序版本、安全参数、工具、工件、节拍全部锁定并记版本号测完谁都不许“顺手优化一下”再列测点清单并编号每点写清轨迹段、姿态、速度、目标部位、接触类型判定及理由清单先评审再进现场——临时想测哪儿一定会漏掉最坏的那个点然后低速试跑确认触发与量程逐点采集并全程录原始曲线当场判读、当场记余量、贴门槛的立刻标红最后出报告归档并把再验证触发条件写进设备台账。中间那一步“布置装置”最容易翻车按被判部位选刚度档之外固定方式必须模拟真实退让条件。ISO/PAS 5672 的区分是受约束接触用固定安装的 PFMD装在刚性支撑结构上不允许位移与振动不受约束接触用可动测量单元的 PFMD不固定可沿碰撞受力方向自由移动。固定方式选错这一测点的数据直接无效。另外两句测量本身也有安全问题——人不进入运动范围装置靠工装固定或长杆推送急停触手可及以及示教器上把力限值参数调小不等于力就小了参数是控制目标不是测量结果控制精度、传动柔性、检测延迟都会让实际峰值高于设定值。八、完整的测试记录该有哪些字段反过来读报告先看哪几处机器人型号与软件版本安全参数配置及其校验值或版本号工具与工件描述含质量、接触面几何、有无棱边TCP 实测速度姿态与轨迹段标识接触类型判定结果及理由含退让方向与最近固定物距离目标部位与所选限值的出处标准号 附录 部位名PFMD 类别、刚度档、参考响应曲线来源、校准记录、量程、采样设置每个测点的重复次数与取值规则及其所依据的方法文件条款号原始曲线文件编号测试与见证人员结论及余量。关于取值规则我得把话说准。ISO/TS 15066 正文并没有规定重复几次、多次结果怎么取值——这属于方法文件那一层在 ISO/PAS 5672:2023 与 RIA TR R15.806-2018 里后者明确包含对测量条件确定的指导。所以正式报告里的取值规则必须写“依据哪份方法文件的哪一条”而不是写成通则而“同一测点重复多次取最不利值、不取平均”是我的个人执行口径——平均会把偶发高峰值抹掉而安全判据关心的恰恰是那个峰值但它不是标准原文以你引用的方法文件为准冲突时听文件的。上面这份清单给出报告的人用收报告的人反过来看四处缺哪处我都会先打回去问有没有原始曲线与文件编号只有结论表格等于没测接触类型判定理由里写没写退让方向与最近固定物距离缺了就没法核它判得对不对而这处判错限值宽一倍有没有余量列、门槛是不是事先写死的事后定等于给放行留口子测点数量与速度写法多工位多轨迹的线只测两三点多半是挑好测的地方测的“60% 速度”不是可核实的量。报告是出事之后要拿出来的东西判它的标准是“换个人能不能照着复现一遍”。九、判据表怎么算过怎么算不过情形判定接下来做什么力与压强都在余量门槛之内过归档写进变更管理清单有一项落在门槛与限值之间不放行降速、改接触面或加倒角后重测力过、压强超不过优先改工具几何与接触面积按暂态判才过、准静态判不过重判接触类型能形成夹持的一律按准静态清单里出现头面部限值方案不成立改布局或加物理阻挡消除接触换了工具/节拍/安全参数没重测原结论失效触发再验证条款“余量门槛”必须是一个数不能是“明显低于”这种形容词。我自己带项目用的是实测峰值不超过所选部位限值的 70% 才判过落在 70%–100% 之间的一律按贴限值处理不放行。这个 70%是我的内部执行口径不是任何标准的要求——写出来是因为“明显低于”四个字在现场没有操作性。你完全可以定别的数但定法应该是从你自己的测量不确定度预算倒推装置精度、校准偏差、采样与分辨率损失、速度与负载的批次漂移逐项加起来再留出磨损与参数漂移的空间唯一不可以的是不定——定不出这个数说明不确定度根本没算过报告里“合格”两个字就没有支撑。门槛还必须在测试方案里事先写死、评审时确认不是数据出来了再商量该不该放行。回头看第二节那个 75 分位限值本身已经把四分之一的人放在表外零余量的“合格”等于把测量误差、机械磨损、润滑变化、工件重量漂移全部提前算成了合格。十、反向判据这几种情况我不会让方案继续靠 PFL高速大惯量搬运靠降速换合规最后节拍不达标经济上先死一次。夹持类工具气爪、卡盘、成型模按准静态判且工具自身可能造成机械危害PFL 限值不解决“手被夹在工具里”。尖锐、带刃、带毛刺的工件压强判据几乎必然先失败标准正文也直接要求接触区域内不得存在针、剪、刀这类带尖锐、尖头、剪切或切割边缘的物体。接触点附近有无法移除的固定结构或除机械危害外还有高温、飞溅、激光、化学、带电PFL 一概不管或人员需长时间紧贴作业又要求高节拍。命中两条以上我的建议是退回隔离防护或速度与间距监控别在 PFL 上耗。拿“能不能通过测试”当选安全策略的唯一门槛本身就是把顺序搞反了。十一、向供应商要哪几份文件可以直接抄进技术协议每条跟一句“齐了长什么样”——对方交份文件过来你得能当场判断它算不算数。本体侧安全功能清单及其性能等级或类别以及判定依据。齐了长这样每个功能一行写明性能等级或 SIL、达成方式、判定所依据的标准版本。安全控制系统的设计通则现行版是GB/T 16855.1-2025《机械安全 安全控制系统 第1部分设计通则》2025-08-29 发布并实施全部代替 GB/T 16855.1-2018等同采用 ISO 13849-1:2023——注意标准名称也变了不再叫“控制系统安全相关部件”。协议里的编号请按签约当天的现行版填别照抄任何文章包括这篇里的年号把废止编号连同废止名称一起送进合同文本是最省事也最贵的省事。本体侧安全参数力/速度/功率限制、安全区域的可配置范围与口令或锁定机制说明。齐了长这样每个参数给出可设区间与出厂值谁有权限改、是否留痕。集成方整线风险评估报告含接触场景清单与选定的身体部位。齐了长这样场景逐条编号并注明接触类型判定理由且清单里不出现头面部。集成方接触力与压强测试记录字段按第八节对齐。齐了长这样能凭文件编号调出每个测点的原始曲线。双方再验证触发条件——换工具、换工件、改节拍、改安全参数、大修之后。齐了长这样写成条款而非承诺指明由谁发起、多久内完成。这条被漏得最多我见过验收时测得漂漂亮亮三个月后工艺组提了节拍、工具加了块导向板没人重测报告在纸面上依然“有效”。双方测量装置的类别与校准记录。齐了长这样校准在有效期内能对上参考响应曲线的出处。十二、这几件事请回到原文和你自己的现场部位分区的具体力与压强阈值回 GB/T 36008-2018 附录 A 逐格核对别用任何二手转述的数字包括本文。采样与传感器特性、重复次数、装置刚度档的具体要求以你实际引用的方法文件与所用 PFMD 的规格书为准。标准状态会变进度请以官方标准信息平台与 ISO 目录当天的状态为准别用本文的日期。本文不构成任何合规结论。能给出合规结论的只有针对你这套应用做的风险评估和实测记录。