協(xié)作機(jī)器人性能標(biāo)準(zhǔn)研究與發(fā)展趨勢

崔朝宇 伍國梁

【摘要】協(xié)作機(jī)器人性能標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀已經(jīng)被業(yè)界關(guān)注。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）已經(jīng)為協(xié)作機(jī)器人建立了一系列解決安全性、精準(zhǔn)性、靈活性等問題的標(biāo)準(zhǔn)，如ISO 10218—1、ISO 10218—2和ISO/TS 15066。這些標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)了對機(jī)器人本身及其控制系統(tǒng)的要求。雖然現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)為協(xié)作機(jī)器人的安全運(yùn)行提供了基本框架和指導(dǎo)，但隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，標(biāo)準(zhǔn)制定者可在智能化與學(xué)習(xí)化能力、感知和決策能力、安全性與多領(lǐng)域適應(yīng)性方面，進(jìn)一步完善和擴(kuò)展這些標(biāo)準(zhǔn)，以滿足不同行業(yè)和場景的需求，確保協(xié)作機(jī)器人能夠在各個領(lǐng)域發(fā)揮最佳性能。

【關(guān)鍵詞】協(xié)作機(jī)器人；性能標(biāo)準(zhǔn)；安全性；適應(yīng)性

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

【基金項目】廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)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(xié)作機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)。與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人相比，協(xié)作機(jī)器人具有更高的安全性和靈活性。它們通常設(shè)計成可以與人類在同一工作區(qū)域內(nèi)共同作業(yè)，無須額外的隔離設(shè)備。這是通過先進(jìn)的傳感技術(shù)和安全特性實現(xiàn)的，使得它們能夠感知周圍環(huán)境和人類的位置，隨時做出相應(yīng)調(diào)整以保證工作安全。協(xié)作機(jī)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(guī)劃任務(wù)，這使得它們在生產(chǎn)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(xié)作機(jī)器人在現(xiàn)代制造業(yè)、醫(yī)療保健、物流和服務(wù)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)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(xié)作，共同完成各種任務(wù)，從而提升了生產(chǎn)效率、降低了勞動強(qiáng)度，并為工業(yè)自動化帶來了全新的發(fā)展前景。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，對協(xié)作機(jī)器人性能標(biāo)準(zhǔn)的研究成了推動其發(fā)展的重要因素之一。這些標(biāo)準(zhǔn)不僅可以為制造商提供明確的設(shè)計和制造方向，也能為用戶提供可靠的參考依據(jù)，從而確保協(xié)作機(jī)器人在不同工作環(huán)境中表現(xiàn)出色，并在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮最大價值。同時，標(biāo)準(zhǔn)的制定也推動了協(xié)作機(jī)器人技術(shù)的不斷創(chuàng)新與升級，為工業(yè)自動化提供了堅實的基礎(chǔ)，推動了整個產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

目前，協(xié)作機(jī)器人性能標(biāo)準(zhǔn)的制定和實施已成為工業(yè)界關(guān)注的重要議題。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）針對協(xié)作機(jī)器人的安全性、靈活性、精度等方面制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)，如ISO 10218—1和ISO 10218—2，分別強(qiáng)調(diào)了機(jī)器人本體及其控制系統(tǒng)的要求。此外，ISO/TS 15066也提供了關(guān)于協(xié)作機(jī)器人與人類互動的指南，從感知技術(shù)到安全保障提出了全面的建議。歐洲標(biāo)準(zhǔn)組織（EN）也在協(xié)作機(jī)器人的安全性方面制定了相應(yīng)的EN ISO 10218標(biāo)準(zhǔn)。美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ANSI）同樣發(fā)布了一套協(xié)作機(jī)器人安全標(biāo)準(zhǔn)，即ANSI/RIA R15.06，涵蓋了機(jī)器人的設(shè)計、建造、集成、安裝和操作方面的要求。這些現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)為協(xié)作機(jī)器人的安全運(yùn)作提供了基本的框架和指導(dǎo)，隨著協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，未來標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)可能會進(jìn)一步完善和拓展這些標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)不同行業(yè)和場景的需求，保障協(xié)作機(jī)器人能夠在各個領(lǐng)域發(fā)揮最佳性能。

協(xié)作機(jī)器人性能標(biāo)準(zhǔn)的制定涵蓋了多個關(guān)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(xié)作機(jī)器人性能標(biāo)準(zhǔn)中至關(guān)重要的要素，它要求機(jī)器人在與人類共同工作時，具備高度的安全保障機(jī)制，通過先進(jìn)的傳感技術(shù)和智能控制系統(tǒng)來避免潛在的碰撞或傷害。其次，精度和重復(fù)性是評估協(xié)作機(jī)器人性能的重要指標(biāo)，要求機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時能夠保持高度的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性，以確保產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。此外，靈活性要求協(xié)作機(jī)器人能夠適應(yīng)不同的工作場景和任務(wù)需求，具備多功能、多場景的適應(yīng)能力，從而提升其在生產(chǎn)過程中的靈活應(yīng)用性。最后，交互性能強(qiáng)調(diào)機(jī)器人與人類之間的良好溝通和協(xié)作能力，包括機(jī)器人的感知能力、識別能力以及與人類的協(xié)調(diào)配合，以實現(xiàn)更為高效的工作合作。綜合而言，協(xié)作機(jī)器人性能標(biāo)準(zhǔn)的各個關(guān)鍵要素相互交織，共同確保了機(jī)器人能夠在與人類共同工作的場景中發(fā)揮最佳性能，為現(xiàn)代工業(yè)帶來前所未有的生產(chǎn)效率和安全保障。

2.1安全性

協(xié)作機(jī)器人的安全性是其性能標(biāo)準(zhǔn)中至關(guān)重要的要素之一，它直接關(guān)系到機(jī)器人與人類共同工作時的安全保障。協(xié)作機(jī)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(guān)鍵因素。由于協(xié)作機(jī)器人與人類在同一工作區(qū)域內(nèi)工作，因此必須具備高度的安全保障機(jī)制，以避免在操作過程中發(fā)生碰撞、夾傷等潛在的危險情況。ISO/TS 15066是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定的一項關(guān)于協(xié)作機(jī)器人安全性的技術(shù)規(guī)范。它提供了與人類共同工作的協(xié)作機(jī)器人所需的安全措施的指導(dǎo)。具體來說，ISO/TS 15066包括了以下重要內(nèi)容。

1）危險源評估：標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)了對可能的危險源進(jìn)行評估和識別，以便采取相應(yīng)的安全措施來減輕或消除潛在風(fēng)險。

2）接觸力限制：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了協(xié)作機(jī)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(jiān)控：標(biāo)準(zhǔn)要求協(xié)作機(jī)器人必須具備監(jiān)控功能，能夠?qū)崟r檢測其運(yùn)動速度和施加的力，并在超過安全閾值時采取相應(yīng)措施。

4）緊急停止和切斷：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了協(xié)作機(jī)器人必須配備緊急停止裝置，以便在出現(xiàn)緊急情況時立即停止動作。

2.2精度和重復(fù)性要求

協(xié)作機(jī)器人的精度和重復(fù)性要求是確保其在工業(yè)生產(chǎn)中高效穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。精度是指機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時達(dá)到的準(zhǔn)確度，而重復(fù)性則表示機(jī)器人在多次執(zhí)行同一任務(wù)時保持一致性的能力。這兩個要素直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。高精度保證了產(chǎn)品的尺寸和質(zhì)量符合規(guī)范，而重復(fù)性保障了產(chǎn)品生產(chǎn)的一致性，降低了生產(chǎn)中的變異性。在工業(yè)生產(chǎn)中，特別是在精密制造和裝配過程中，精度和重復(fù)性的要求至關(guān)重要，可以避免產(chǎn)品缺陷和廢品的產(chǎn)生，提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。盡管目前針對協(xié)作機(jī)器人的專門精度標(biāo)準(zhǔn)尚未普遍制定，但可以參考工業(yè)機(jī)器人精度標(biāo)準(zhǔn)，如ISO 9283和ANSI/RIA R15.05，將其作為評估協(xié)作機(jī)器人性能的參考依據(jù)。這些標(biāo)準(zhǔn)為協(xié)作機(jī)器人提供了一些基本的性能指導(dǎo)，同時也促使行業(yè)在協(xié)作機(jī)器人精度和重復(fù)性方面不斷探索和創(chuàng)新，以滿足不斷變化的生產(chǎn)需求。

2.3靈活性和適應(yīng)性

協(xié)作機(jī)器人需要具備多功能、多場景的適應(yīng)能力，所以在不同工作場景下的靈活性要求對于協(xié)作機(jī)器人至關(guān)重要。這意味著協(xié)作機(jī)器人應(yīng)該能夠迅速適應(yīng)不同的工作環(huán)境和任務(wù)需求，無論是在制造業(yè)的生產(chǎn)線上、醫(yī)療保健領(lǐng)域的手術(shù)室內(nèi)，還是在物流行業(yè)的倉儲中。它們可能需要執(zhí)行各種各樣的任務(wù)，從簡單的物品搬運(yùn)到復(fù)雜的裝配工序。因此，協(xié)作機(jī)器人需要具備智能感知和決策能力，能夠根據(jù)實時的環(huán)境情況和任務(wù)要求作出相應(yīng)的調(diào)整。此外，靈活性也包括了對工作空間的適應(yīng)能力，可能需要在狹窄的空間內(nèi)工作，或者需要在復(fù)雜的環(huán)境中避開障礙物。總的來說，協(xié)作機(jī)器人的靈活性使得它們能夠在各種不同的工作場景下發(fā)揮作用，為現(xiàn)代工業(yè)和服務(wù)行業(yè)提供高效、多樣化的解決方案。

2.4交互性能

協(xié)作機(jī)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(jī)器人具備高度的感知能力，能夠準(zhǔn)確感知周圍環(huán)境和物體的位置以及對人類的存在和動作進(jìn)行感知。此外，機(jī)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(yīng)的動作和決策。最重要的是，協(xié)作機(jī)器人需要與人類保持良好的溝通和協(xié)作能力，這涵蓋了通過聲音、視覺，甚至手勢等方式與人類進(jìn)行交流，能夠理解人類的指令和意圖，并作出相應(yīng)的響應(yīng)。這種高效的交互性能使得協(xié)作機(jī)器人在與人類共同工作的環(huán)境中實現(xiàn)高度的合作和協(xié)調(diào)，從而提高了工作效率和生產(chǎn)質(zhì)量。因此，協(xié)作機(jī)器人的交互性能要求是確保其成功融入工作環(huán)境，與人類共同完成任務(wù)的重要保障。

協(xié)作機(jī)器人與人類共同工作正逐漸成為工業(yè)領(lǐng)域的重要趨勢。未來，人機(jī)共存將更加深度融合，這將對未來標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，協(xié)作機(jī)器人將具備更高的智能和感知能力，能夠更加靈活地適應(yīng)不同工作場景。此外，機(jī)器人的學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力將不斷提升，使其能夠?qū)崟r調(diào)整工作策略以適應(yīng)變化的環(huán)境和任務(wù)需求。在未來的標(biāo)準(zhǔn)制定中，必然會考慮到協(xié)作機(jī)器人與人類互動的復(fù)雜性和多樣性，從而提出更具體、靈活的標(biāo)準(zhǔn)要求，以保證機(jī)器人的安全、高效與可靠地運(yùn)行。這也將推動協(xié)作機(jī)器人行業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新和發(fā)展，為工業(yè)自動化帶來新的突破和可能性。在協(xié)作機(jī)器人的發(fā)展過程中，下列幾個方面的科技進(jìn)步將存在發(fā)展的可能性。

3.1智能化和學(xué)習(xí)能力的發(fā)展

協(xié)作機(jī)器人的智能化和學(xué)習(xí)能力的不斷發(fā)展是當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域的一大亮點。隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的迅猛發(fā)展，協(xié)作機(jī)器人能夠通過不斷積累經(jīng)驗自主學(xué)習(xí)，逐漸提升其在各種工作場景下的適應(yīng)能力。這使得協(xié)作機(jī)器人能夠更靈活地應(yīng)對復(fù)雜多變的工作環(huán)境和任務(wù)需求[1]。在未來標(biāo)準(zhǔn)的制定中，必將考慮提高協(xié)作機(jī)器人智能化水平和學(xué)習(xí)能力，提出更為靈活、具體的要求。標(biāo)準(zhǔn)將需要涵蓋機(jī)器人的自主決策能力、實時學(xué)習(xí)能力以及對變化環(huán)境的適應(yīng)性，以確保協(xié)作機(jī)器人在與人類共同工作時能夠以最高效、安全的方式運(yùn)行。這也將推動協(xié)作機(jī)器人行業(yè)邁向更加智能化、自適應(yīng)的發(fā)展階段，為工業(yè)自動化注入新的活力。

3.2感知和決策能力的提升

未來，協(xié)作機(jī)器人在感知和決策方面將迎來顯著的發(fā)展。隨著先進(jìn)的傳感技術(shù)和人工智能的快速進(jìn)步，協(xié)作機(jī)器人將具備更高級別的感知能力，能夠準(zhǔn)確地識別周圍環(huán)境、物體的位置及特征[3]。同時，機(jī)器人的決策能力也將得到極大提升，通過深度學(xué)習(xí)和模式識別等技術(shù)，使機(jī)器人能夠在復(fù)雜情境下做出智能化的選擇。這將使協(xié)作機(jī)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(biāo)準(zhǔn)而言，未來將面臨更高的要求。標(biāo)準(zhǔn)將需要包括機(jī)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(huán)境中都能夠可靠地運(yùn)行。此外，標(biāo)準(zhǔn)還可能會涉及機(jī)器人的自主決策機(jī)制、應(yīng)對突發(fā)情況的能力等方面，以適應(yīng)未來工業(yè)智能化和自動化的發(fā)展趨勢。總的來說，協(xié)作機(jī)器人在感知和決策方面的進(jìn)步將為工業(yè)生產(chǎn)帶來前所未有的靈活性和效率，同時也將推動性能標(biāo)準(zhǔn)不斷升級，以滿足日益復(fù)雜的生產(chǎn)需求。

3.3安全性能的持續(xù)提升

隨著協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，對于其安全性能的提升顯得尤為迫切和必要。協(xié)作機(jī)器人在與人類共同工作的情況下，直接參與到生產(chǎn)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(fēng)險[4]，保障工作場所的人員安全。此外，隨著協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，它們可能會面對更加復(fù)雜多樣的工作環(huán)境，如醫(yī)療、零售等領(lǐng)域，而這些領(lǐng)域?qū)Π踩缘囊罂赡軙鼮閲?yán)格。因此，持續(xù)提升協(xié)作機(jī)器人的安全性能，包括安全傳感器、緊急停止系統(tǒng)等方面的技術(shù)創(chuàng)新，是保障生產(chǎn)環(huán)境和人員安全的關(guān)鍵措施。只有通過不斷提升安全性能，協(xié)作機(jī)器人才能在各行各業(yè)得到更廣泛的應(yīng)用，為現(xiàn)代工業(yè)帶來更高效、安全的生產(chǎn)方式。

3.4多領(lǐng)域應(yīng)用的適應(yīng)性

協(xié)作機(jī)器人的智能化水平在不同領(lǐng)域中得到了充分的體現(xiàn)。配備先進(jìn)的感知和控制系統(tǒng)，它們能夠通過各類傳感器實時獲取環(huán)境信息，從而做出智能化的決策。這使得協(xié)作機(jī)器人能夠適應(yīng)各類工作場景，如在醫(yī)療領(lǐng)域參與手術(shù)，在無人車間中完成精密的裝配工作。相較于傳統(tǒng)機(jī)器人，它們能夠更為自如地適應(yīng)各種工作環(huán)境。在生產(chǎn)制造中，協(xié)作機(jī)器人可以根據(jù)不同任務(wù)的需求，自動調(diào)整工作路徑和姿態(tài)，與工人共同完成組裝、裝配等工序。這使得其在制造業(yè)的各個環(huán)節(jié)中都能夠發(fā)揮重要作用。

協(xié)作機(jī)器人性能標(biāo)準(zhǔn)的研究在當(dāng)前正迎來蓬勃發(fā)展階段，其涵蓋了安全性、精度、靈活性、交互性等多個關(guān)鍵要素，為確保機(jī)器人與人類協(xié)同工作的安全可靠提供了重要保障。目前，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、歐洲標(biāo)準(zhǔn)組織（EN）和美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ANSI）等機(jī)構(gòu)相繼發(fā)布了一系列針對協(xié)作機(jī)器人的安全性標(biāo)準(zhǔn)和性能測試指南。未來，隨著協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，感知和決策能力的提升以及智能化水平的不斷提高，標(biāo)準(zhǔn)將面臨新的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。因此，制定完善的性能標(biāo)準(zhǔn)不僅是保障協(xié)作機(jī)器人安全運(yùn)行的必要手段，也是推動工業(yè)自動化和智能化發(fā)展的關(guān)鍵支撐。這也將為行業(yè)提供可靠的技術(shù)指導(dǎo)，促進(jìn)整個產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。

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【作者簡介】

崔朝宇，男，1983年出生，工程師，碩士，研究方向為工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用。

（編輯：侯睿琪）