随着工业 4.0 的推进，人机协作（Human-Robot Collaboration, HRC）已成为智能制造的核心场景。不同于传统工业机器人被限制在安全围栏内，协作机器人（Cobots） designed to work alongside humans without protective barriers. 然而，这种近距离交互带来了全新的安全风险。ISO/TS 15066 作为 ISO 10218 系列标准的补充技术规范，为协作机器人的安全应用提供了具体的量化指标，特别是针对生物力学限值的定义，是确保人机共存安全的关键依据。对于机器人制造商及应用集成商而言，深入理解并严格执行 ISO/TS 15066 检测标准，是产品合规上市的必经之路。
一、ISO/TS 15066 标准核心架构与定位
ISO/TS 15066:2016《机器人和机器人设备 协作机器人》并非独立存在的标准，而是对 ISO 10218-1（机器人安全设计要求）和 ISO 10218-2（机器人系统集成安全要求）的重要补充。该技术规范的核心在于解决了 ISO 10218 中未详细规定的“人机共享工作空间”时的具体安全参数。
在标准架构中，ISO/TS 15066 重点阐述了当机器人系统与人员在共享工作空间内执行协作任务时，如何通过技术手段消除或降低风险。它不再仅仅依赖传统的物理隔离，而是转向基于风险评估的动态防护。对于检测机构而言，验证的重点从单一的机械结构安全，扩展到了传感器响应时间、力控精度以及生物力学伤害阈值的综合评估。
1. 标准适用范围与风险降低策略
该标准适用于所有类型的协作机器人系统，包括机械臂、移动操作机器人等。其核心逻辑建立在风险评估的基础上，要求制造商必须识别所有潜在的危险源，并通过设计或防护措施将风险降低到可接受水平。ISO/TS 15066 提供了四种具体的协作操作模式，每种模式对应不同的风险控制策略和检测要求。
二、四种协作操作模式的检测要求
ISO/TS 15066 明确定义了四种允许人机协作的操作模式。在实际检测过程中，针对每种模式的验证逻辑和测试方法存在显著差异。企业需根据实际应用场景选择适用的模式，并进行针对性的合规性测试。
- 安全等级监控停止 (Safety-rated monitored stop)： 当人员进入协作空间时，机器人必须停止运动；人员离开后，机器人方可恢复运行。检测重点在于安全监控系统的响应时间及停止状态的稳定性。
- 手动引导 (Hand guiding)： 操作人员直接通过物理接触引导机器人运动。检测需验证力传感器灵敏度、使能装置（Enable Device）的功能有效性以及意外启动的防护机制。
- 速度与分离监控 (Speed and separation monitoring, SSM)： 机器人根据与人员的距离动态调整速度，确保在人员接触前完全停止。此模式检测最为复杂，涉及保护性停止距离（Protective Separation Distance）的计算与实测验证。
- 功率和力限制 (Power and force limiting, PFL)： 这是协作机器人最典型的特征。当发生意外接触时，机器人施加在人身上的力和功率必须限制在无痛阈值以下。这是 ISO/TS 15066 检测中最具技术含量的部分。
三、生物力学限值：PFL 模式下的深度检测
功率和力限制（PFL）是 ISO/TS 15066 最具创新性的部分，它基于人体解剖学和生物力学研究，量化了人体不同部位能够承受的最大压力和力。检测机构需依据标准附录 A 提供的数据，对机器人进行准静态和动态接触测试。
1. 准静态与动态接触的区别
在检测中，必须区分两种接触情形。准静态接触（Quasi-static contact）指人员被机器人挤压在机器人与固定物体（如工作台、墙壁）之间，此时人体无法通过移动来缓解压力，风险最高。动态接触（Transient contact）则指机器人撞击到人员，人员有空间移动以减轻冲击。针对这两种情形，标准设定了不同的力和压力限值。
2. 人体区域生物力学限值表
ISO/TS 15066 将人体划分为 29 个具体区域，并为每个区域设定了最大力（Force）和最大压力（Pressure）阈值。以下是部分关键区域的限值参考，实际检测中需覆盖所有可能接触的区域：
| 身体区域编号 | 身体部位 | 准静态最大力 (N) | 准静态最大压力 (N/cm²) | 动态最大力 (N) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 后脑勺 (Back of head) | 110 | 18 | 230 |
| 4 | 前额 (Forehead) | 110 | 20 | 230 |
| 12 | 胸部 (Chest) | 140 | 22 | 290 |
| 18 | 手部/手指 (Hand/Fingers) | 110 | 55 | 230 |
| 25 | 膝盖 (Knee) | 190 | 25 | 400 |
检测过程中，需使用经过校准的测力传感器和压力薄膜，模拟机器人与人体模型的接触。若实测值超过上述限值，则判定为不符合 ISO/TS 15066 要求，必须通过优化机器人控制算法、增加柔性覆盖件或降低运行速度来进行整改。
四、风险评估与验证流程
合规的 ISO/TS 15066 检测不仅仅是最终产品的测试，更贯穿于整个研发周期。专业的第三方检测机构通常遵循以下验证流程，以确保测试结果的权威性和准确性。
- 危险源识别： 分析机器人在所有预期使用工况及可预见的误用情况下可能产生的机械、电气、热等危险。
- 风险评估： 评估伤害发生的概率及严重程度，确定所需的风险降低措施等级。
- 技术文档审查： 检查设计图纸、控制原理图、安全功能描述是否符合 ISO 13849 或 IEC 62061 等基础安全标准。
- 功能安全测试： 验证安全监控功能（如急停、安全门、光幕）的有效性，确保达到宣称的性能等级（PL）或安全完整性等级（SIL）。
- 生物力学实测： 在共享工作空间内，利用专业设备对 PFL 参数进行实地测量，确保力和压力在限值范围内。
五、常见检测难点与解决方案
在实际的 ISO/TS 15066 检测项目中，企业常遇到一些技术瓶颈。例如，末端执行器（夹具）的尖锐边缘导致局部压力过大，或者在高速运行下 SSM 模式的保护距离计算偏差。针对这些问题，检测建议通常包括优化末端工具设计，采用圆角处理或软性材料包裹；同时，重新校准视觉系统或激光扫描仪的参数，确保安全场域的动态调整与实际机器人制动性能相匹配。
此外，对于移动协作机器人，还需考虑底盘运动带来的额外动能风险。这要求检测范围不仅局限于机械臂，还需涵盖移动平台的避障能力与紧急制动性能，确保整体系统在人机交互环境下的安全性。
总结
ISO/TS 15066 为协作机器人的安全应用提供了科学、量化的技术标尺。从四种协作模式的界定到生物力学限值的严格测试，每一个环节都直接关系到操作人员的生命安全与企业的合规责任。通过系统的风险评估与严格的第三方检测，企业不仅能规避法律风险，更能提升产品的市场信任度，推动人机协作技术在更广泛领域的落地应用。
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广州海沣检测作为一家专业的第三方检测机构，深耕机器人检测领域，具备完善的 CNAS 及 CMA 资质。公司配备了高精度的机器人性能测试系统、先进的电磁兼容（EMC）暗室以及全套生物力学限值测试设备，能够为客户提供从机器人材料检测、环境可靠性测试到电气安全及 ISO/TS 15066 协作安全认证的一站式解决方案。我们的技术团队熟悉国内外机器人标准体系，能够针对各场景机器人提供定制化的检测与整改建议，助力企业产品快速合规上市。
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