机器人与协作安全：ISO 10218、ISO/TS 15066（功率/力限值实操）标准与合规

浏览量：35 次发布时间：2025-10-08 19:35 作者：明扬工控商城下载docx

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机器人与协作安全：ISO 10218、ISO/TS 15066（功率/力限值实操）标准与合规

从风险评估 → 安全方案 → PFL 测试 → 合规留档，一文打通协作工作站落地流程

模式SRMS / HG / SSM / PFL

核心功率·力限制（15066）

框架ISO 10218-1/-2

功能安全ISO 13849 / IEC 62061

1. 三句话说清协作安全

选策略：协作工作站常用四模式：SRMS（安全监控停止）、HG（手导引）、SSM（速度与间距监控）、PFL（功率/力限制）。
做风控：依 ISO 12100 识别危害与风险降低；ISO 10218 提供机械/控制/电气/信息的要求框架。
要验证：采用 PFL 必须按 ISO/TS 15066 用标准测力装置实测接触力/压力，并与人体阈值对比；SSM 要做停止距离与覆盖验证。

2. 标准框架与适用边界

ISO 10218-1/-2：机器人本体与系统集成的通用安全要求（设计、急停、安全功能、说明书、标识、验收）。
ISO/TS 15066：协作应用技术规范，给出 PFL 人体部位的力/压力阈值、测量装置与程序、协作空间设计。
ISO 13849 / IEC 62061：功能安全方法，确定并实现 PL/SIL。

提醒：“协作”并非天然安全。只有系统设计 + 功能安全 + 现场验证到位，才能合法宣称协作应用。

术语速查

缩写	含义
SRMS	Safety-rated Monitored Stop（安全监控停止）
HG	Hand Guiding（手导引）
SSM	Speed and Separation Monitoring（速度与间距监控）
PFL	Power & Force Limiting（功率/力限制）
STO/SLS/SLP	安全扭矩关闭/安全限速/安全位置

3. 从风险评估到安全方案（项目流程）

界定边界：工件/刀具、节拍、最大速度/负载、人与机相对位置。
识别危害：冲击/夹挤/切割/抛射、失效、失电落下、误触发。
选协作策略：优先降低能量（减速、限扭、包覆）；再选择 SSM/PFL/SRMS/HG 或组合。
功能安全设计：急停、STO/SLS/SLP/SS1/SS2 等，按 ISO 13849 计算 PLr 并实现冗余与自监控。
验证与确认：PFL 逐点测力/压力；SSM 停距/覆盖；安全功能验证与 MTTFd/DC 复核。
文件化：风险评估、SRS（安全需求规格）、测试原始数据、合格声明、培训记录。

4. PFL（功率/力限制）实操

4.1 概念与部位阈值

动态接触（瞬态冲击）与准静态接触（挤压）阈值不同，15066 给出人体不同部位的允许力/压力表。
末端执行器影响大：尖锐/硬质工具一般不适合 PFL，宜改用 SRMS/SSM 或软包覆/顺应夹具。

4.2 设计阶段计算：把风险“算小”

// 动态接触能量约束（上界）
0.5 · m_eq · v^2 ≤ F_allow · s
// m_eq: 等效质量（机器人/工具/姿态综合）；v：近身段速度；F_allow：人体部位允许力（15066）；s：顺应量（包覆/夹具弹性）
// 解出限速：v ≤ sqrt( 2 · F_allow · s / m_eq )

准静态：关注持续力与压力，避免不可释放夹点；设计可逆/退让机构与软件限力。
控制实现：近身段触发 SLS+SLP；末端限力/碰撞检测（含滤波与时间门限）。

4.3 15066 测试装置与程序

测力装置：力传感器 + 弹性元件 + 不同硬度垫片，分别模拟动态/准静态接触。
程序：选定部位与接触类型 → 在最不利姿态/最高速度点测量 → 峰值力/压力与停机时间 → 与阈值比对 → 不合格则回到设计。

常见不合格原因

只做名义限速，忽略姿态变化导致 m_eq 增大。
未覆盖加速段，动态峰值被低估。
末端/工件硬边贴近通道，局部压力超限。
仅做静态力校核，缺少动态接触测试。
更换工装后未重新验证。

提示：将“限速—包覆—限力—顺应”作为组合包协同调优：v↓、s↑、力峰↓。

5. SSM（速度与间距监控）要点

S = (T_r + T_s) · v + C
// S: 停止距离；T_r: 感知→控制反应时间；T_s: 制动时间；v: 相对速度；C: 余量（定位不确定、体型、误差）
// 做法：基于距离与速度的曲线表实施动态限速/SS1/SS2；验证覆盖与盲区。

使用安全激光/3D传感器构建探测体积；对遮挡/盲区进行现场验证。
与 PFL 组合：远距 SSM 限速，近身 PFL 控制能量，提升节拍与安全裕度。

6. 末端执行器与工装的“红线”

锋利/刺入/高温/化学/电危害工具不应采用 PFL；优先 SRMS/SSM + 物理隔离或专用工装。
采用软包覆（常见 5–20 mm，视场景）、倒圆角、限力夹爪、磁性/弹性脱扣，消除不可释放夹点。

7. 合规留档清单（交付/审核用）

风险评估报告（ISO 12100 方法、危害矩阵、风险降低闭环）。
安全需求规格 SRS（安全功能、PL/SIL 目标、触发条件、响应时间）。
PFL 实测记录（测点、原始曲线、结论、测力装置校准证书）。
SSM 验证（停距计算与实测、探测覆盖/盲区图、场景复现视频）。
功能安全计算（ISO 13849/IEC 62061 的 MTTFd / DC / PL / SIL 计算与电路图）。
用户信息与再验证（协作空间标识、PPE、维护与再验证周期、变更管理）。

8. 示例算例：动态接触限速

以下数值仅示例方法，实际阈值以 ISO/TS 15066 部位表与现场测试为准。

已知：m_eq = 8 kg；s = 12 mm = 0.012 m；F_allow（某部位）= 140 N
求：允许速度 v_max
v_max ≤ sqrt( 2 · 140 · 0.012 / 8 ) ≈ 0.65 m/s
工程建议：该段路径限速 0.6 m/s；配合限力夹爪、碰撞检测响应 ≤ 20 ms，并进行 15066 现场实测确认。