协作机器人是什么？工作原理、应用与安全条件

协作机器人通常简称cobot，是面向人与机器人共同作业、具备相应协作应用能力的机器人。在制造业中，它通常属于工业机器人：人员可以负责备料、装配或复核，机器人承担重复取放、定位等动作，双方按约定条件使用工作空间。它的关键区别是如何组织人员参与及控制接近风险，而不是外形小巧或天然无需围栏。

国际机器人联合会的协作机器人说明涵盖不同的人机接触方式与技术设计。因此，理解协作机器人需要同时看三件事：机械臂具备什么能力，人与机器分别完成什么任务，以及工具、工件和周边设备组成的整套应用怎样运行。基础运动结构与控制组成，可参见工业机器人的分类、组成与典型应用。

人机协作怎样安排任务和工作空间？

共同作业不一定意味着人和机器人同时伸手处理同一个零件。一种常见方式是轮流使用共享位置：人员先放好工件并离开，机器人再取件加工或检测，放回后让人员接手。另一种方式是在不同位置分担同一道工序：机器人负责重复搬运，人员在相邻位置整理来料或复核结果，接近时由相应检测与控制措施管理机器人动作。

协作应用的价值来自这类分工。例如不规则来料仍由人整理，而后续固定轨迹取放交给机器人，可以保留人的判断能力并减少重复操作。如果人员只在班末进入设备、运行期间没有共享空间的需要，那么自动化任务也可能更适合按独立生产单元组织。

机器人本体上的力矩检测、速度限制等功能，只是实现方案的一部分。工位还需要知道何时允许人工进入、何时允许机器人运动、工件由谁持有、异常后从哪一步恢复。拖动示教和图形编程可以帮助建立动作程序，但不能代替这些生产协同关系。

协作机器人怎样通过位置、力觉和视觉完成任务？

协作机械臂的基本运动仍由关节、驱动器、编码器和控制器完成。程序给出工具的目标位置与姿态，控制器协调各关节运动，并根据反馈修正偏差。协作相关设计进一步处理人员接近、接触及操作方式；它并不意味着机械臂依靠人的动作才能工作，也不以人工智能为必要条件。

位置控制完成可重复的取放和定位

当工件在料盘中位置固定、夹具基准稳定时，机器人可以沿已定义路径接近、抓取、搬运和放置。关键是工具中心点、工件坐标和真实装配位置相符。换了更长的夹爪，或料盘位置发生变化，原有路点即使没有改变，也可能不再对应正确抓取位置。抓取完成还需结合夹爪、工件或真空检测等实际反馈确认。

工艺力控根据接触状态调整运动

在压靠表面、打磨或部分装配任务中，目标不只是到达固定坐标，还包括控制某个方向的接触作用。例如，滚轮沿起伏表面运动时，可以在所需方向上依据力反馈调整位置，使接触力趋近设定目标，其他方向仍按路径运动。Universal Robots的Force模式说明展示了这类位置与力控制的配合。具体可控方向、测量方式与精度依产品而异。

工艺力控与人机接触安全是两个不同任务。前者帮助完成压靠、插装等生产动作，后者需要考虑机器人、工具、工件与人员可能发生的接触及相应保护措施。设置了工艺接触力，不能独立证明人员可以进入运行区域；关节力矩检测、末端力传感器和碰撞检测功能也不能仅凭名称互相替代。

视觉定位处理工件位置和姿态变化

来料不再固定摆放时，视觉系统先识别可用目标及其位姿，再通过相机与机器人之间的坐标关系生成抓取目标。机器人仍须判断是否可达、夹爪是否能进入、路径是否受阻，以及抓取后是否确实带走工件。视觉补充的是定位信息，不会自动改变机械臂负载、夹爪几何或人机协作条件。更完整的流程见协作机器人与3D视觉的抓取原理。

SSM与PFL怎样支持人机协作？

两种常见技术思路分别是速度与间距监控（SSM，Speed and Separation Monitoring）和功率与力限制（PFL，Power and Force Limiting）。前者重点控制运动中的机器人应用与人员之间的距离，后者重点限制接触时的作用力和能量传递，并评估具体接触压力。它们可以组合使用，并不是仅凭机器人外观就能识别的两类产品。

速度与间距监控：根据人员接近情况减速或停止

SSM利用适合安全用途的人员检测装置与控制功能，监控人员接近运动区域的情况。人员较远时，机器人可按相应条件运行；距离缩小时，系统可能降低速度；不能继续保持所需间距时，则在接触危险发生前停止。人员离开后，还要满足设定的恢复条件，才能继续运行。

保护距离不是在地上按机械臂臂展画一个圈。系统要考虑人员继续接近、检测和控制响应、机器人停止过程，以及工具和工件伸出机械臂之外的范围。普通相机“看到了人”或程序主动降低了速度，也不自动等同于经过验证的SSM功能。

ABB在2021年SWIFTI发布说明中，介绍了安全激光扫描器与SafeMove软件配合，根据人员所在区域减速或停止的方案。这是面向间歇共享空间的具体实例：协作可以通过避免运动接触实现，不必依赖“碰到人再停”。该说明中的能力属于当时发布的特定方案，不代表所有协作机器人都有相同配置。

功率与力限制：同时考虑机器人、工具和工件的接触

PFL可以通过固有设计和安全相关控制实现。机器人本体的质量与形状、随动工具和工件，以及运动速度都会影响接触过程。在其他条件相近时，降低运动质量或速度，可以减少需要消散的动能。Universal Robots的协作应用能力说明将机器人设计与限制运动、速度、动量、力和功率的安全功能区分开来，这些功能共同服务于具体应用。

安全相关控制需要在运行中监控相应限制，并按设计处理超限情况。具体接触条件下的力与压力，还与接触形状、相对运动和人员是否被夹住有关。如果接触已经产生过大的力或压力，随后停住也不能改变之前的接触结果。因此，普通碰撞报警或碰撞后停机，本身不能证明具备相应的PFL能力。

接触位置和几何形状会改变结果。同样的力落在圆滑的大接触面和锐利的小边缘上，局部压力不同；人体能自由退让的短暂碰撞，与手指被夹在夹爪、工件和固定台面之间，也属于不同接触条件。增加工具或工件质量、改变伸出长度和运动方向，还会改变运动过程及可能接触的位置。

因此，PFL应用需要把末端工具、工件和周围固定物一起评估。Universal Robots的风险评估说明明确将这些对象纳入应用判断。尖锐工件、夹点或脱落风险，可能需要改变夹持和布局，或增加局部隔离；焊接的弧光、烟尘等过程危险也不能靠机械臂限力解决。这就是协作机器人仍可能使用围栏或其他防护的原因。

手动拖着机械臂示教，则是另一件事：它帮助操作者记录所需位置或动作，不等于自动生产时允许随时触碰机械臂。Universal Robots的协作应用能力说明明确区分了手动模式下的拖动示教与生产中的手引导控制。

目前ISO 10218-2:2025的范围覆盖工业机器人应用和单元的集成、调试、运行等环节，因此应在完整工位层面理解这些条件。手引导控制（HGC）也是协作应用中的一种能力：人员通过专门的引导控制装置直接控制运动。它与用于记录点位的拖动示教具有不同的运行目的和条件，不能因机械臂能被拖动，就认定自动生产中可以随时推拉它。

协作机器人与传统工业机器人有哪些典型区别？

日常比较中的“传统工业机器人”，通常指人员与机器人运行区域分开的隔离式单元。协作机器人本身仍可能是关节型工业机器人，也可以放在隔离单元中使用。下面比较的是两种常见工位组织方式，而非两套互斥的机械分类。

比较维度	面向协作的工位	常见隔离式单元
人员参与方式	将人工备料、调整或复核安排进生产循环，人机之间频繁交接任务。	主要循环在隔离区内自动完成，人工多通过区域外的上料、下料接口参与。
接近时的动作	根据共享方式，利用SSM、PFL等能力及配套措施控制运动和接触条件。	通过围栏、联锁等限制人员接近危险运动，人员进入时转入相应停止或操作状态。
节拍的主要影响	人员占用共享位置、接近引起的减速或停止，会进入循环时间。	隔离区可按连续自动循环组织动作，外部缓存可减少人工补料对主循环的干扰。
布局的关注点	让人工操作位置易于到达，同时避免人员通道反复穿过检测区和机器人路径。	安排隔离边界、门、上下料接口及内部运动空间，减少不必要的人工进入。
换型的工作重点	常通过现场示教等方式调整取放动作，同时重新确认人工交接位置和新工件条件。	常围绕程序、夹具和自动供料接口调整，复杂轨迹可利用离线编程等方式准备。

这些差别不代表协作机器人必然负载小、精度低，或隔离式机器人一定难编程。拖动示教、图形编程和离线编程是产品及软件能力，可以跨越上述工位类型。负载和精度属于具体机械与控制性能；速度还要结合应用中的限制条件，不能把产品标称最高速度直接当成有人参与时的生产速度。

例如，每一件工件都需要人工在共享位置调整，即使机器人空载移动更快，也仍要等待人工完成并满足交接条件。反之，把备料位置与机器人主要运动路径适当分开，可能减少反复停等。这类任务与布局关系，比单独比较机械臂速度更能解释实际节拍。

共享检测工位怎样完成一次人机交接？

以下是解释协作组织方式的假设工位：人员整理来料并放到定位托盘，机器人取件送检，检测后放回结果区，人员再做复核。本例采用轮流使用共享位置的方式，人工操作期间机器人在相关区域保持约定的受监控静止状态，不以人员直接接触运动中的夹爪作为交接方法。

1. 机器人交出共享位置。机器人退出人工操作所需的区域，控制系统确认已满足允许人工进入的状态，并给出明确的操作提示。提示反映经过设计的控制状态，不能由一盏指示灯代替实际保护措施。
2. 人员备料并结束人工操作。人员整理零件、按定位要求放置，确认本批或本件已经准备好，再退出共享位置。物料就绪信息说明任务准备情况，人员是否离开则由相应人员检测和控制措施确认，两者不能互相代替。
3. 机器人取得作业许可并送检。共享位置满足机器人运动条件后，机器人抓取并确认夹持，将零件放入检测夹具，完成定位和夹具交接，再由检测设备确认可以开始检测。检测开始和完成都应对应有效设备状态，而不只是机械臂到达了某个位置。
4. 返回工件并交还位置。检测结束且允许取件后，机器人取回工件，按结果放入相应位置，释放并退出。控制系统确认人工操作条件再次成立后，人员才能接手复核或处理不合格件。

这条循环把人工准备、机器人重复运动与检测判断连接起来。若抓取失败、检测结果缺失或中途停止，系统需要保留工件所在位置和当前工步，确定如何恢复，而不能直接跳到“允许人工取件”或自动重做全部动作。协作并没有取消顺序控制，而是把人员参与也纳入了顺序。

哪些生产任务适合采用协作方式？

人工装配中的重复辅助动作

人员处理辨识、柔性零件调整或复杂装配，机器人负责递送、保持位置、重复取放或配合拧紧，分工比较清晰。是否能同时作业，要看工具和工件之间的空间关系：如果人的手与拧紧工具会争用同一位置，轮流交接可能比持续同时运动更合适。

人工备料、抽检与设备上下料配合

当来料需要人工整理、生产过程中又有规则取放任务时，协作工位可以把这两部分连接起来。人员负责来料变化或抽检，机器人负责固定路径搬运；机床门、夹具和加工设备仍按自身的操作条件配合。人的进入频率与等待时间，是这种分工能否顺畅的重要因素。

需要人工复核的检测与包装工位

机器人可以反复把工件送到固定检测位置，或按规则完成装盒与分区放置，人员处理检测异常和不规则对象。产品变化较多时，现场示教可能方便调整取放位置，但新夹爪、新包装尺寸和工件外伸部分仍会改变定位、抓取与接触条件，换型不只是修改几个点位。

如果工序长期高速连续运行、人员很少参与，或者工艺本身就需要严格隔离，独立自动化单元通常更容易把动作、供料与防护统一组织起来。协作型机械臂也可以用于这样的单元，但应看其具体工艺能力。更细的上下料、码垛、焊接等任务，可参见协作机器人的具体应用与工序条件。

判断一个工位是否需要协作，首先要说清人员在哪一步参与、机器人承担哪一段重复工作，以及双方怎样交还工件和工作空间。能够把这些关系组织清楚，再由相应技术能力支持，协作机器人才能成为完整生产流程的一部分。

协作机器人换型时，除了重新示教还要改什么？

拖动示教便于把机械臂引导到点位，图形编程便于组织动作和条件，但生产换型还涉及工具、工件和工作空间。将一种零件改成另一种零件，至少可能改变抓取中心、夹持范围、负载与重心、接近路径、检测要求，以及人员参与的步骤。详细的程序建立方式可阅读机器人示教、离线编程与拖动示教的区别。

例如，托盘孔距改变时，需要重新确认抓取点与坐标；新零件更长时，还要核对其伸出部分是否经过人工位置或固定物；检测结果格式改变时，程序必须区分有效结果、未检测和异常。换型后的验证因此既检查“动作能不能走完”，也检查工件是否正确交接、异常时状态是否保留，以及原有人机交接条件是否仍然成立。

协作应用是否有价值，取决于这套生产分工能否稳定工作。它可以把人工判断和重复运动分开，也可能因频繁交接、限速与异常恢复增加等待。评价时应看完整工位的合格产出、人工参与和恢复过程，而不能只比较一次示教花了多久。更具体的接触、工具及工位条件见协作机器人安全与工位风险评估。

参考资料

• 国际机器人联合会（IFR）：Industrial Robots，Collaborative Robots部分。
• ABB：ABB’s new SWIFTI cobot enables collaborative working at industrial speeds，2021年2月24日。
• Universal Robots：Risk Assessment；Safety Functions Table 2，协作应用能力与手动示教说明。
• Universal Robots：PolyScope 5.23，Force模式说明。
• ISO：ISO 10218-2:2025公开范围与版本信息。