协作机器人设计的关键因素与机器和人类共享相同工作空间的事实有关（图 2）。设计人员需要确保效率高，并且协作机器人不断意识到其同事有时不可预测的动作并能够安全地做出反应。设计人员还需要确保协作机器人在其与人类之间有意或无意的接触时不会施加过大的力。这增加了复杂性。与安全系统不是机器人固有部分的工业机器人不同，协作机器人包含通常集成到其结构中并由其系统控制的安全系统。

图 ：协作机器人与同事共享相同的空间。

幸运的是，针对这些设计挑战的指导以协作机器人的国际安全标准的形式出现，这些标准是与这些机器人在工作场所的快速引入同时制定的。例如，ISO 在其ISO 10218文档中提供了一些设计协作机器人的指南。该组织创建的技术规范 (TS) ISO/TS 15066 侧重于协作机器人的安全性。ISO/TS 15066 强调了与安全相关的控制系统完整性在控制过程参数（如速度和力）方面的重要性。（注：ISO/TS 15066 是一个自愿性文件，不是标准。但是，它有望成为未来标准的基础。）

ISO/TS 15066 还提供了供协作机器人设计者使用的一般信息，例如解释需要对工作空间中的危害进行风险评估的信息。例如，即使是最好的机器人设计也不能被认为是安全的，如果它允许机器人用它的机械手围绕一个尖锐的物体挥动。在另一个示例中，如果工作空间被固定物体封闭，导致工人被困然后被机器人运动压碎，则工作空间可能很危险。

ISO/TS 15066 的关键部分涉及工作空间的设计、机器人操作的设计以及机器人协作和非协作操作之间的转换。具体来说，该文件提供了实现以下协作操作要求的详细信息，从而创建了满足上述设计目标的安全、高效的解决方案：

安全等级监控停止

安全等级的监控停止是在不切断电源的情况下确保机器人停止，并在人类工作人员进入协作工作区时发生。该系统确保机器人和人类不会同时移动，主要用于机器人在工作空间中快速移动重型部件时使用。

在开始手动操作之前，机器人必须执行安全级别的监控停止。在操作过程中，工人与机械臂直接接触，并可以使用手动控制来移动它。此操作用于提升辅助或高度可变的工具应用。

速度和分离监测

这种协作工作方法可能是最相关的，因为它允许操作员和协作机器人通过为协作机器人配备传感器来监控工人的接近度，从而在工作场所内同时移动。在较大的间隔中，协作机器人继续以中等速度运行，但在更接近时，协作机器人会降低其速度。在非常接近的情况下，它会达到一个完整的安全等级监控停止。

力量和力量限制

当协作机器人（或任何工件）和工作人员都在协作工作空间中时，在应用中需要限制功率和力。接触可以是准静态的，例如将工人身体的一部分夹在协作机器人的机械手和固定物体之间，也可以是瞬态的，例如撞到同事身体的某个部位，工人可以后坐。

设计安全挑战

通过对成本、尺寸和复杂性进行一些调整，协作机器人设计人员可以将现有的工业机器人技术用于某些系统，同时仍然可以实现前面描述的工作方法。例如，安全等级监控停止是工业机器人的一项成熟技术，当人类进入操作范围时，它使用安全屏障实现紧急停止。

速度和分离监控需要新的工程技术，考虑到工业机器人的设计目的是在有人闯入工作区时完全停止。相比之下，当工人共享工作空间时，协作机器人将继续移动，尽管速度会降低，除非方法足够接近以触发安全等级的监控停止。实施此类系统的关键是将传感器集成到协作机器人的控制系统中，以便在需要减速时，闭环反馈能够实现快速的电机响应。

但最困难的设计挑战是功率和力限制。设计师可以从工业机器人设计中学到很少的东西，因为它的重点是负载能力和速度。ISO/TS 15066 的附件通过建议对疼痛阈值的准静态和瞬态力以及人类的轻微、可逆和不可逆损伤阈值的限制来提供帮助。瞬态力阈值可能是准静态力阈值的两倍，因为它们发生在较短的时间范围内，并且工人可以后坐力。

尽管关于疼痛和损伤阈值的研究仍在继续，但目前的指南建议通过在速度和分离监测操作期间将协作机器人的速度降低到低于 250mm/s 并将其力降低到低于 150N 来降低夹紧风险。但是，瞬态力可以是两倍高，但施加时间不得超过 500 毫秒。

达到这些门槛具有挑战性。例如，一个 2kg 的机械臂承载 0.5kg 的负载并以 1m/s 的速度移动，如果发生意外接触，必须以 60m/s2 的速度减速，以将其破碎力限制在 150N 以下。在那个时候，手臂会移动8mm，这对于协作操作来说是可以接受的。承载 3kg 负载的相同机械臂需要以 19m/s2 的速度减速，以将其压碎力限制在 150N 以下，在此期间它会移动 27mm（这对于填充物来说是可以接受的）。此示例说明机器人设计人员必须考虑由具有不同有效载荷和移动速度能力的协作机器人产生的不同动态力。

ISO 指南中的其他建议包括：

• 消除机器人上的夹点和挤压点

• 减少机器人惯性和质量

• 当机器人接近固定表面时降低机器人速度，使其可以快速停止

• 增加接触点的表面积

• 组织工作空间布局以限制夹紧点并允许在瞬态碰撞后反冲