基于粘弹性覆盖材料的人机协作安全评估与优化研究：简化接触检测的实用化探索

这篇研究聚焦人机协作（HRC）中的接触安全问题，创新性地利用商用协作机器人（如DENSO COBOTTA PRO）的接触检测功能，结合粘弹性材料（如40mm厚软聚氨酯M1）的力学特性，验证了在600mm/s高速接触下满足ISO/TS 15066安全标准（腹部220N/其他部位280N）的可行性。研究为缺乏机器人专业知识的终端用户提供了低成本、易实施的安全解决方案，同时兼顾生产效率需求。

　　

1. 引言

日本面临少子老龄化社会挑战，2030年劳动力短缺将波及医疗、制造等多个领域。人机协作（HRC）成为解决方案，但用户面临技术门槛高、成本回收难等问题。研究基于ISO/TS 15066标准，探索无需特殊传感器的安全方案——通过粘弹性覆盖材料降低接触力，利用商用协作机器人自带的接触检测功能实现安全控制。

2. 安全与生产力的协同实现

2.1 安全评估方法

以DENSO COBOTTA PRO机器人为对象，测试其与刚性体在600mm/s速度下的接触力响应。结果显示瞬态力峰值（如软聚氨酯M1在40mm厚度下245N）可满足安全限值，且机器人能通过100N触发的停控机制消除后续夹持力。

2.2 生产力优化

心理学研究表明，600-700mm/s为人类无恐惧感的速度上限。研究验证该速度下粘弹性材料（如M1）可平衡安全与效率，突破传统教学模式下250mm/s的速度限制。

3. 粘弹性材料的筛选与验证

3.1 接触力学模型

建立半椭球人体模型与机器人接触的力学框架，重点评估材料厚度（20-80mm）对力衰减的影响。动态力学分析仪（DMA）测得软聚氨酯M1的储能模量（10⁶ Pa级）和损耗模量（10⁵ Pa级）表现最优。

3.2 材料性能关联

高粘度提升接触检测灵敏度，高弹性模量增强能量吸收。实验发现损耗因子（tanδ）高的材料（如M4）反而不如M1的力衰减效果，需综合考量多重力学指标。

4. 实验验证

4.1 方法设计

采用分层叠加法测试不同厚度（20mm/片×1-4片）材料的接触响应。力传感器记录瞬态峰值，机器人自主停控机制确保实验安全。

4.2 关键结果

• 软聚氨酯M1在40mm厚度下峰值力245N，满足280N标准

• 60mm厚度进一步降至176N，满足腹部220N严苛标准

• 80mm厚度下所有测试材料均达标

5. 讨论

材料筛选需超越传统粘度/模量指标，引入损耗因子（tanδ）等参数。软聚氨酯M1的优异表现印证了"高储能模量+适中损耗"的组合优势，但实际应用中需权衡厚度与机器人灵活性。

6. 结论

研究证实40mm厚软聚氨酯覆盖层可协同商用协作机器人的接触检测功能，在600mm/s高速作业下满足国际安全标准。该方案显著降低用户技术门槛，为人机协作在医疗、服务业等场景的普及提供实用化路径。未来需拓展更多机器人型号和复杂接触工况的验证。