機器人碰撞檢測透過比較測量或估計的相互作用與預期運動和動力學，辨識外部接觸。證據可能來自關節轉矩感測器、運動電流、手腕力-轉矩感測器、觸覺感應、加速度或基於模型的擾動觀察器。每種感測器能感知不同位置，包含不同的偏差和延遲。
檢測只是風險降低的第一步。控制器必須對事件進行分類或閾值，選擇有界反作用，減速或移除轉矩，協調製動，並確定是否允許恢復。檢測時間、停止運動和峰值接觸力需要系統層面驗證。
本指南應與 機器人感測器融合指南 及 關節增益調節指南一起使用。碰撞檢測不能取代適用的風險評估、保護功能或安全標準。
直接力感測觀察設計的負載路徑
負載感測器或力轉矩感測器將結構應變或其他物理效應轉化為力的證據。單軸負載感測器沿其設計軸線敏感；六軸腕部感測器估計安裝架上的扳手。兩者都不會自動定位機器人上的每一次碰撞。
感測器的位置很重要。腕部感測器能觀察透過工具傳遞的負載，但可能無法清晰看到前臂的衝擊。關節轉矩感測器可以暴露鏈條上分佈的外部轉矩。校正零、增益、串擾、車架和重力或刀具負載，以適應安裝設定。
馬達電流是一種間接轉矩測量
校正馬達電流和轉矩常數估算電磁馬達轉矩。傳動比、效率、摩擦、齒槽轉矩和加速度將馬達轉矩與外部輸出轉矩區分開。電流廣泛可用，但在高摩擦或高比關節中可能存在模糊性。
使用電流感測器定時和實際的驅動指令路徑。跨速度、負載和溫度的雙向對映比單一恆定效率更有用。保持電氣飽和和電流環行為可見，因為截波的電流訊號可能隱藏真實事件大小。
| 證據 | 實力 | 盲區 | 校正 |
|---|---|---|---|
| 手腕 F/T 感測器 | 直接刀具扳手 | 路徑外的身體接觸 | 刀具質量與框架 |
| 關節轉矩感測器 | 關節水平外力矩 | 聯絡地點模糊性 | 零點與串擾 |
| 電動機電流 | 大多數驅動器均可使用 | 摩擦與傳動誤差 | 轉矩-電流對映 |
| 擾動觀測員 | 模型和狀態的用途 | 模型誤差與延遲誤差 | 動力學與摩擦 |
| 觸覺皮膚 | 本地聯絡地點 | 覆蓋與磨損 | 表面反應 |
擾動觀察者減去預期動力學
觀察者透過慣性、重力、速度、摩擦和指令運動預測關節轉矩，然後將無法解釋的殘差視為擾動估計。動量-觀察者方法可以避免直接加速度微分，但仍依賴模型、狀態和數值濾波。
有效負載誤差、拉力、剎車阻力和激進加速可能看起來像碰撞。相反，濾波可能會延遲真實事件。在選擇閾值前，驗證每個正常任務階段的殘差分佈。保持模型版本和有效負載與探測器設定的同一性。
閾值需要方向、相位和持續時間
Franka 的 碰撞行為 API 揭示了加速度和名義相位的不同轉矩和力閾值。這一區別說明了為何所有運動中一個標量閾值通常不足。
在有證據支援的情況下，使用關節和方向特定的閾值。將大小與持續時間、導數或多軸一致性結合，以排除雜訊而不過度延遲接觸。定義獨立的接觸、碰撞和硬體極限狀態，而非單一模糊的警報。
降低閾值會減少漏檢，但會增加誤停機
降低閾值可以檢測較小的接觸點，但也會觸發加速度、摩擦、模型誤差、電纜運動或有效負載變化。頻繁的誤報可能導致操作員非正式提高閾值或禁用檢測，從而造成更差的系統。
量化標記試驗中的真陽性、假陽性、漏檢和檢測延遲。從風險評估和生產成本中選擇操作點，而非單一展示。維護或更換工具後監測分配轉移。
| 測試維度 | 示例 | 戰績 | 為什麼重要 |
|---|---|---|---|
| 聯絡地點 | 工具、連桿、關節蓋 | 偵測與力 | 可觀測性變化 |
| 導演 | 法向、切向、軸向 | 軸殘差 | 閾值不對稱性 |
| 機器人狀態 | 保持、加速、反轉 | 虛假與真實事件 | 期望動力學不同 |
| 撞擊物體 | 柔軟、堅硬、有稜角 | 峰值與衝量 | 感測器頻寬 |
| 環境 | 有效負載、電纜、溫度 | 基線偏移 | 模型效度 |
接觸點位置並非總是可觀察到
關節轉矩殘差有時可以透過比較候選雅可比矩陣支援接觸定位，但不同接觸點也可能產生類似的廣義轉矩。腕部感測僅透過鏈條觀察負載。觸覺覆蓋提升區域性證據，但增加了校正和耐久性限制。
報告探測器是否僅標記接觸，或同時估算力、方向和位置。分別用參考儀器驗證每項主張。不要將粗略鏈路分類呈現為釐米級精確定位。
濾波用檢測延遲代替雜訊
低通濾波器、移動視窗和觀察者減少高頻雜訊，但延遲閾值交叉。不同濾波器還會改變峰值幅度。測量從物理接觸到決策的總延遲，包括感測器取樣、驅動器傳輸、計算和狀態機更新。
使用帶有儀器的撞擊或力參考，配合約步時鐘。描述剛性和軟接觸點以及機器人自身的振動。調諧為慢推的探測器可能會錯過短暫撞擊，而調諧為衝動的探測器可能在齒輪紋動時誤觸發。
該反應決定了剩餘接觸能
檢測後，選項包括受控減速、速度調節、順應後退、轉矩消除或安全停止。正確反應取決於重力、有效負載、接觸幾何結構和安全結構。僅僅關閉轉矩可能導致重力加重機械臂下落。
測量檢測距離、控制器反應、制動、機械滑行和回彈作為單一停靠路徑。協調保持制動和能量消除。定義自動恢復前所需的資訊和操作員檢查的強制性。
碰撞檢測並非自動屬於安全功能
ISO 10218-1:2025 涵蓋工業機器人的安全要求，而整合則由配套系統標準涵蓋。軟體殘差閾值不會僅因在實驗室測試中使機器人停止，就自動具備安全等級認證。
所需的效能水平或安全完整性、架構、診斷、系統化能力和驗證均來自適用的風險評估和標準。必要時使用認證或認證的保護功能。除非其完整的安全形色被確立，否則應將研究碰撞檢測作為附加層。
驗證正常工作、碰撞和探測器故障
收集涵蓋有效負載、速度、姿態、溫度和磨損的正常軌跡，然後跨位置、方向、速度和物體剛度進行分級接觸。使用參考力和同步影片或儀器。記錄原始訊號、估計值、閾值、決策和完整反應。
注入感測器中落、過時狀態、模型不匹配和過飽和命令。驗證檢測器健康監測和備用。在增益、濾波器、韌體、工具或機械變更後重新驗證，因為這些都會改變殘差分佈和停止行為。
評估“機器人碰撞檢測：轉矩感測器、電流與擾動觀測器”時，還應儲存模型版本、機器人設定、校正檔案、測試日期和全部試驗記錄。
只有把這些持續投入與單位成功任務的價值比較，才能判斷方案是否適合擴大。
上線後仍要持續檢查分佈變化、感測器漂移、機械磨損和人工接管原因。
實際專案還應指定資料、模型、控制器和安全流程的負責人，並預先定義回復條件。責任邊界、審批記錄與變更紀錄越清楚，故障發生後越容易停止擴散、定位原因並安全恢復。
把任務拆成感知、決策、動作執行和結果確認，可以更準確地定位瓶頸。每一階段都應有獨立指標與失敗示例，避免用端對端成功率掩蓋偶發但嚴重的風險。
- 定義哪些接觸點和力是可觀測的。
- 校正感應和預期動力學。
- 從標記試驗中設定階段感知閾值。
- 測量身體接觸到判罰和停球路徑。
- 保持必要的保護安全功能獨立且經過驗證。
常見問題
僅靠馬達電流能檢測碰撞嗎？
它可以提供有用的證據，但摩擦、傳動損失、加速度和電流校正限制了準確性。針對具體的關節和任務進行驗證。
較低的門檻總是更安全嗎？
不會。它們減少可檢測的力，但可能導致假停止和操作繞過。從測量的誤差分佈和風險需求中選擇閾值。
一個手腕力感測器能檢測到每一次身體碰撞嗎？
不。它主要觀測透過刀具側負載路徑傳輸的負載，可能對其他地方的接觸不敏感。
機器人在被檢測到後是否應該立即關閉馬達？
並非總是如此。重力和接觸會使不受控的轉矩釋放變得危險；反應必須結合制動、保持和系統風險進行設計。
驗證時最常被遺漏的是什麼條件？
運動相位和有效負載常被忽視。加速度、反轉、電纜力和溫度都可能改變法殘差，從而改變假陽性和未命中。
碰撞檢測邊界說明
碰撞檢測效能依賴於感測、模型、運動、負載、濾波器和反應。它並非自動獲得安全等級的功能；應用所需的風險評估、標準和獨立驗證的防護措施。