機器人關節在停車時可能需要三種不同功能：受控減速、消除產生轉矩的能量以及機械上抵抗重力或外部負載。將它們視為一個功能會導致危險的時序和診斷假設。
安全轉矩關閉防止驅動產生馬達轉矩，但不會機械鎖定軸。安全停止 1 在切換至 STO（停止）前啟動受控停止。彈簧施加的保持制動器可以保持位置，但僅限於其額定和驗證的條件下。
使用本指南配合 物理 AI 安全層 和 關節致動器測試。功能安全設計需要適用的標準、認證元件、經過驗證的風險降低以及合格專業人員。
停止、保持和轉矩消除是不同的功能
受控制動利用馬達轉矩沿特定軌跡降低動能。機械保持在運動停止後抵抗負載。 STO 則消除馬達產生轉矩的能力。所需的序列取決於重力、慣性、危險和制動設計。
為正常停止、保護停止、緊急停止、斷電、通訊中斷和檢測到的制動故障繪製狀態圖。為每個狀態定義安全狀態、最大移動、時機、診斷和重啟。
彈簧加壓式制動器在斷電時自動抱閘
常見的馬達保持制動器利用彈簧力線上圈斷電時夾緊摩擦面。施加線圈電源時，摩擦力會釋放。如果機械、熱量和磨損極限仍然有效，這種結構可以在斷電時保持穩定。
它並非自動的動態緊急制動。反覆的高能量停止可能導致摩擦表面過熱或磨損。使用產品等級，涵蓋靜態保持、允許緊急停止、齧合時間、氣隙和壽命。
| 功能 | 它的作用 | 它並未證明什麼 | 所需證據 |
|---|---|---|---|
| 受控停車 | 透過驅動轉矩降低速度 | 安全轉矩消除 | 監控的停止行為 |
| STO | 阻止驅動器產生轉矩 | 機械持有 | 駕駛安全驗證 |
| SS1 | 受控停止後切換到 STO | 僅靠重力保持 | 定時或斜坡監測 |
| 保持制動 | 抵抗軸負載 | 全安全效能 | 轉矩與磨損測試 |
| 制動回饋 | 報告切換或命令狀態 | 實際控制力 | 定期功能測試 |
STO 不保持重力負載軸
西門子 2025 年安全整合手冊 包含了 STO 和 SS1 功能，而其應用指南則警告懸掛或重力軸可能需要服務或保持制動。
STO 後，無約束軸可能滑行或在受重下墜落。評估重力、平衡、摩擦、外力和單一故障。不要將齒輪箱摩擦作為安全級保持功能。
SS1 控制減速，轉矩被移除前
安全停止 1 啟動制動，並在確定的延遲或監控制動條件下觸發 STO 系統，具體取決於實施方式。減速階段馬達轉矩保持可用。
該間隔必須允許軸達到預期狀態，並使任何保持制動器在轉矩解除前接合。驗證最壞情況下的速度、負載、溫度、母線行為和制動關閉時間。標稱的斜坡是不夠的。
制動正時必須考慮負載轉移
在軸仍在運動時啟動制動會產生摩擦能量和衝擊。在制動產生固定力之前移除馬達轉矩可能導致下降。控制器必須協調減速、靜止、制動指令、接合和 STO。
測量序列中的實際運動和轉矩。包括指令延遲、線圈釋放或接合時間、機械氣隙變化和電壓容差。根據風險降低需求，使用獨立監測。
保持轉矩需要為溫度和磨損留有餘裕
制動保持能力會隨摩擦材料、溫度、汙染、磨損、氣隙和方向變化。靜態目錄轉矩不應等同於經過驗證的接頭壽命保持力。
計算輸出側重力和外部轉矩，包括傳動比和不利方向的效率。應用必要的安全係數，並在邊界溫度和磨損狀態下進行測試。檢查油脂遷移情況。
| 測試場景 | 初始狀況 | 傳遞證據 | 隱藏風險 |
|---|---|---|---|
| 功率損失 | 最差重力姿勢 | 有界移動與保持 | 線圈與驅動正時 |
| SS1 停靠 | 最高允許速度 | 在 STO 邊界前停車 | 斜坡或監測故障 |
| 制動器磨損 | 規定的壽命階段 | 保持轉矩時保持裕度 | 空氣間隙增長 |
| 感測器故障 | 回饋卡住或不一致 | 檢測到安全反應 | 命令-狀態混淆 |
| 重啟 | 未知或恢復的負載狀態 | 驗證釋放與控制 | 意外跳躍 |
制動回饋並不測量保持力
微動開關或內部狀態可能指示指令或機械位置。它不能證明摩擦轉矩、表面狀況或負載下的完全齧合。準確解讀感測器測量的內容。
在需要時，將狀態監測與定期制動測試結合起來。安全的制動測試可以施加受控轉矩，並驗證運動是否在一定範圍內。定義檢測閾值及故障後的處理措施。
電源和通訊故障需要單獨測試
市電丟失、控制電源丟失、現場匯流排中斷和安全網路故障可能產生不同的序列。儲存的匯流排能量可能支援停止，或轉矩可能立即消失。制動供放電路有其獨特的行為。
以代表性的速度、負載和姿勢測試每個故障。記錄運動、停止時間、制動狀態和重新啟動。確認診斷丟失不會默默允許運動或過早重置。
保持制動並不能消除碰撞風險
制動器可以在停止後防止或限制重力運動，但不能讓之前的軌跡變得安全。保護距離、限速、力控制、守衛和獨立停止功能仍然能解決其他危險。
制動齧合本身也可能推動或衝擊負載。考慮懸掛工具、夾點和軸線以下的人。即使存在固定制動器，維護時仍可能需要機械約束。
重啟需要經過狀態驗證和受控釋放
停止或失去動力後，確認軸位置、制動狀態、負載支撐、控制器狀態及停止原因。在轉矩控制建立前鬆開制動可能導致轉矩下降或跳動。
設計一個有檔案的序列，確定馬達轉矩、鬆開制動、驗證釋放，並在授權後才恢復運動。測試感測器不匹配和釋放失敗。每次重啟路徑都應從已知的安全狀態出發。
評估“機器人關節制動與安全制動： STO、 SS1、保持與驗證”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。
引用的產品規格、論文結果和監管要求需要記錄釋出日期與適用版本。資料更新後應重新核對關鍵結論；無法從一手來源確認的內容，應明確標註為待驗證資訊。
小規模試點的價值在於提前暴露介面、人員協作和異常處理問題。試點結束後應依據預設門檻決定擴大、修改或停止，而不是因為已經投入資源就預設繼續。
所有結論都應能夠追溯到原始記錄，並可複核。
介面定義變化時，舊資料和舊控制參數不能在未經驗證的情況下直接複用。
異常測試應覆蓋斷電、通訊丟失、感測器失真、物件滑移和人員進入工作區等情形。系統不僅要發現異常，還應以可預測的方式減速、停止或請求人工確認。
- 減速、 STO 和機械保持分開。
- 測量尺寸並測試剎車在磨損和溫度下的表現。
- 在最嚴重負載和速度下驗證抱閘時序。
- 注入電源、通訊和回饋故障。
- 要求在剎車釋放和重啟前確認狀態。
常見問題
STO 會立即鎖定機器人關節嗎？
不。 STO 阻止馬達產生轉矩；軸可能會滑行或在重力作用下移動，除非有其他機構支撐。
保持制動器能執行所有緊急制動嗎？
通常不會。許多馬達制動器主要用於保持制動，動態制動能量和壽命有限。
制動轉矩高於重力轉矩夠嗎？
單獨不行。包括安全裕度、溫度、磨損、汙染、傳輸行為以及經過驗證的停車時機。
制動回饋開關能證明保持力嗎？
不。它報告的是定義的狀態或位置，而非實際摩擦力矩。可能需要定期功能測試。
機器人能在電力恢復後立即重啟嗎？
重啟應等到位置、負載、剎車、控制和故障狀態都被確認，並且制動釋放安全協調後再進行。
功能安全邊界說明
本文解釋概念，不設計或認證安全功能。應用目前司法管轄區和產品的機械、駕駛和機器人安全標準，必要時使用認證元件，並驗證已實現的風險降低。