随着工业4.0的深入推进，协作机器人(Cobots)在制造业、医疗、服务等领域的应用迅速增长。2025年，协作机器人市场规模预计将达到数十亿美元，年复合增长率超过20%。这一增长趋势不仅反映了协作机器人在提高生产效率、改善作业条件方面的显著优势，也突显了其在人机协作环境中确保安全性的关键作用。本文聚焦于协作机器人在不同应用场景中的控制策略与安全性考量，分析其在独立、顺序、同时和支持性协作模式下的技术实现，并探讨如何通过技术创新提升协作机器人的市场竞争力和应用价值。

  一、协作机器人的应用场景与控制策略

  《2025-2030年中国协作机器人行业发展趋势分析与未来投资研究报告》协作机器人作为一种能够与人类共同作业的自动化设备，其应用场景广泛且多样。在工业生产中，协作机器人可用于装配、焊接、质量检测等任务，通过与人类操作员的紧密协作，实现更高效率和更高质量的生产目标。在医疗领域，协作机器人可用于辅助手术、康复治疗等，为医疗过程提供精准支持。在服务行业，协作机器人可用于物流搬运、清洁服务等，提升服务效率和质量。

  协作机器人市场策略分析提到为了实现高效且安全的人机协作，协作机器人需要采用多种先进的控制策略。本文研究了三种主要的控制策略：基于外感受传感器的控制策略、阻抗控制策略和力控制策略。这些控制策略通过不同的技术手段，确保协作机器人在与人类交互过程中能够适应外部扰动、保持稳定性和安全性。

  二、基于外感受传感器的控制策略

  在人机协作环境中，确保安全距离和避免碰撞是协作机器人设计的关键目标之一。基于外感受传感器的控制策略通过实时监测机器人与人类操作员之间的相对位置，动态调整机器人的速度和方向，从而有效避免碰撞。该策略利用虚拟现实技术和外感受传感器，模拟不同碰撞情境下的机器人运动，并评估机器人运动的形状和速度对人类主观舒适度的影响。

  通过任务坐标系中的刚体动力学模型，机器人在任务空间中的运动可以被精确描述。控制目标通过调整任务空间中的阻抗来实现，确保机器人在与人类接触时能够保持安全距离。实验结果表明，基于外感受传感器的控制策略能够有效调整机器人速度和方向，确保在接近人类时保持安全距离，避免碰撞。

  三、阻抗控制策略

  阻抗控制是一种主流的控制技术，主要用于处理混合力/位置控制问题，并应对在人-机器人物理交互中由未知环境引起的扰动。该策略通过调节系统的“阻抗”参数，使机器人能够适应外部扰动，保持稳定的运动轨迹。阻抗控制将系统建模为质量-弹簧-阻尼二阶闭环系统，通过调整质量、阻尼和弹簧系数，确保机器人在复杂交互中保持控制的稳定性和准确性。

  实验结果表明，阻抗控制策略能够有效应对外部扰动，保持系统稳定，确保与人类的安全协作。通过调整阻抗参数，机器人能够根据外部干扰实时调整其运动轨迹，确保在复杂动态环境中维持高效协作。

  四、力控制策略

  力控制策略是一种广泛应用于协作机器人中的控制方法，特别适用于涉及物理接触和交互的任务。该策略通过精确控制施加在物体上的力，确保机器人能够与环境或人类安全地交互。力控制策略通常包括直接力控制、间接力控制和力/位置混合控制等形式。

  实验结果表明，力控制策略能够精确控制施加在物体上的力，确保与人类或物体的安全接触，并有效应对外部干扰。通过调整关节力矩，机器人能够根据外部施加的力调整其位置和姿态，确保任务的精确执行。

  五、协作机器人的安全性考量

  在协作机器人的人机交互过程中，安全性是最重要的考量因素之一。无论是基于外感受传感器的控制策略、阻抗控制策略还是力控制策略，其核心目标都是确保机器人在与人类协作时能够适应外部扰动、保持稳定性和安全性。通过模拟仿真和力学建模方法，本文评估了不同控制策略在实际应用中的效果。结果表明，这些控制策略在提高人机协作的安全性和效率方面表现良好，验证了其在实际应用中的有效性。

  六、结论

  2025年，协作机器人市场正处于快速发展阶段，其在工业、医疗、服务等领域的应用前景广阔。通过研究协作机器人在不同工况下的控制策略，本文展示了基于外感受传感器的控制策略、阻抗控制策略和力控制策略如何确保机器人在与人类协作时的安全性和高效性。这些控制策略不仅提高了协作机器人的适应性，还在多种工业应用中展现了其在提升生产效率和确保工作安全方面的优势。未来，随着技术的进一步发展，协作机器人将在更多领域发挥重要作用，为人类社会的发展提供强大支持。