德国制造业新动态：认知机器人与安全技术引领人机协作革新

引言

德国弗劳恩霍夫工厂运行与自动化研究所（Fraunhofer IFF）的研究人员开发出具备“认知能力”的机器人系统，能够胜任以往难以实现自动化的复杂制造任务。

同时，他们还推出了PARU系统与计算辅助安全系统（CAS），这是首批适用于密切人机协作场景的安全技术与规划工具，能够确保由AI生成的机器人动作在运行中依然满足安全标准。

Fraunhofer IFF将在2025年6月24日至27日于德国慕尼黑举办的automatica展会上（A4馆319号展位）展示这些技术成果。

研究团队借助基于AI的新方案，使机器人能够在非结构化、动态变化的环境中自主运行，并适用于如工业装配与拆卸、医疗物品搬运等复杂流程。

配合投影与视觉感知系统，这些配备AI运动控制的机器人不仅能稳定响应环境变化，适应不同任务，还能在应用中确保安全性，突破了传统机器人对固定任务场景的依赖。

Fraunhofer IFF认知机器人小组负责人Magnus Hanses指出，认知型机器人可以从经验中学习，独立作出决策，并根据任务情境进行自我调整。

例如，在执行抓取与放置任务时，它不需要预先知道每个工件的具体形状，而是通过摄像头获取物体的尺寸、形状、材质与状态，并根据实时感知调整操作行为，从而适应不同的包装材料和环境条件。

| 使用仿真环境训练AI模型

为训练AI模型，研究人员大量使用仿真环境。例如，他们会在虚拟空间中模拟电脑主板的拆卸流程，让多个虚拟机器人同时进行高速训练，且无需考虑安全隐患。

尽管数字环境具备多重优势，但与现实世界之间始终存在差异（即“Sim2Real”问题）。Fraunhofer IFF团队正尝试通过两种路径来缩小这一“虚拟-现实差距”：一种是提升仿真的还原度；另一种是扩大仿真变量范围，让AI神经网络在更广泛的场景变化中学会泛化与适应。

Hanses介绍说，他们采用了“域随机化”（Domain Randomization）技术，在训练过程中持续调整如光照、物体材质等参数，从而生成大量具有不同特性的仿真环境。这种方法使机器人不会只学会“解决一个特定任务”，而是掌握任务背后的抽象原理。他表示：“现实世界最终对AI而言，也只是一种仿真环境的变体。”

| PARU：专利级动态安全边界系统

尽管认知机器人具备高度灵活性，但要确保其AI自主生成的动作在运行中符合德国及欧盟的安全标准，仍面临挑战。为此，Fraunhofer IFF研发了PARU系统——一项获得专利的工作空间监测技术，旨在保障机器人在与人员密切协作时的安全性。

Fraunhofer IFF机器人系统部负责人Norbert Elkmann介绍，PARU系统通过投影仪和摄像头组合，在机器人及其作业区域周围生成可视的警示和保护边界。

系统在投影仪与两台摄像头完成校准后，会生成一组“期望图像”。随后，投影仪依据ISO/TS 15066标准中设定的安全距离公式，在机器人和目标工件周围投射出一圈可见光幕，作为提醒人员避让的安全线。

他补充说，一旦工作人员身体的任何部位越过光幕，摄像头会识别图像与预期之间的差异，系统则会根据具体情境控制机器人减速或立即停止动作。

| 动态边界与可视信号提升信任感

PARU系统可根据机器人当前状态动态调整安全区域，这一特性使其非常适用于认知机器人场景。

Elkmann指出，该技术目前在德国本土及国际范围内都属于领先方案——在满足标准规定的前提下，还能实现人员与机器的近距离协作，占地面积更小。

此外，PARU还可通过投影显示机器人下一步动作路径，增强操作人员的预期感与信任感。该系统所生成的可视光幕不受环境光照条件影响，具备高度稳定性与自动关闭机制——一旦摄像头或投影设备发生故障，系统将自动停机，确保人员安全。

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| CAS：适用于柔性系统的数字化安全工具包

Fraunhofer IFF还将在automatica 2025展示其开发的计算辅助安全（CAS）系统，这是为HRC（人机协作）型机器人系统设计的一套完整的数字安全解决方案，旨在帮助制造企业高效、合规、经济地部署协作机器人。

CAS包含一系列即插即用的软件模块，用于快速计算安全距离、限制机器人速度。系统还集成了数字助手，可辅助企业完成欧盟机械指令（EU Machinery Directive）下所要求的风险评估与合规性认证流程，对刚接触协作机器人技术的企业尤为友好。

与传统依赖物理碰撞测试的工具不同，CAS的“安全审批模块”完全基于数字参数运行。它能结合如碰撞力、疼痛阈值等人因指标，自动确定机器人在不同任务下的最高可运行速度。

所有模块均可灵活集成进各类机器人控制系统与仿真平台，确保在不牺牲经济性前提下，精准符合安全合规要求，从而降低工程投入与风险。

据Elkmann介绍，CAS系统建立在Fraunhofer IFF多年积累的独特实验数据基础之上。团队通过特别设计的摆锤装置，对超过100名受试者进行了碰撞与夹持测试，建立起一套新的疼痛阈值与生物力学安全限值。这一研究过程获得了德国马格德堡奥托·冯·格里克大学创伤外科与伦理委员会的支持。

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