机器人应用中的紫外技术：移动式发射源、路径剂量与测量

紫外机器人技术是指利用机器人引导紫外辐射源或相关测量设备——作为安装在法兰上的工具、作为移动平台的负载，或通过在固定源前操作部件来实现。重要的不是发射源的额定功率，也不是设定的移动速度，而是部件某一表面单元在整个过程中实际接收到的辐照量H（单位为J/m²）。这一物理量只能通过沿路径的积分才能得出：距离、入射角和停留时间在路径上的每一点都会变化，作用点处的瞬时辐照度E也随之变化。静止状态下测得的峰值并不能描述这一过程。因此，测量任务从表征辐射源转变为验证运动轨迹——这正是机器人应用与固定式自动化及工艺集成的区别所在。

目前尚不存在专门针对机器人引导紫外工艺的可靠市场数据。现有的消毒机器人研究——这是划分最清晰的细分领域——其十年预测数据相差超过七倍，具体取决于统计口径是仅计入自主移动系统，还是也包括辐照箱、机械臂和固定式房间系统。在此给出一个量化的市场数字只会显得虚假精确。真正可以可靠描述的是驱动因素，而它们都指向同一个方向。

机器人正在走出防护围栏。国际机器人联合会（International Federation of Robotics）在其《World Robotics》报告中指出，协作机器人是增长最快的细分领域，重点集中在电子、食品饮料以及中小企业。对紫外技术而言，这是一种质变，而不仅仅是数量效应：一旦护栏消失，一个开放的紫外光源就成为光生物暴露的问题——而对该光源的控制也就成为安全方案的一部分。

光源的更替正是使移动式发射器变得可行的原因。欧盟修订后的汞法规自2024年7月30日起生效，RoHS指令中关于汞的豁免将于2027年初到期。对机器人技术而言，向紫外LED的转变不仅仅是元件的更换。只要市面上只有汞灯，机器人引导紫外技术就只能采用两种方式：在机械臂上安装笨重的电弧灯，或通过导光管将辐射引出。只有LED——凭借其低质量、无需预热的瞬时启动、可调至额定功率2%以下的调光能力，以及纯粹通过传导方式产生的热输入——才能让紫外工具像夹爪一样被使用。

接合面正在向三维空间迁移。微型化电子元件、传感器封装、轻质异材接合以及法兰上的原位固化密封件都有一个共同点：它们并不位于同一平面内。三维部件只能通过移动式发射器实现均匀辐照——采用电弧灯、保持恒定焦距的机器人引导干燥工艺已在工业中得到应用。接合面越是脱离平面，固定式传送线所能发挥的作用就越有限。

在卫生规范要求与人手短缺同时存在的场合，消毒机器人技术正在不断整合——医院、交通枢纽以及制药生产领域正是如此。在疫情推动的热潮之后，只要仍需提供辐照量证明，这种方法就会持续存在。正是这一证明要求，使其在测量方面比任何固化应用都更为严苛。

由此可以推知未来几年的发展方向。其一，剂量控制将取代基于时间和运行小时数的控制方式，因为现代紫外光源的输出衰减无法再以其他方式管理。其二，路径规划将走向辐射测量化：一旦距离和入射角对剂量起决定性作用，可达性与避碰将不再是充分的设计标准。其三，在协作作业中，对光源进行安全等级认证的开关控制将成为标准要求。其四，可追溯的路径验证将成为机器验收的一部分——正如在饮用水消毒领域，参考辐射计和调整公差早已受到规范约束一样。国际机器人联合会在其机器人技术趋势中列出的自适应、由人工智能支持的路径，进一步强化了这一要求：一条在运行时会发生变化的路径，已无法一次性测量完毕——它需要一个与之同步运行的剂量模型，以及能够支持该模型的测量手段。

光化学过程本身与固定式辐照并无不同：光引发剂、染料或细胞吸收光子并由此引发反应。发生变化的仅仅是光子到达作用点的方式。

在固定式辐照中，作用点处的辐照度 E 在曝光时间内几乎保持恒定，辐照量则可简单表示为乘积 H = E · t。而在机器人引导式辐照中，移动光斑仅在其经过每个表面单元时才会照射到该单元。因此，位置 x 处表面单元的辐照量是该单元位于光斑内的时间上的路径积分。这里相关的时间并非机器人程序的循环时间，而是光斑在该表面单元上的停留时间，该时间与工具中心点的路径速度成反比。

此外，在沿曲面进行六轴运动的过程中，还有两个量在持续变化：发射器与表面之间的距离，以及辐射照射到表面的角度。这两者都直接影响瞬时辐照度。因此，路径不仅是一个几何量，也是一个辐射度量。

传感器方面——带滤光片组的硅光电二极管、SiC、AlGaN 以及光谱辐射计——在自动化与过程集成页面中有详细比较；该页给出的选型标准同样适用。机器人应用增加了一项在该页中并不重要的要求：测量系统的时间分辨率必须与路径速度相匹配。

必须区分四个量，实践中它们经常被混淆。

辐照度 E（单位为 W/m²）描述的是当前照射到表面单元上的辐射功率。它是一个瞬时量，在机器人应用中沿路径是变化的。换算关系为：10 W/m² 相当于 1 mW/cm²。

辐照量 H（单位为 J/m²）是辐照度对时间的积分，因此是真正的工艺参数。在消毒领域中也称为累积剂量。它是唯一可以与放行限值进行比较的量。

每个表面单元的停留时间（单位为 s）将上述两个量联系起来。它取决于光斑沿行进方向的尺寸以及工具中心点处的路径速度，而不是取决于节拍时间。

相邻路径之间的重叠率（以百分比表示）决定了表面上曝光的均匀程度。它决定了一个区域是否被均匀处理，并且与峰值辐照度无关。

就设计而言，工作距离、相对于表面法线的入射角，以及对于脉冲型LED光源而言的驱动方案，也都是相关因素。

最常见的错误结论是将编程的移动速度等同于工件上实际的辐照时间。机器人只有在路径的稳定段才能达到编程设定的300 mm/s。在加速和制动过程中，在拐角处路径被平滑处理时，以及轴方向发生变化时，实际速度会更低——相应地，剂量也会更高。正因如此，过固化、发黄或热损伤会出现在转向点，而直线段则辐照不足。

第二个错误结论是将静止状态下的单点测量当作对移动路径的证明。这种测量只能得到某一位置的辐照度峰值，而无法说明沿轨迹的积分值。

第三个错误结论是将灯的电功率等同于作用点处的光学剂量。制造商给出的笼统参数无法替代实际测量。已有文献记录表明，部分紫外C LED型号在大约最初100 h运行时间内会降至初始值的50%～70%，而R70寿命则因型号不同从1000 h到超过10,000 h不等。若产线以运行时间而非剂量为依据运行，就会在此期间内偏离规格。相关基础知识请参见紫外灯与紫外LED的老化。

第四个错误结论是忽略了曲面工件上的入射角。当入射角相对于表面法线为60°时，与相同距离下的垂直入射相比，只有50%的辐照度仍然有效。

第五个错误在于测量系统的采样率过低。以128 samples/s采样的记录仪无法分辨仅持续几毫秒的经过过程，从而低估峰值。

最后，人们往往低估了插入式传感器本身对工艺的干扰。已有记录表明，在13 mm距离处，能量损失为4.83%，峰值辐照度下降13.85%。安装在法兰上的传感器所看到的几何关系也未必与工件相同：它相对于光斑的位置不同，相对于表面法线的方向也不同。

这三个量以乘积方式相互作用，且部分相互抵消，这就是为什么路径规划中的错误无法通过提高功率来弥补。

对于远场中足够小的光源，距离按平方反比定律起作用：工作距离加倍会使辐照度降至四分之一。对于大面积发光体或聚焦光学系统，这一近似不再成立；此时必须通过测量或光学仿真确定分布。实际中这意味着：如果路径经过一处凸起使距离从20 mm增大到40 mm，该处的辐照度会损失四分之三，而光源本身并未发生任何变化。

入射角通过余弦定律起作用。在机器人引导的工艺中，这是最常被忽视的因素，因为路径通常是为避免碰撞和可达性而优化的，而不是为了与表面法线对齐。

路径速度通过停留时间对剂量产生线性影响。速度减半会使辐照量加倍——但效果未必如此，因为倒易律仅在一定范围内成立。

规范波段、传感器波段、制造商波段

在评估测量值时，必须区分三种"波段"概念。它们在数据手册中看起来相同，但含义各异。

规范波段是标准化的波段界限。这里存在相互竞争的定义：CIE将UV-A定义为315～400 nm，而ISO 20473将其定义为315～380 nm。因此，使用385 nm LED的工艺是否属于UV-A波段，取决于所引用的标准。

传感器波段是所用测量头实际校准的光谱响应度S(λ)。传感器电流由i = ∫ E(λ) · S(λ) dλ得出。因此，每个测量值仅在与其校准所用的传感器波段及光源相结合时才有效。将同一传感器用于不同光源会产生光谱失配。由此引起的偏差已有记录，为9～91%，其中在385 nm处的低估达65%。相关背景见紫外传感器的光谱失配。测量头如何得出读数见紫外传感器工作原理。

制造商波段是数据手册中的条目，例如"UV-A 320～390 nm"。这是一种描述，而非校准。如果两个传感器在波段内的响应曲线不同，即使其波段规格相同，在同一LED上也可能得出不同的数值。

由此可得出适用于机器人应用的实用规则：随行记录仪与固定监测传感器必须针对同一光谱分辨基准进行校准，否则路径验证与持续监测将无法相互关联。

假设条件：位于工具中心点的紫外LED光斑在工作距离处、法向入射条件下产生的辐照度为 E₀ = 3 W/cm²。光斑沿运动方向的范围为 b = 10 mm，路径速度 v = 300 mm/s。在所考察的区段内，表面平坦且受到垂直辐照。

辐照度换算：3 W/cm² = 30,000 W/m²。辐照度、剂量与光子通量之间的换算可通过紫外工具完成。

通过时间：t_d = 10 mm / 300 mm/s = 0.0333 s。

辐照量：H = 30,000 W/m² · 0.0333 s = 1,000 J/m² = 100 mJ/cm²。

在同一路径上的一段曲面处，辐射以 θ = 60° 的角度入射。此处 H = 1,000 J/m² · cos 60° = 500 J/m² = 50 mJ/cm²——仅为原值的一半，而光源或速度并未发生任何变化。若距离进一步从 20 mm 增至 30 mm，还需乘以系数 (20/30)² = 0.44：剩余 220 J/m²，即平坦区段剂量的 22%。

由此可见，在 t_d = 33.3 ms 内，采样率为 128 samples/s 的记录仪大约只能获得四个采样点。这足以粗略积分出剂量，但无法捕捉峰值辐照度或前沿波形。

若仅以峰值辐照度与周期时间的简单乘积进行估算，本例中会得出完全错误的设计结论：不仅会将剂量高估数个数量级，还会掩盖一个事实——工件表面某一区域所接收的剂量仅为基准区段的五分之一。

粘接与密封。机器人分配粘合剂或密封剂，并直接在施用点进行固化——即在法兰上使用紫外LED点光源进行点胶固化（point-of-dispense curing）。对于原位成型密封垫（cure-in-place gaskets），液态密封材料通过手动或机器人涂覆在法兰接合面上，然后进行辐照。在测量方面，关键在于接合处的阴影区域以及朝向工艺气体一侧表面的氧阻聚效应，这会导致该处的交联度低于本体材料。详情参见紫外粘接、灌封与封装。

涂装与涂层。三维部件只有通过移动式发射源才能获得均匀辐照。机器人引导的干燥与电弧灯以600 mm/s的速度、恒定焦距工作，已在工业中确立。该恒定焦距并非便利性设计，而是防止平方反比定律成为误差来源的必要条件。

电子与光学。协作机器人辅助的封装、板上芯片（chip-on-board）灌封和长丝缠绕工艺涉及微小接合部位和极高辐照度。此处可重复性至关重要，因为已封装部件事后已无法再进行检查。

增材制造。配备紫外固化末端执行器的机器人手臂将3D打印扩展到非平面路径、原位后固化以及大型部件的修复。已有文献记录了使用协作机器人系统的末端执行器进行紫外固化形状记忆聚合物3D打印。更多资料参见增材制造与3D打印。

消毒机器人。移动式UVC机器人在医院、交通枢纽及制药生产中对房间进行终末消毒；机械手可处理三维表面和器械。此处的测量任务尤为明确，因为必须针对限值证明每个表面单元的辐照量，而遮挡结构性地导致剂量不足。基础知识参见紫外消毒。

检测。机器人上的紫外荧光检测用于检查胶条和密封剂痕迹、检测裂纹并验证涂层缺口。机器视觉中实现可重复灰度值的前提是激发辐照度恒定：若激发发生漂移，阈值也会漂移，检测判定就会发生偏移，而部件本身并未发生任何变化。更多内容参见荧光检测与工业检测。

表面预处理。机器人引导的UVC/臭氧活化在粘接前进行，使用185 nm和254 nm谱线。工作距离与臭氧管理决定处理效果。

阴影效应。凹槽、孔洞和圆角焊缝在结构上获得的剂量较低。简单地提高功率这一直觉反应并无帮助，因为几何形状上无法照射到被遮挡区域——这只会使已照射区域过度固化。真正有效的做法是多面辐照、重新装夹或以改变的方向进行第二次照射，以及可从多个方向同时照射的模块化定制解决方案。始终存在的问题是圆角处实际到达的剂量究竟是多少——这只能通过在该几何位置放置传感器来解答，而无法通过对自由表面的计算得出。

无防护罩的协作机器人运行。一旦防护装置被移除，评估重点便从机器安全转向光生物辐射暴露评估。除2025年修订版的EN ISO 10218-1/-2以及适用于协作运行的ISO/TS 15066外，还需适用按风险组分类的EN/IEC 62471和IEC/TR 62471-2，以及涉及工作场所暴露的2006/25/EC指令及德国OStrV和TROS IOS。这在实践中意味着紫外光源必须具备安全等级的关断能力。因此，符合EN ISO 13849-1标准、性能等级达e级（第4类）以及符合IEC 61508标准SIL 3等级的控制单元，并非附加配件，而是产线单元安全理念的组成部分。对于UV-C，IEC TR 63381提供了补充指导。延伸阅读：职业安全与光生物安全。

改造升级。在现有产线单元中，安装空间是固定的。此时通过导光装置将光源与作用点分离十分有用，因为只有导光装置移动，而外壳始终位于运动轴之外。对于持续监测，宜采用外形低矮且接口与控制器现有通信协议兼容的传感器——模拟量可采用0～10 V或4～20 mA，数字量可通过RS-232、RS-485或USB，联网则可通过PoE和Modbus TCP/IP。需要注意的是，插入的传感器会改变工艺过程；在13 mm距离处记录到的4.83%能量损失必须在其定位时予以考虑。

测量任务分为三个阶段，每个阶段都需要不同的仪器。

光谱基准表征。一切都从对光源进行光谱分辨测量开始，因为没有光谱就无法说明宽带传感器的光谱失配情况。像SR900这样覆盖200～1100 nm范围的光谱辐射计可记录曲线E(λ)，并可依据CIE 220:2016进行失配校正。工艺传感器即以此为基础进行调整。对于空间分布及路径重叠评估，则适合使用像UVpad或UVpad E这样的低轮廓光谱辐射计。

路径验证，随工件移动测量。沿轨迹的剂量由随行记录仪记录。curelog和curelog Base可沿路径提供高分辨率剂量测量；tinyTracker体积小巧，可安装于狭小的夹具和夹爪中。对于作用点处极高的辐照度，紫外固化传感器XT提供XTR型（配硬性握柄）和XTF型（配柔性导光管）两种规格。选型的关键标准是采样率与路径速度之间的关系。

持续监测与控制。在生产单元中，低轮廓的内联传感器、通过PoE和Modbus TCP/IP连接的PLC.net、通过RS-232、RS-485或USB连接的PLC.D，以及带0～10 V或4～20 mA输出的模拟PLC传感器，均可对运行进行持续监测。 

而这一切之上，最重要的是计量溯源性。校准不确定度通常为4.5～6.0%（k = 2）；在温度较高的生产单元中，须考虑−0.8%/K至+0.4%/K的温度系数。相关基础知识与证明详见校准实验室、辐射度量学量、紫外测量仪的校准周期以及紫外测量系统的能力评估。相关法规汇总于紫外领域的指南、标准与规范；在机器集成方面，IO-Link和OPC UA是常见的实现途径。

ASME IMECE 2009，《Control of a Robotic UV Curing Process With Thermal Vision Feedback Through Two IR Cameras》。该研究借助两台红外相机为机器人紫外固化过程构建了闭环控制。其中对实践最重要的发现并不在于控制本身：目标表面上的辐照度分布对相对几何配置的敏感程度高于对光源辐射强度的敏感程度。因此，凡是试图以更高功率来弥补不利路径的做法，都是在与主导效应背道而驰。

arXiv 2507.11270，《Development of an Autonomous Mobile Robotic System for Efficient and Precise Disinfection》。作者通过 OctoMap 与末端执行器位姿将表面重建为三维点云，并将其用于路径规划和剂量估算。验证工作在 20、30 和 40 cm 处使用测量仪器完成；测量值与模型之间的最大偏差处于所用 UV-C 传感器 10% 测量公差范围之内。其数量级值得关注：模型不确定度本身就处于测量不确定度的范围之内——这使测量仍然是基准参考点。

IEEE，文献编号 9335055，《UV-C Mobile Robots with Optimized Path Planning》。为改善表面消毒效果而进行的算法设计与现场测量。该研究表明，若没有配套的现场测量，路径优化并不可靠。

JPMDP，Robotics and Autonomous Systems。针对 UV-C 机器人系统的三维表面消毒，对基座位置与多配置路径规划进行联合优化。对实践的意义在于：机器人工作时所处的位置本身就是一项辐射度量层面的决策。

arXiv 2104.10739，《Surface Disinfection using Ultraviolet Light with a Mobile Manipulation Robot》。为避免碰撞，路径保持约 30 cm 的恒定距离；紫外剂量计记录实际接收的剂量。此处恒定距离同时实现两个目的——安全性与辐射度量上的明确定义。

arXiv 2108.10810。用于与协作机器人系统配合、对紫外可固化形状记忆聚合物进行三维打印的末端执行器的设计与集成。

其他使用了 Opsytec 测量设备的研究工作汇总于客户出版物。

为什么在静止状态下的单点测量不足以评估移动机器人路径？

单点测量给出的是工具静止时某一位置的辐照度。然而，工艺变量是表面单元在经过过程中所接收的辐照量（单位为J/m²）。它是沿路径的积分结果，其中距离、入射角和停留时间都在持续变化。因此，只有沿实际运动轨迹进行的移动剂量测量才是可靠的。

剂量如何取决于路径速度？

表面单元在光斑内的停留时间与路径速度成反比，因此剂量与速度的倒数成线性关系。速度减半，辐照量将加倍。但该效应不一定恰好加倍，因为倒易律仅在一定范围内成立。此外还需注意，在加速和制动阶段无法达到设定的编程速度。

405 nm是否仍属于紫外线？

这取决于所引用的定义。CIE将UV-A限定为315～400 nm，ISO 20473则限定为315～380 nm。按这两种定义，405 nm均超出UV-A波段，属于可见光范围，但在固化技术中它仍被视为紫外波长。测量中真正重要的不是名称，而是传感器的响应波段是否覆盖了所校准的波长。

在机器人上何时使用宽波段传感器即可满足要求？

若光源和光谱保持不变，且传感器已针对该光源使用光谱分辨参考进行了调整，则宽波段传感器足以用于持续监测。但在光源发生变化、LED波长改变后，或需要给出绝对数值时，宽波段传感器并不适用：光谱失配会导致9%至91%的已记录偏差。

移动记录仪需要多高的采样率？

经过时间取决于光斑范围除以路径速度。以10 mm光斑和300 mm/s速度计算，经过时间为33 ms。确定剂量只需少量采样点即可；但若要捕捉峰值辐照度和边缘形状，则应力求至少10个采样点。在此示例中，采样率为128次/秒的系统仅能采集约4个数据点。

配备开放式紫外光源的协作机器人是否需要防护罩？

不一定，但评估方式会有所不同：若无防护罩，则除EN ISO 10218和ISO/TS 15066外，还需依据EN/IEC 62471进行光生物学暴露评估，并适用指令2006/25/EC以及德国OStrV和TROS IOS的相关规定。此时紫外光源必须具备安全等级停机能力——具备高达性能等级e（第4类别）和SIL 3的控制单元，是安全概念的一部分，而非附加配置。

机器人路径如何针对紫外线消毒进行验证？

验证依据是每个表面单元所接受的辐照量，而非经过时间。实践证明，有效的方法是将剂量计布置在具有代表性的位置以及不利位置（尤其是阴影区域），并结合对光源的光谱确证特性分析。已发表的研究表明，建模剂量的偏差可控制在UV-C传感器10%的测量容差范围内；测量结果始终是参考基准。

为什么紫外测量系统必须经过可溯源的校准？

因为没有计量溯源性就无法进行比较——无论是同一生产单元验收与再确认之间的比较，还是两个场地之间的比较。校准不确定度通常为4.5%至6.0%（k = 2），这决定了可断言结果的极限。此外，传感器漂移及从−0.8%/K到+0.4%/K的温度系数，使得设定校准间隔也变得必要。

在自动化生产单元中如何监测紫外工艺？

生产单元中的测量在两个位置进行。固定安装的传感器负责监测光源的漂移和故障；随工件一起移动的记录仪则记录实际施加于运动部件上的剂量。原因在于几何关系：沿路径，距离、入射角和停留时间都在持续变化。以600 mm/s的速度、保持恒定焦距的机器人引导辐照方式已在工业中得到确立。

• 自动化与工艺集成——同一任务的固定式一侧：内联传感器、PLC连接、PWM测量以及在传送带和连续生产线上的改造。
• 紫外粘接、灌封与封装——机器人引导固化中的胶粘剂与灌封一侧，涉及氧抑制与接缝几何形状。
• 紫外消毒——所有消毒机器人技术所依据的辐照量、对数减少值与验证方法。
• 职业安全与光生物安全——风险组、暴露限值以及在协作作业中对开放光源的评估。
• 荧光检测与工业检测——机器人上紫外视觉的激发一侧以及检测阈值的稳定性。
• 增材制造与3D打印——非平面路径、每层剂量以及大型部件的后固化。

完整内容请参见紫外应用概览。

不确定沿机器人路径的剂量是否真正达到各处——还是法兰处的读数只能代表该部件？我们与您一起审查路径验证、传感器选型和剂量控制，如有疑问则进行实测。欢迎联系我们。

Dr Mark Paravia
总经理兼校准实验室负责人
Opsytec Dr. Gröbel GmbH，德国埃特林根
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