協作機器人整機性能評價體系及測試方法

山天涯 張廣志

摘 要：協作機器人近年來成為資本市場在機器人領域的投資新寵。本文結合國家標準，綜合考慮協作機器人的結構特征及工藝應用要求，建立了一套完整的協作機器人整機性能評價體系，并相應給出了具體的測試方法。對于提升我國協作機器人產品質量，促進行業健康可持續發展具有重要意義。

關鍵詞：協作機器人;整機性能評價;測試

隨著機器人技術的快速發展和產品的更新迭代，在經歷最初的被控制型單純生產工具階段后，機器人正沿著具備多種感知能力、自主決策以及與人高效交流和智能協作的方向發展。人的優勢是善于處理隨機且不確定的工作，而機器人的優勢是可以完成準確性和重復性比較高的工作，人機協作即是將兩者的優勢結合起來，共同完成一項復雜的工作。隨著生產商的大力推動，協作機器人開始從人機嚴格隔離的結構化環境走向與人類一同協作的非結構化環境。

與協作機器人的飛速發展不相匹配的是，目前對其整機性能仍未形成合理全面的評價體系，相應的對其測試方法也缺少科學系統的梳理總結。本文結合協作機器人的應用場景，參考國家標準和傳統工業機器人的測試方法，構建了協作機器人整機性能的評價體系，并在此基礎上給出了相應的測試方法，對于指導設計生產和提升協作機器人產品質量具有重要意義。

1 評價體系

目前在機器人領域我國已經出臺了很多國家標準，如GB/T 12642-2013、GB 11291.1-2011等，這些標準對工業機器人的運動性能、安全性能做出了明確的要求，針對協作機器人也發布了國標《GB/T 36008-2018 機器人與機器人裝備—協作機器人》。結合以上標準的規定，本文對協作機器人整機性能的評價體系主要從安全性能、運動性能、可靠性等幾個方面進行構建。

1.1 安全性能

協作機器人具有自由度多、運動范圍大和獨立性較強等特點，這一方面使協作機器人具有高度的靈活性，同時也使得其運動包絡范圍內的每一處都成為潛在危險區。因此對協作機器人安全性能的評估非常重要。

考慮協作機器人的運行原理和其安裝使用環境可能產生的危險，應從設計、制造，及其整個生命周期對其安全特性進行評估，確保其可能產生的危險被充分地預防或減小。考慮機器人可能對工作區內的人員造成擠壓、沖擊等傷害，應對協作機器人的機械安全進行評估;考慮機器人可能對人員造成電擊、燒傷等傷害，應對協作機器人的電氣安全進行評估;考慮機器人與安全相關的控制系統可能出現故障而導致其安全功能喪失，應對協作機器人的控制系統安全進行評估;考慮機器人可能存在讀取使用者信息、在線作業等風險，應對協作機器人的信息安全進行評估;考慮機器人的電磁干擾和抗干擾能力，應對協作機器人的電磁兼容安全進行評估。除此外，根據協作機器人的結構特性和應用場景，還應對其化學安全、生物安全、爆炸安全等多方面安全特性進行評估。

1.2 整機運動性能

協作機器人的運動性能特性直接影響其參與自動化工業生產的工作效率和產品質量。作為多軸聯動的機電耦合裝備，協作機器人的運動精度受到其結構參數誤差、伺服系統誤差、構件彈性變形等多因素的影響。從幾何定位精度的角度出發，應建立協作機器人靜態位姿精度和動態軌跡精度的評價指標;針對機器人工作空間中奇異點或奇異區域的影響，應建立協作機器人工作空間質量及靈活性的評價指標;考慮協作機器人運行過程中末端抖動對其工藝操作的影響，應建立協作機器人運動平穩性的評價指標;考慮載荷變化對協作機器人運動精度的影響，應綜合建立協作機器人負載特性的評價指標;針對其自身及環境等多種因素對機器人整機性能的影響，應建立協作機器人運行噪聲、溫升情況的評價指標;考慮協作機器人加速減速過程中的耗電量及運動優化能力，應建立協作機器人能效等級的評價指標。這些指標參數將直接影響到客戶對協作機器人產品的選型應用。

1.3 可靠性

協作機器人是由許多元器件組成的以多自由度方式運動的復雜系統，可廣泛應用于電子裝配流水線等生產效率極高的自動化制造領域，微小故障的發生也可能造成難以估量的損失。因此，協作機器人的可靠性是機器人在長期的生產中能否長期穩定運行的關鍵。而其可靠性受到設計、加工、裝配以及調試等多方面因素的影響。因此，對協作機器人可靠性的評估也顯得尤為重要。

2 測試方法

2.1安全性能測試

根據GB/T 15706-2012，對協作機器人安全性能的評估應是對其設計、制造及其整個生命周期內可能出現的風險的評估。對這些風險的識別應包含圖1中的所有方面。

協作機器人風險評估過程包括風險分析、風險評價。其中風險分析包括機器人限制的確定、危險識別和風險估計;風險分析提供了機器人風險評定所需的信息，進而最終對機器人是否需要減小風險做出判斷。風險分析后，應進行風險評價，以確定是否需要進行減小風險。如果需要減小風險，應按順序從以下三方面考慮：a） 本質安全設計;b） 安全防護或補充安全保護措施;c） 限制的改變。風險評估的目的是確定每個危險狀態或事故場景的最高風險，通常以等級、指數或分數表示被評估風險的大小。

2.2運動性能測試

對于協作機器人靜態位姿精度和動態軌跡精度參數的測量，在GB/T 12642-2013中推薦了數種測量方法，包括試驗探頭法、軌跡比較法、三邊測量法、極坐標測量法等。目前普遍采用基于極坐標測量法的激光跟蹤測量法。該方法屬于非接觸式測量，且采樣頻率高，能夠實現對協作機器人位置及姿態特性、連續軌跡特性的測量，且測量精度能夠滿足大部分協作機器人產品的應用要求。對于協作機器人工作空間質量及靈活性、以及運動平穩性的評價指標，同樣可以采用激光跟蹤法測量得出。

2.3可靠性測試

協作機器人的可靠性評價，主要有定性分析和定量評價兩種，定性評價考察協作機器人的設計和工藝是否采用成熟的技術，結構、材料的變化對可靠性的影響;定量評價主要通過可靠性試驗驗證可靠性指標，如平均無故障工作時間（MTBF）、平均修復時間（MTTR）等。GB/T 39266-2020給出了具體可操作的機器人可靠性試驗方法，可靠性試驗采用定時截尾試驗方案，結合抽樣樣品數量確定試驗時間，明確故障判據、故障統計原則和故障處理方法，依據試驗時間統計原則，最終統計得出MTBF單側置信下限。協作機器人可參考上述方法進行可靠性驗證試驗，根據自身實際使用的環境確定綜合環境應力試驗剖面。同時，對協作機器人的可靠性測試應結合運動性能測試實施，以監控分析測試過程中機器人的運動性能下降情況。這對于定位產品設計缺陷、提升產品質量具有重要意義。

3結論

協作機器人有著巨大的應用市場，但其實用化和商品化的關鍵在于它的安全性和可靠性，而其運動性能也直接影響著其工藝應用范圍和工作效率。本文從以上幾個方面出發，提出了評價協作機器人整機性能的關鍵指標參數，并相應的給出了測試方法。對于規范我國協作機器人產業健康發展，促進產品質量提升具有指導意義。

參考文獻

[1] GB/T 12642-2013 工業機器人 性能規范及其試驗方法

[2] GB 11291.1-2011 工業環境用機器人 安全要求 第1部分：機器人

[3] GB/T 36008-2018 機器人與機器人裝備 協作機器人

[4] GB/T 15706-2012 機械安全 設計通則 風險評估與風險減小

[5] GB/T 39266-2020 工業機器人機械環境可靠性要求和測試方法