工業機器人梯次利用的一種評價方法

盧志斌，王海龍

（1.廣州市輕工職業技術學校，廣東 廣州 510650；2.廣東工業大學，廣東 廣州 510006）

1 背景

我國工業機器人市場規模全球第一。經過多年的發展，機器人保有量巨大。隨著時間的推移，這些機器人不可避免要進入性能減退、故障頻發直至報廢的階段。如何處置老舊機器人將成為迫切需要解決的問題。本文所述的機器人梯次利用，是指對不能完全實現設計性能但尚存工作能力的機器人進行的再利用。

機器人行業是新興行業，在國家相關文件指導下，近年來加快了各種標準制定的速度。可以預計，在不久的將來，機器人行業將擁有涵蓋機器人生產、使用、回收再利用全生命周期完整的設備管理標準體系。制定標準和規范需要科學的評價方法，本文對零件磨損變形導致關節運動性能減退的機器人進行研究，提出一種用于鑒別機器人的方法，在不對機器人進行物理修復的情況下，對可以留用在原來崗位上的機器人提出留用技術方案，對于不能留用的機器人視其具體情況做出機器人再利用的建議以及相應的技術方案。

2 基本原理

以工業機器人為例，機器人一般在相對固定的崗位和工作位置上運動，對應這些位置的關節運動范圍（轉角或導軌）載荷較大，磨損和變形會比較嚴重，容易發生工作性能下降的情況，進而導致機械故障。而其余位置由于較少使用，對應的關節運動范圍往往保留原有的性能。這就提供了一種可能，通過特定的方法把這些位置識別出來，通過改變機器人手臂的運動構形、改變機器人執行器的工作范圍、調整機器人機座安裝等措施來改變機器人關節的載荷分布，盡量使機器人在性能正常的關節活動范圍內運動，達到機器人性能修復或梯次再利用的目的。

本文所述方法基于發明專利ZL201710588049.7，基本流程見圖1。圖中”原始數據”指機器人結構參數、運動參數、關節性能減退范圍（以下稱“關節故障范圍”）的邊界。“任務定義”指定義機器人作業所需要的位置或軌跡，“性能減退區域”指機器人工作空間中對應關節故障范圍的區域。

圖1 基本流程

通過機器人運動學分析，可以識別出性能減退區域與機器人作業位置或軌跡之間的相對位置。如果兩者之間沒有交集，這些工作位置或軌跡將不會受到關節性能減退的影響。如果存在交集，首先考慮改變機器人手臂構形這個代價最小的方案；然后考慮通過移動機器人作業位置或軌跡來避開性能減退區域；在不允許改變作業位置或軌跡的場合，可以通過改變機器人機座的安裝來調整性能減退區域的位置。通過這些調整，最終使得性能減退區域脫離機器人作業位置或軌跡，機器人可以留用在原來的崗位上。通過調整無法留用的機器人將進入梯次利用階段。

3 機器人運動性能修復案例

學校實驗室收到了一批企業捐贈的機器人，發現某些機器人存在運動性能下降的情況，不能正常使用。為了方便高效的執行圖1所示的評價流程，作者開發了專門的軟件工具。以其中一臺六軸關節型機器人為例，對應第二關節0～5度范圍內出現比較嚴重的抖動現象，對應第三關節20～30度范圍內的運動精度也顯著下降。該機器人的機構簡圖見圖2粗實線，從機座開始向手末方向給各關節編號為J1～J6；關節故障角度范圍見圖2中標注的位置。

圖2 機器人機構簡圖和故障角度范圍

把機器人的結構參數、運動參數、關節故障角度、機座安裝方式、執行器的期望工作范圍輸入軟件，計算機屏幕顯示如圖3左邊所示圖形。其中點圓表示機器人活動空間，黑色實心圖形對應關節J2故障角度范圍的性能減退區域，灰色實心圖形對應關節J3故障角度范圍的性能減退區域；粗實線圓周內是機器人手末執行器在執行工作任務的時候需要到達的位置，該位置與性能減退區域有交集，工作性能將受到影響。

由于機器人要用于不同類型的實驗和實訓教學，不可能規定其運動構形；由于該機器人左邊放置著工具柜，也沒有改變執行器工作位置的空間；最后采用改變機座安裝位置的方案，機器人原地轉180度安裝，性能減退區域的位置發生改變，脫離了工作位置，見圖3右邊。

圖3 通過改變機器人機座的安裝修復機器人工作性能

4 機器人梯次利用的評價流程

由于上述方法在執行的過程中明確定義了受檢機器人性能減退區域的位置，除了能夠判定機器人能否留用，對于不能留用的機器人也給出了其能夠適應的作業環境。針對關節機械故障的機器人，在不進行物理修復情況下進行梯次利用的評價流程見圖4。其中“機器人描述”和“工作位置描述”對應圖1的“機器人定義”和“任務定義”；“專利所載技術方法”對應圖1的流程；“處理結果”包括能否留用的結論、機器人運動構型的調整方案、執行器工作位置范圍或軌跡的調整方案、機座安裝位置和姿態的調整方案等技術信息；“約束條件”包括但不限于設備生命周期費用和利潤的預算、機器人其他指標條件、技術和市場的約束、標準和法規的要求；“約束條件”作用于“處理結果”產生評價流程的輸出，對于適合留用的機器人給予留用技術指導，對于不適合留用在原崗位但條件較好的機器人給予工作調動技術指導，對于綜合條件較差的機器人給予降級使用技術指導，對于難以再利用的機器人給予退役的建議。

圖4 機器人梯次利用評價流程

5 結語

零件磨損變形導致關節運動性能減退是老舊機器人的常見病。由于不少機器人關節關鍵零部件依賴進口，機械故障的修復成本很高。當故障發生時，機器人用戶往往陷于左右為難的境地。如果缺少科學規范的指導，很難避免盲目報廢造成的浪費。

本文提供了一種定量評價方法，在機器人工作空間剔除性能減退區域后，對機器人的工作能力進行重新評估，能夠有效延長機器人工作壽命，實現設備生命周期的利潤最大化。同時方便制定相關標準來規范機器人降級和退役的決策，避免社會資源的浪費。