山天涯 張廣志

摘 要：協(xié)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(xié)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(xié)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(xié)作機器人產品質量，促進行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

關鍵詞：協(xié)作機器人;整機性能評價;測試

隨著機器人技術的快速發(fā)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(xié)作的方向發(fā)展。人的優(yōu)勢是善于處理隨機且不確定的工作，而機器人的優(yōu)勢是可以完成準確性和重復性比較高的工作，人機協(xié)作即是將兩者的優(yōu)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(xié)作機器人開始從人機嚴格隔離的結構化環(huán)境走向與人類一同協(xié)作的非結構化環(huán)境。

與協(xié)作機器人的飛速發(fā)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(tǒng)的梳理總結。本文結合協(xié)作機器人的應用場景，參考國家標準和傳統(tǒng)工業(yè)機器人的測試方法，構建了協(xié)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(xié)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(yè)機器人的運動性能、安全性能做出了明確的要求，針對協(xié)作機器人也發(fā)布了國標《GB/T 36008-2018 機器人與機器人裝備—協(xié)作機器人》。結合以上標準的規(guī)定，本文對協(xié)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(xié)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(xié)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(qū)。因此對協(xié)作機器人安全性能的評估非常重要。

考慮協(xié)作機器人的運行原理和其安裝使用環(huán)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(qū)內的人員造成擠壓、沖擊等傷害，應對協(xié)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(xié)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(tǒng)可能出現故障而導致其安全功能喪失，應對協(xié)作機器人的控制系統(tǒng)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(yè)等風險，應對協(xié)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(xié)作機器人的電磁兼容安全進行評估。除此外，根據協(xié)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(xié)作機器人的運動性能特性直接影響其參與自動化工業(yè)生產的工作效率和產品質量。作為多軸聯(lián)動的機電耦合裝備，協(xié)作機器人的運動精度受到其結構參數誤差、伺服系統(tǒng)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(fā)，應建立協(xié)作機器人靜態(tài)位姿精度和動態(tài)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(qū)域的影響，應建立協(xié)作機器人工作空間質量及靈活性的評價指標;考慮協(xié)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(xié)作機器人運動平穩(wěn)性的評價指標;考慮載荷變化對協(xié)作機器人運動精度的影響，應綜合建立協(xié)作機器人負載特性的評價指標;針對其自身及環(huán)境等多種因素對機器人整機性能的影響，應建立協(xié)作機器人運行噪聲、溫升情況的評價指標;考慮協(xié)作機器人加速減速過程中的耗電量及運動優(yōu)化能力，應建立協(xié)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(xié)作機器人產品的選型應用。

1.3 可靠性

協(xié)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(tǒng)，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(fā)生也可能造成難以估量的損失。因此，協(xié)作機器人的可靠性是機器人在長期的生產中能否長期穩(wěn)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(xié)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(xié)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(xié)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(tài)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(xié)作機器人靜態(tài)位姿精度和動態(tài)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(xié)作機器人位置及姿態(tài)特性、連續(xù)軌跡特性的測量，且測量精度能夠滿足大部分協(xié)作機器人產品的應用要求。對于協(xié)作機器人工作空間質量及靈活性、以及運動平穩(wěn)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(xié)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(xié)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(tǒng)計原則和故障處理方法，依據試驗時間統(tǒng)計原則，最終統(tǒng)計得出MTBF單側置信下限。協(xié)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(huán)境確定綜合環(huán)境應力試驗剖面。同時，對協(xié)作機器人的可靠性測試應結合運動性能測試實施，以監(jiān)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(xié)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(fā)，提出了評價協(xié)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(guī)范我國協(xié)作機器人產業(yè)健康發(fā)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(yè)機器人 性能規(guī)范及其試驗方法

[2] GB 11291.1-2011 工業(yè)環(huán)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(xié)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(yè)機器人機械環(huán)境可靠性要求和測試方法