陳勃琛 郭廣廓 董成舉 張曉露

綜述

工業(yè)機器人性能測試技術(shù)發(fā)展綜述*

陳勃琛1郭廣廓1董成舉1張曉露2

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所/廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 511370 2.西安賽寶工業(yè)技術(shù)研究院有限公司，陜西 西安 710000）

工業(yè)機器人是推動智能制造轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵設(shè)備，其使用越來越廣泛。我國的機器人產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，但大而不強。性能是機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要瓶頸，國內(nèi)外已經(jīng)開展了較多的相關(guān)研究。本文就工業(yè)機器人關(guān)鍵整機性能參數(shù)的測試方法、設(shè)備以及關(guān)鍵成果的相關(guān)文獻進行綜述，指出制約工業(yè)機器人性能測試技術(shù)發(fā)展的主要問題，并對其應(yīng)用前景進行展望。

工業(yè)機器人；性能測試；激光跟蹤儀

0 引言

隨著社會發(fā)展和經(jīng)濟進步，智能化已成為制造業(yè)發(fā)展的一個重要趨勢[1-3]。工業(yè)機器人作為制造業(yè)智能化的通用機械裝備，對實現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要意義。根據(jù)中國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告（2021）的數(shù)據(jù)，2021年全球工業(yè)機器人市場規(guī)模達335.8億美元，從2016年到2021年，平均年增長率為11.5%；2021年國內(nèi)工業(yè)機器人市場規(guī)模約為839億元[4]。

雖然工業(yè)機器人應(yīng)用越來越廣泛，但國內(nèi)工業(yè)機器人技術(shù)相對國外先進水平還存在較大差距，特別在性能方面。工業(yè)機器人性能測試對特定應(yīng)用場景合理使用機器人以及提高機器人性能都有重要意義。

1 工業(yè)機器人性能測試指標體系

工業(yè)機器人性能測試指標體系可指導(dǎo)工業(yè)機器人的設(shè)計、制造、使用和測試等工作[1]，對工業(yè)機器人的性能評估以及故障診斷具有重要作用，因此建立一套行之有效的測試指標體系意義重大。

近幾年，我國頒布了很多工業(yè)機器人相關(guān)的國家標準及行業(yè)標準[5]，但工業(yè)機器人性能測試指標體系建設(shè)比較落后，目前基本采用國外標準，國內(nèi)的相關(guān)研究尚在起步階段。

工業(yè)機器人性能測試指標體系主要包括整機性能指標測試和關(guān)鍵部件性能指標測試。

1.1 整機性能指標測試

工業(yè)機器人是一種復(fù)雜且集成度較高的機電產(chǎn)品，其整機性能指標測試主要依據(jù)GB/T 12642—2013《工業(yè)機器人性能規(guī)范及其試驗方法》（等同采用ISO 9283—1998）和JB/T 10825—2008《工業(yè)機器人產(chǎn)品驗收實施規(guī)范》等標準進行?！豆I(yè)機器人性能規(guī)范及其試驗方法》規(guī)定了位姿準確度和位姿重復(fù)性、多方向位姿準確度變動、距離準確度和距離重復(fù)性、位置穩(wěn)定時間、位置超調(diào)量、位姿準確度漂移、位姿重復(fù)性漂移、互換性等10余項通用性能指標和1項針對焊接機器人的專用性能指標?！豆I(yè)機器人產(chǎn)品驗收實施規(guī)范》中給出了動作檢驗、工作空間檢驗等通用性能指標和絕緣電阻檢驗、耐壓檢驗等安全性能指標。

1.2 關(guān)鍵部件性能指標測試

工業(yè)機器人關(guān)鍵部件性能指標測試主要包括精密減速器和伺服電機的測試。精密減速器性能指標測試主要依據(jù)GB/T 14118—1993《諧波傳動減速器》、GB/T 30819—2014《機器人用諧波齒輪減速器》和GB/T 35089《機器人用精密齒輪傳動裝置試驗方法》，性能指標主要有啟動轉(zhuǎn)矩、扭轉(zhuǎn)剛度、背隙、空程、傳動誤差、空載摩擦轉(zhuǎn)矩等。伺服電機性能指標測試主要依據(jù)GB/T 30549—2014 《永磁交流伺服電動機 通用技術(shù)條件》和JB/T 11991—2014《工業(yè)機械數(shù)字控制系統(tǒng)用交流伺服電動機》等標準，性能指標主要有電機轉(zhuǎn)矩特性及效率、溫升、噪聲、振動等。

工業(yè)機器人整機及關(guān)鍵部件的性能測試指標較多，本文主要分析工業(yè)機器人整機性能測試研究進展。

1.3 工業(yè)機器人整機關(guān)鍵性能指標測試方法

根據(jù)GB/T 12642—2013《工業(yè)機器人性能規(guī)范及其試驗方法》規(guī)定，位姿準確度和位姿重復(fù)性是關(guān)鍵指標。

位姿準確度是機器人末端的指令位姿與實到位姿的平均值之差，分為位置準確度和姿態(tài)準確度。

姿態(tài)準確度計算公式為

式中：

x、y、z、a、b、c——重復(fù)次運動后機器人末端位置姿態(tài)坐標的平均值。

位姿重復(fù)性是指在同一指令位姿條件下，機器人從同一方向重復(fù)次運動時，實到位姿的一致程度，分為位置重復(fù)性和姿態(tài)重復(fù)性。

位置重復(fù)性計算公式為

式中：

姿態(tài)重復(fù)性計算公式為

式中：

目前，工業(yè)機器人位姿準確度和位姿重復(fù)性一般在μm級，常規(guī)的測試設(shè)備無法滿足精度要求。早期測試方法與測試設(shè)備不發(fā)達，一般利用千分尺等工具手動測量，測試過程繁瑣且結(jié)果可信度低。目前，工業(yè)機器人整機性能測試設(shè)備主要有三坐標測量儀、球桿儀、經(jīng)緯儀、激光跟蹤儀等。

三坐標測量儀采用3個相互垂直的測量軸組成一個笛卡爾空間直角坐標系，將機器人相對位置關(guān)系的測量轉(zhuǎn)化為機器人單點或點集的三維坐標測量。三坐標測量儀具有精密的機械運動結(jié)構(gòu)，是一種高效率、高精度的測量設(shè)備，但無法在運動狀態(tài)下直接測量，只能在靜止狀態(tài)下完成位姿測量。

球桿儀通過內(nèi)部的徑向距離線性傳感器測得機器人末端執(zhí)行器與其工作空間內(nèi)的某一固定點之間的距離。

經(jīng)緯儀測量方位角和俯仰角，根據(jù)基線的標定結(jié)果，解算被測點的坐標。經(jīng)緯儀只能在靜止狀態(tài)下完成位姿測量，設(shè)備成本較高。

激光跟蹤儀是由激光干涉儀發(fā)展起來的一種空間測量系統(tǒng)，是激光干涉儀應(yīng)用的延伸。在工業(yè)機器人性能測試時，首先，對機器人的運動軌跡進行編程，使機器人在特定空間以特定的軌跡重復(fù)運動；然后，機器人在運動過程中特定的指令點停留，激光跟蹤儀通過安裝在機器人末端的位姿傳感器采集機器人在這些點的實到位姿；最后，通過分析計算得到相應(yīng)的性能參數(shù)。

與激光跟蹤儀相比，三坐標測量儀測量精度高，但測量范圍小；球桿儀便攜性好，測量靈活，但測量范圍有限；經(jīng)緯儀系統(tǒng)復(fù)雜，測量結(jié)果與觀測水平相關(guān)，自動化程度低。綜上所述，激光跟蹤儀測量范圍大、精度高、速度快，操作方便，應(yīng)用范圍廣。

2 國外研究現(xiàn)狀

國外工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展較早，其性能測試技術(shù)的研究也較早。

1986年美國LAU K等人[6]利用激光跟蹤儀進行機器人的位置準確度和重復(fù)性研究，并提出利用激光跟蹤儀進行校準的方法。

1990年VAN BRUSSEL等人[7]提出精確的運動模型對機器人離線編程非常重要，并指出機器人連桿制造誤差、機械臂剛度彈性、編碼器分辨率等都會導(dǎo)致機器人運動誤差。

2000年YONG K等人[8]指出離線編程機器人的精度較差，利用激光干涉儀對Cloos Romat 310、ABB IRB 6400S和KUKA KR125三個型號的機器人，在空載條件下軸和軸方向的線性位置誤差和直線度進行測試。結(jié)果顯示，ABB IRB 6400較另外2個型號機器人精度更高，且在整個工作空間精度分布也更穩(wěn)定。

2001年YONG K等人[9]對FANUC Hexapod的Flextool-100和Flextool-200機器人進行精度測試，指出兩代機器人都具有較好的運動精度，但Flextool-200機器人的機械設(shè)計和控制精度都更優(yōu)異。

2008年ISMAIL A R等人[10]利用激光干涉儀對FANUC ARC Mate機器人，在不同負載和不同工作位置的準確度和重復(fù)性進行測試，并對測得數(shù)據(jù)進行分析，研究位置準確度和重復(fù)性與負載的關(guān)系，擬合得到線性關(guān)系式。

2011年OH Y T[11]利用12 mm數(shù)字位移傳感器的球桿儀對多關(guān)節(jié)機器人的位置準確度進行測試，并提出提高準確度的方法。

2012年MOHAMED S等人[12]按照ISO 9283分別利用激光跟蹤儀、激光干涉儀和球桿儀對ABB IRB1600機器人，在不同運動速度下的運動精度進行測試分析，發(fā)現(xiàn)機器人從靜止狀態(tài)開始測試比在短暫運動熱身后測試單向位置重復(fù)性更好，且測試斜面中心的重復(fù)性較邊界區(qū)域的重復(fù)性好。同時，指出激光干涉儀可用來測試機器人直線路徑的線性誤差以及與運動軌跡正交的軸轉(zhuǎn)角誤差，但成本昂貴。綜合考慮成本和測試精度，球桿儀是較好的選擇。

2012年CIMPOERU I[13]將機器人的性能分為作業(yè)性能、與人相關(guān)性能和環(huán)境相關(guān)性能，并研究3D測試設(shè)備、固定基準設(shè)備以及Cassino跟蹤系統(tǒng)等性能測試方法。

2017年MOROZOV M等人[14]利用激光跟蹤儀對KUKA KR5機器人的位姿和不同運動速度下的動態(tài)軌跡準確度分別進行研究。為得到機器人整個工作空間的位置準確度，設(shè)計了新試驗，研究機器人局部位置準確度和機器人工作空間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在軸和軸方向位置準確度存在明顯循環(huán)。

2018年P(guān)ACZEK M等人[15]提出運動準確度是機器人使用的最大問題，利用Faro Vantage對KUKA KR16-2機器人的位置準確度和重復(fù)性進行測試，研究在邊長為200、600和1 000 mm的正立方體空間下，不同的運動路徑和運動參數(shù)對機器人運動準確度的影響，并將離線編程和在Robcad虛擬運行環(huán)境編程條件下的機器人運動準確度和重復(fù)性進行對比。結(jié)果表明，虛擬運行環(huán)境編程條件下可以更好地保證機器人的準確度。

校準是提高機器人性能的重要方法。通過性能測試可獲得機器人誤差來源；通過機器人運動模型和補償算法可對機器人的關(guān)節(jié)參數(shù)、減速比等參數(shù)進行補償，提高機器人運行精度。目前已經(jīng)有較多的校準方法被提出[16-17]。

綜上所述，國外從80年代就開始了工業(yè)機器人性能測試技術(shù)的研究并形成了多種測量方法。常采用激光跟蹤儀、激光干涉儀和球桿儀等測試設(shè)備對工業(yè)機器人進行多點測量，并通過對比不同工況的測試數(shù)據(jù)，分析機器人的運動性能。近年來，利用計算機圖形學和矩陣變換，結(jié)合CAD技術(shù)和圖形顯示技術(shù)，對機器人末端復(fù)雜運動軌跡進行離線仿真，可快速完成工業(yè)機器人的精度分析。同時，機器人仿真技術(shù)在機器人離線編程及機器人軌跡仿真方面的應(yīng)用已成為研究熱點之一，受到越來越多的關(guān)注。

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)關(guān)于機器人性能測試技術(shù)的研究相對較晚。

1992年楊志超等人[18]對位姿精度和位姿重復(fù)性的計算方法進行分析，并設(shè)計一種由特定的測試框和測試塊組成的測試裝置，利用該裝置可得到機器人位姿重復(fù)性誤差，但該裝置自身準確度無法保證。

2000年陳虹等人[19]提出一種機械隨動式機器人性能測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用DH算法進行數(shù)據(jù)分析計算，可獲得相應(yīng)的位置誤差。同時，分析了該系統(tǒng)的測試分辨率以及測量不確定度。該測試系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但測試精度較差。

2010年蔡廣宇等人[20]實際測量弧焊機器人的運動軌跡，并以最小二乘法擬合得到軌跡直線方程，計算得到弧焊機器人直線軌跡的位置準確度、方向準確度和重復(fù)精度。

2017年張鑫龍等人[21]利用單激光跟蹤干涉儀對碼垛機器人進行位置精度的測試和分析。利用干涉儀測得距離數(shù)據(jù)換算得到機器人末端位置；利用安裝在機器人末端的固定跟蹤系統(tǒng)得到機器人的方位角，從而得到機器人末端位姿。

2017年張曦等人[22]提出機器人性能測試標準存在門限帶設(shè)置不明確、數(shù)據(jù)冗余等問題并給出建議；利用LRD840激光跟蹤儀對SR50機器人的幾何性能進行測試，并開發(fā)機器人精度測試軟件進行數(shù)據(jù)處理。

2018年麥麗菊等人[23]以激光跟蹤儀為對比儀器，對機器人重復(fù)精度測試系統(tǒng)進行了期間核查研究。以激光跟蹤儀測量值為指定值，將被核查儀器的測量結(jié)果與指定值進行對比，通過指標來判斷設(shè)備核查結(jié)果是否符合要求。此外，還對機器人重復(fù)精度測試系統(tǒng)的測量不確定度進行分析。

2019年王茂林等人[24]對激光跟蹤儀測試法、基于拉線位移傳感器測試法、視覺測試法和試驗探頭法等多種機器人性能測試方法進行分析，認為激光跟蹤儀測試法綜合性能更好。同時，選取激光跟蹤儀測試法對機器人進行測試，研究速度、負載和空間位置等因素對機器人位姿準確度、位姿重復(fù)性和軌跡準確度等性能參數(shù)的影響。

2020年董成舉等人[25]利用蒙特卡洛方法得到機器人的工作空間，并把最大工作空間劃分為多個工作域，利用激光跟蹤儀測試方法得到機器人在各工作域的性能參數(shù)，從而得到機器人位置準確度和位置重復(fù)性在工作空間內(nèi)的分布，指導(dǎo)機器人應(yīng)用于相應(yīng)的工況。

綜上所述，國外的工業(yè)機器人精度評估和性能測試技術(shù)較成熟，但其測試設(shè)備價格昂貴。國內(nèi)工業(yè)機器人性能研究以測試性能參數(shù)為主，整體技術(shù)水平落后于國外的研究水平。當前國內(nèi)工業(yè)機器人的技術(shù)發(fā)展水平與實際應(yīng)用需求之間的矛盾依然突出，工業(yè)機器人性能測試及提升方法的研究具有重要的價值和廣闊的應(yīng)用前景。

4 問題與展望

4.1 存在的問題

國外對機器人性能的相關(guān)研究開展較早，早期研究主要集中于機器人性能測試后的定性分析，后期逐漸開展機器人性能影響因素的定量分析，及對如何提高機器人性能參數(shù)研究。國內(nèi)對機器人性能的相關(guān)研究以性能測試為主，近年來開始研究性能參數(shù)對機器人使用工況的影響。

通過以上文獻可以看出，國內(nèi)仍然缺乏低成本、高精度的測試設(shè)備，這是制約機器人性能測試技術(shù)發(fā)展的主要問題。此外，對機器人性能進行實時測試與補償?shù)难芯枯^少。

4.2 未來展望

機器人性能測試對于機器人的應(yīng)用意義重大，測試的目的是為了提高機器人本身的性能，因此以后需要更關(guān)注機器人性能參數(shù)與影響因素的定量關(guān)系，通過影響因素分析找到更加便捷、經(jīng)濟的提升機器人性能的方法。

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Review of the Progress in the Performance Test of Industrial Robots

CHEN Bochen1GUO Cuangkuo1DONG Chengju1ZHANG Xiaolu2

(1.The Fifth Institute of Electronics, Ministry of Industry and Information Technology/Guangdong Provincial Key Laboratory of Electronic Information Products Reliability Technology, Guangzhou 511370, China 2.Xi’an Saibao Industrial Technology Research Institute Co., Ltd. Xi’an 710000, China)

Industrial robot is the key equipment to promote the transformation and upgrading of intelligent manufacturing, and it is used more and more widely. China's robot industry is booming, but it is large but not strong. Performance is an important bottleneck in the development of robot industry, and more related research has been carried out at home and abroad. This paper summarizes the relevant literature on the testing methods, equipment and key achievements of the key performance parameters of industrial robots, points out the main problems restricting the development of industrial robot performance testing technology, and looks forward to its application prospect.

industrial robot; performance test; laser tracker

陜西省重點研發(fā)計劃項目（2021GY-335）；工業(yè)和信息化部電子第五研究所專項基金項目（21Z02）。

陳勃琛,郭廣廓,董成舉,等.工業(yè)機器人性能測試技術(shù)發(fā)展綜述[J].自動化與信息工程, 2022,43(1):20-24,48.

CHEN Bochen, GUO Cuangkuo, DONG Chengju, et al. Review of the progress in the performance test of industrial robots[J]. Automation & Information Engineering, 2022,43(1):20-24,48.

陳勃琛，女，1986年生，碩士，工程師，主要研究方向：機器人測試與評價、可靠性技術(shù)。E-mail: 48432468@qq.com

郭廣廓，男，1988年生，碩士，工程師，主要研究方向：機器人測試與評價技術(shù)。E-mail: ft4620877@126.com

董成舉（通信作者），男，1991年生，碩士，工程師，主要研究方向：機器人測試與評價技術(shù)。E-mail: dongchengju@126.com

張曉露，女，1991年生，碩士，工程師，主要研究方向：可靠性評價。E-mail: 876422517@qq.com

TP242.2

A

1674-2605(2022)01-0004-06

10.3969/j.issn.1674-2605.2022.01.004