IEC 62849 家用移動機器人性能評估方法國際標準技術內容及修訂方向淺析

吳蒙 瞿衛(wèi)新 王琨

（1.中國家用電器研究院 北京 100037；2.海博（蘇州）機器人科技有限公司 蘇州 215131）

機器人集現(xiàn)代制造技術、新型材料技術和信息控制技術為一體，是智能制造的代表性產(chǎn)品，其研發(fā)、制造和應用已經(jīng)成為衡量一個國家科技創(chuàng)新和制造業(yè)水平的重要標志，引起了世界制造強國的高度重視。2015 年5 月國務院發(fā)布的國家行動綱領《中國制造2025》，就將“高檔數(shù)控機床和機器人”作為大力推動的十大重點領域之一，提出機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要“圍繞汽車、機械、電子、危險品制造、國防軍工、化工、輕工等工業(yè)機器人應用以及醫(yī)療健康、家庭服務、教育娛樂等服務機器人應用的需求，積極研發(fā)新產(chǎn)品，促進機器人標準化、模塊化發(fā)展，擴大市場應用?！?/p>

早在2007 年比爾?蓋茨就在《環(huán)球科學》（《科學美國人》中文版）中撰稿向世界預言：機器人將與30 年前的個人電腦一樣邁入家家戶戶，徹底改變人類的生活方式，并說“21 世紀以后將是機器人的世紀”。日本機器人協(xié)會（JRA）統(tǒng)計預測到2025 年全球智能服務機器人產(chǎn)業(yè)整體將達到517 億美元。進入21 世紀，國際上也普遍認為，家用機器人將在不久的將來成為全球龐大的產(chǎn)業(yè)之一。因此，國際以及世界各國標準化機構、產(chǎn)品研發(fā)機構和生產(chǎn)企業(yè)也都投入大量精力研制家用機器人領域標準，以應對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的挑戰(zhàn)。

國際電工委員會（IEC）在2016 年發(fā)布了IEC 62849:2016《家用移動機器人性能評估方法》國際標準[1]，針對家用機器人自主移動這一核心特點，制定了多項性能的評估方法。每項測試和評估方法都在全球范圍內針對不同類型的家用機器人進行了循環(huán)比對試驗，充分驗證了方法的可重復性和再現(xiàn)性。同時，該標準的內容也被ISO、IEC 以及各國的機器人標準大量引用，充分證明了其科學性和先進性已在全球范圍內得到認可。

本文將會對IEC 62849 標準第一版的現(xiàn)有內容以及正在修訂中的第二版相關內容進行簡要的介紹和分析。

1 IEC 62849 第一版內容解析

IEC 62849 的第一版發(fā)布于2016 年。標準對家用機器人、家用移動機器人、回充電座能力、位姿、自主模式、手動模式等術語給出了定義，并且對測試的前提條件、工作條件、環(huán)境條件、設備和材料、樣品數(shù)量、電池、機器人的運行、尺寸公差和單位等給出了明確的規(guī)定。同時對以下六項家用移動機器人的重要性能給出了測試評估方法。

1.1 位姿

家用和類似用途機器人在復雜動態(tài)場景下的位姿準確度和位姿重復性決定了執(zhí)行任務的智能性和可靠性，建立評價移動機器人在家用和類似場景下的位姿準確度和重復性的評測方法對產(chǎn)品設計驗證和質量提升都尤為重要。在工業(yè)機器人標準中的通用位姿準確度和位姿重復性主要是針對工業(yè)機器人末端執(zhí)行機構而設定的方法，這樣的測試原理和方法并不適用于在復雜動態(tài)場景下具備環(huán)境地圖構建、障礙物識別與規(guī)避、自主定位與導航功能的移動機器人的位姿準確度和位姿重復性。

本標準中的測試方法是基于移動機器人在家用場景下的基本移動狀態(tài)，通過事先標定移動機器人的起始點，在機器人經(jīng)過指令給出一個完整的路徑軌跡后，測量該移動機器人在終點位置時的位姿，并與指令位姿比較得出角度偏差和位置偏差，實現(xiàn)移動機器人位姿準確度和位姿重復性檢測。此方法同時評測了移動機器人的輪子移動的累積誤差和移動偏差，從而確保了非常高的測量精度。

1.2 回充電座能力

作為消費者關注的家用機器人重要指標，回充電座能力越來越受到重視。本標準的測試模擬了真實的作業(yè)環(huán)境。首先測試場景模擬了家庭環(huán)境，采用隔板將整個測試區(qū)域分為3個房間；其次，根據(jù)消費者使用習慣調研情況，機器人運行起始點（充電座位置）和運行區(qū)域充分考慮了跨房間運行工況。此外，對于評估機器人返回充電座能力的指標，本標準加入了返回時間和多次運行成功率的考核。其中返回時間指標為不超過30 分鐘，多次運行則是通過向處于回充區(qū)域的機器人發(fā)出回充指令，觀察其回到2 個不同充電站的情況進行測試，對于每個充電站各運行5 次（共10 次）。

本標準的回充電座能力測試項目通過對實際生活場景的模擬，以及對回充的成功率和時間兩大關鍵指標要素的考核，確保了回充能力測試的真實性和準確性；通過多組測試數(shù)據(jù)來反映機器人的回充能力，體現(xiàn)了該測試的科學性和可重復性。

1.3 單次充電工作時間

本標準在單次充電工作時間測試方法的制定中采用了全新的理念和思路，引入系數(shù)因子（完全放電消耗的交流電能和單次工作消耗的交流電能比值），然后用系數(shù)因子乘以每次運行的工作總時間，得到單次充電的最大工作時間。

本標準引入系數(shù)因子的測試方法，利用標準測試環(huán)境下對正常家居環(huán)境的模擬，減小了測試環(huán)境導致的工作時長的測量誤差，提升了測試結果的可重復性；減小了單一環(huán)境或非正常環(huán)境下測量數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)的誤差，提升了測試結果的準確性和可對比性；在不影響測試結果準確性和可重復性的前提下，有效降低了對測試資源的需求，縮短了試驗測試周期，降低了對試驗場地面積的要求，從而提高了測試效率。

1.4 臺階和懸崖探測能力

家用和類似用途機器人在室內家居和類似應用場景下，通過在機器人底部設計安裝各類下視地面檢測傳感器，使其具備懸崖探測感知功能，從而有效預防跌落風險，有效提升了移動機器人的智能化程度。然而，由于懸崖探測傳感器一般采用IR紅外發(fā)射和接收管，通過反射光量的接收探測懸崖，容易受到外部光照強度和IR 傳感器在底部結構排布的合理性等因素的影響，導致傳感器誤判、機器人反應不及時或重心失衡，產(chǎn)生跌落的風險。

本標準中的評測方法是確定機器人在移動過程中對單個臺階和懸崖的探測和處理能力。在對比IEC、ISO 和ASTM 等機構已經(jīng)出版的服務機器人相關性能評測標準后，沒有發(fā)現(xiàn)可參照的評測方法。因此，該方法填補了此領域的空白，具備國際領先性。特別是單臺階右下角R175 的缺口設計，能客觀地評測出下視傳感部分缺失、機器人探測到臺階后的應對處理及重心失衡等實際使用中出現(xiàn)跌落風險的真實狀態(tài)，有效提升產(chǎn)品智能性和質量。

1.5 避障

目前，家用機器人產(chǎn)品在運行過程中，與物體碰撞、接觸力度過大導致物體破損、位移或跌落等次生損害的問題較為突出。因此，對機器人避障功能進行科學合理、定性定量的檢測評估，成為標準制定中的新課題。

本標準引入了一種集信號采集設備、檢測器基座、力傳感器、滑軌和基板為一體的標準化避障測試設備，通過安裝在基板和測試臺上的高速相機、毫米刻度尺和測力傳感器，來捕捉機器人的避障率、最小避障距離和觸碰力大小。標準提出了模擬家庭環(huán)境下移動機器人面對的通用障礙物模型，并分別對機器人成功躲避及機器人碰撞障礙物給出了評估參數(shù)。通過統(tǒng)計5次避障測試中有效規(guī)避障礙物的次數(shù)，得出避障成功率的指標，并記錄高速相機捕捉到的最小避障距離。測試系統(tǒng)也通過統(tǒng)計機器人在沒有有效規(guī)避障礙物并碰觸撞板的過程中的測力傳感器所捕捉到的最大碰觸力，并通過加權平均計算出最大受力值。

本標準的避障能力測試方法，通過規(guī)范測試環(huán)境，確保了測試環(huán)境的一致性；通過規(guī)定檢測設備的性能指標，確保了測試誤差的準確性。實驗室以此測試規(guī)范進行搭建環(huán)境，按定義的測試方法操作、測試，所得到的測試數(shù)據(jù)準確可信，可以直觀評估出家用機器人在家居環(huán)境中感知障礙物并采取何種規(guī)避方式，有效引導和規(guī)范家用機器人避障功能的研發(fā)和驗證。

地方性與裁量性的特點在一定程度上消解了社會救助的權利意味，使得社會救助的給予成為行政機關可以自由選擇的事項，是否對社會救助權進行司法保護便成了社會救助權最終能否得以成立的關鍵因素之一。西方國家的經(jīng)驗提示我們，社會救助權的司法保護往往受到經(jīng)濟發(fā)展的影響，隨著經(jīng)濟水平的不斷提高，社會救助權的保障限度也不斷升級，以至于在行政訴訟中出現(xiàn)了先予執(zhí)行、給付訴訟、規(guī)范性文件附帶審查、公益訴訟等配套制度[14]28，相較而言，我國行政訴訟中的社會救助權保護依舊在萌芽階段，一些制度已在規(guī)范層面呈現(xiàn)，但其作用有待進一步實踐證明。

1.6 線纜跨越性能

針對線纜跨越性能測試，以往的測試方法僅對跨越不同粗細和材質線纜的成功率進行測試，而在跨越線纜的方法、跨越線纜成功后轉移的能量方面并沒有進行有效評估。本標準使用定量和定性相結合的方法，通過觀察機器人在測試場景下的三種情況，定性地分析機器人在家居環(huán)境下對于線纜纏繞的應對能力，同時記錄機器人在擺脫線纜過程中所需的時間、拖動線纜的位移以及拉動擺桿的距離等，來定量地評估家用機器人跨越線纜的能力。

本標準將機器人跨越線纜定性地分為三種結果，并對三種結果進行記錄。機器人跨越線纜的三種結果定義為：①機器人跨越電纜；②機器人被電纜纏??；③機器人檢測到電纜，并采取另一動作來處理。針對以上三種情況，分別記錄了機器人跨越線纜的最大擺動距離。此外，針對情況②，還記錄了被線纜纏繞的條件，針對情況③，還記錄了擺脫線纜規(guī)避動作的類型。

本標準還使用碳纖維桿和環(huán)形標記對最大擺動距離進行測量，定量地分析機器人的跨越線纜性能。在測試臺的設置上，使用了碳纖維桿與環(huán)形標記相結合的方法。為了使測量結果更加穩(wěn)定可靠，在碳纖維管的末端加入了800 g 的配重，以盡可能降低碳纖維桿的重心，減小測量擾動。在環(huán)形標記的設置上，設置了120 個半徑依次遞增的10 mm 的同心圓，來檢查擺桿底端的位移，從而評估機器人因跨越線纜并產(chǎn)生拖動而轉移到擺桿導致其底端發(fā)生位移的能量。

2 IEC 62849 第二版修訂方向淺析

在IEC 62849 制定之初，就將家用機器人所涉及的主要性能按照重要性以及測試評估方法的成熟度進行過劃分。2016年發(fā)布的第一版列出了其中最為重要且具備前期研究基礎的六個測試項目。隨著消費者對產(chǎn)品性能要求的升級，作為科學性和先進性在家用場景中的典型代表，家用機器人勢必將向著更加智能化的方向發(fā)展，以更好地滿足消費者需求。因此，IEC 62849 第二版考慮了更多室內家居和類似應用場景下機器人的運行情況，計劃將另外幾項已在起草工作組內部反復討論過的重要性能測試評估方法納入新版標準，從而實現(xiàn)對產(chǎn)品的智能性更加全面的評估。需要注意的是，以下介紹的內容可能與未來發(fā)布的正式版本有所差別，并且隨著研究的不斷深入，第二版標準將會更系統(tǒng)而全面。第二版優(yōu)先制定的新的四項性能具體如下：

2.1 能耗

家用和類似用途移動機器人是一種新型的家用電器，因此其能耗也倍受消費者關注。第二版在修訂時就將能耗作為一項重要的考核項目。以清潔機器人為例，標準將產(chǎn)品的耗電狀態(tài)分為三種：一是機器人充滿電后離開充電座，此時只有充電座本身耗電；二是機器人回到充電座進行充電直至充滿電的狀態(tài)；三是機器人充滿電后依然停留在充電座上的狀態(tài)。標準對于這三種狀態(tài)分別給出了能耗的測試方法，而機器人在一段時間內（如24 小時或1 年）的耗電量，則可以根據(jù)其正常使用頻次，對三種狀態(tài)的時間進行合理分配后計算得出。

2.2 光照影響性

由于家用機器人采用多傳感器融合技術，特別是紅外傳感器、激光鐳射傳感器、TOF 等光敏傳感器，機器人的導航對于周圍環(huán)境的光照條件具有很強的敏感性。因此，第二版在修訂時也重點考核機器人在三種常見光照條件下的性能。測試僅適用于帶有光敏傳感器的機器人。測試要求機器人在0.01 lux、150 lux～500 lux 以及1000 lux 三種光照條件下，分別進行單臺階和懸崖探測處理、回充電座和避障三項測試，觀察機器人的運行是否會出現(xiàn)異常。

2.3 坡度運行性

由于第一版僅考慮了機器人在水平面的運動，而斜坡也是機器人在家居和類似環(huán)境中工作的常見場景，因此對機器人在斜坡上移動性能的考核也非常重要。第二版主要針對帶有自動模式的機器人在斜坡上向上和向下運動進行測試。試驗采用可調角度的斜坡，分別在3°、6°、9°、12°和15°的條件下讓機器人沿斜坡進行向上和向下的運動，觀察機器人是否能夠在規(guī)定時間內順利到達坡頂或坡底。

2.4 越障能力

在日常使用中，家用和類似用途機器人經(jīng)常會遇到諸如門檻、地毯與硬地板過渡處等障礙，而具有良好的越障能力將有助于機器人在更廣闊的區(qū)域間（如多房間）自由移動。第二版中設計的越障測試是將測試臺分為兩個部分，中間設有一個過渡帶來模擬類似于門檻的障礙物。使機器人分別在自動模式和手動模式下從過渡帶的任一側向另一側移動，觀察是否能夠順利到達另一側，從而測試其越過不同高度的地面障礙物的能力。

3 結束語

IEC 62849 是全球第一項針對在家用和類似用途環(huán)境中使用的移動機器人的共性性能制定的國際標準，對全球家用機器人企業(yè)的生產(chǎn)和研發(fā)具有重要的指導作用。通過上述分析可以看出，IEC 62849 第二版的修訂較充分地考慮了更多的使用場景和條件，豐富了測試項目，更全面地考核了產(chǎn)品的智能特性，提高了產(chǎn)品符合標準的難度，以引導企業(yè)加大科技開發(fā)力度，提高產(chǎn)品的技術含量和質量，從而將整個家用機器人行業(yè)推升到一個新的高度。