協(xié)作機(jī)器人整機(jī)性能評價體系及測試方法

山天涯 張廣志

摘 要：協(xié)作機(jī)器人近年來成為資本市場在機(jī)器人領(lǐng)域的投資新寵。本文結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮協(xié)作機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特征及工藝應(yīng)用要求，建立了一套完整的協(xié)作機(jī)器人整機(jī)性能評價體系，并相應(yīng)給出了具體的測試方法。對于提升我國協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)品質(zhì)量，促進(jìn)行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：協(xié)作機(jī)器人;整機(jī)性能評價;測試

隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展和產(chǎn)品的更新迭代，在經(jīng)歷最初的被控制型單純生產(chǎn)工具階段后，機(jī)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(jī)且不確定的工作，而機(jī)器人的優(yōu)勢是可以完成準(zhǔn)確性和重復(fù)性比較高的工作，人機(jī)協(xié)作即是將兩者的優(yōu)勢結(jié)合起來，共同完成一項(xiàng)復(fù)雜的工作。隨著生產(chǎn)商的大力推動，協(xié)作機(jī)器人開始從人機(jī)嚴(yán)格隔離的結(jié)構(gòu)化環(huán)境走向與人類一同協(xié)作的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。

與協(xié)作機(jī)器人的飛速發(fā)展不相匹配的是，目前對其整機(jī)性能仍未形成合理全面的評價體系，相應(yīng)的對其測試方法也缺少科學(xué)系統(tǒng)的梳理總結(jié)。本文結(jié)合協(xié)作機(jī)器人的應(yīng)用場景，參考國家標(biāo)準(zhǔn)和傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的測試方法，構(gòu)建了協(xié)作機(jī)器人整機(jī)性能的評價體系，并在此基礎(chǔ)上給出了相應(yīng)的測試方法，對于指導(dǎo)設(shè)計生產(chǎn)和提升協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。

1 評價體系

目前在機(jī)器人領(lǐng)域我國已經(jīng)出臺了很多國家標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 12642-2013、GB 11291.1-2011等，這些標(biāo)準(zhǔn)對工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動性能、安全性能做出了明確的要求，針對協(xié)作機(jī)器人也發(fā)布了國標(biāo)《GB/T 36008-2018 機(jī)器人與機(jī)器人裝備—協(xié)作機(jī)器人》。結(jié)合以上標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，本文對協(xié)作機(jī)器人整機(jī)性能的評價體系主要從安全性能、運(yùn)動性能、可靠性等幾個方面進(jìn)行構(gòu)建。

1.1 安全性能

協(xié)作機(jī)器人具有自由度多、運(yùn)動范圍大和獨(dú)立性較強(qiáng)等特點(diǎn)，這一方面使協(xié)作機(jī)器人具有高度的靈活性，同時也使得其運(yùn)動包絡(luò)范圍內(nèi)的每一處都成為潛在危險區(qū)。因此對協(xié)作機(jī)器人安全性能的評估非常重要。

考慮協(xié)作機(jī)器人的運(yùn)行原理和其安裝使用環(huán)境可能產(chǎn)生的危險，應(yīng)從設(shè)計、制造，及其整個生命周期對其安全特性進(jìn)行評估，確保其可能產(chǎn)生的危險被充分地預(yù)防或減小。考慮機(jī)器人可能對工作區(qū)內(nèi)的人員造成擠壓、沖擊等傷害，應(yīng)對協(xié)作機(jī)器人的機(jī)械安全進(jìn)行評估;考慮機(jī)器人可能對人員造成電擊、燒傷等傷害，應(yīng)對協(xié)作機(jī)器人的電氣安全進(jìn)行評估;考慮機(jī)器人與安全相關(guān)的控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障而導(dǎo)致其安全功能喪失，應(yīng)對協(xié)作機(jī)器人的控制系統(tǒng)安全進(jìn)行評估;考慮機(jī)器人可能存在讀取使用者信息、在線作業(yè)等風(fēng)險，應(yīng)對協(xié)作機(jī)器人的信息安全進(jìn)行評估;考慮機(jī)器人的電磁干擾和抗干擾能力，應(yīng)對協(xié)作機(jī)器人的電磁兼容安全進(jìn)行評估。除此外，根據(jù)協(xié)作機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特性和應(yīng)用場景，還應(yīng)對其化學(xué)安全、生物安全、爆炸安全等多方面安全特性進(jìn)行評估。

1.2 整機(jī)運(yùn)動性能

協(xié)作機(jī)器人的運(yùn)動性能特性直接影響其參與自動化工業(yè)生產(chǎn)的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。作為多軸聯(lián)動的機(jī)電耦合裝備，協(xié)作機(jī)器人的運(yùn)動精度受到其結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差、伺服系統(tǒng)誤差、構(gòu)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(yīng)建立協(xié)作機(jī)器人靜態(tài)位姿精度和動態(tài)軌跡精度的評價指標(biāo);針對機(jī)器人工作空間中奇異點(diǎn)或奇異區(qū)域的影響，應(yīng)建立協(xié)作機(jī)器人工作空間質(zhì)量及靈活性的評價指標(biāo);考慮協(xié)作機(jī)器人運(yùn)行過程中末端抖動對其工藝操作的影響，應(yīng)建立協(xié)作機(jī)器人運(yùn)動平穩(wěn)性的評價指標(biāo);考慮載荷變化對協(xié)作機(jī)器人運(yùn)動精度的影響，應(yīng)綜合建立協(xié)作機(jī)器人負(fù)載特性的評價指標(biāo);針對其自身及環(huán)境等多種因素對機(jī)器人整機(jī)性能的影響，應(yīng)建立協(xié)作機(jī)器人運(yùn)行噪聲、溫升情況的評價指標(biāo);考慮協(xié)作機(jī)器人加速減速過程中的耗電量及運(yùn)動優(yōu)化能力，應(yīng)建立協(xié)作機(jī)器人能效等級的評價指標(biāo)。這些指標(biāo)參數(shù)將直接影響到客戶對協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)品的選型應(yīng)用。

1.3 可靠性

協(xié)作機(jī)器人是由許多元器件組成的以多自由度方式運(yùn)動的復(fù)雜系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于電子裝配流水線等生產(chǎn)效率極高的自動化制造領(lǐng)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(jī)器人的可靠性是機(jī)器人在長期的生產(chǎn)中能否長期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。而其可靠性受到設(shè)計、加工、裝配以及調(diào)試等多方面因素的影響。因此，對協(xié)作機(jī)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(jù)GB/T 15706-2012，對協(xié)作機(jī)器人安全性能的評估應(yīng)是對其設(shè)計、制造及其整個生命周期內(nèi)可能出現(xiàn)的風(fēng)險的評估。對這些風(fēng)險的識別應(yīng)包含圖1中的所有方面。

協(xié)作機(jī)器人風(fēng)險評估過程包括風(fēng)險分析、風(fēng)險評價。其中風(fēng)險分析包括機(jī)器人限制的確定、危險識別和風(fēng)險估計;風(fēng)險分析提供了機(jī)器人風(fēng)險評定所需的信息，進(jìn)而最終對機(jī)器人是否需要減小風(fēng)險做出判斷。風(fēng)險分析后，應(yīng)進(jìn)行風(fēng)險評價，以確定是否需要進(jìn)行減小風(fēng)險。如果需要減小風(fēng)險，應(yīng)按順序從以下三方面考慮：a） 本質(zhì)安全設(shè)計;b） 安全防護(hù)或補(bǔ)充安全保護(hù)措施;c） 限制的改變。風(fēng)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(fēng)險，通常以等級、指數(shù)或分?jǐn)?shù)表示被評估風(fēng)險的大小。

2.2運(yùn)動性能測試

對于協(xié)作機(jī)器人靜態(tài)位姿精度和動態(tài)軌跡精度參數(shù)的測量，在GB/T 12642-2013中推薦了數(shù)種測量方法，包括試驗(yàn)探頭法、軌跡比較法、三邊測量法、極坐標(biāo)測量法等。目前普遍采用基于極坐標(biāo)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?qū)崿F(xiàn)對協(xié)作機(jī)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(jī)器人產(chǎn)品的應(yīng)用要求。對于協(xié)作機(jī)器人工作空間質(zhì)量及靈活性、以及運(yùn)動平穩(wěn)性的評價指標(biāo)，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(jī)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(jī)器人的設(shè)計和工藝是否采用成熟的技術(shù)，結(jié)構(gòu)、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(yàn)驗(yàn)證可靠性指標(biāo)，如平均無故障工作時間（MTBF）、平均修復(fù)時間（MTTR）等。GB/T 39266-2020給出了具體可操作的機(jī)器人可靠性試驗(yàn)方法，可靠性試驗(yàn)采用定時截尾試驗(yàn)方案，結(jié)合抽樣樣品數(shù)量確定試驗(yàn)時間，明確故障判據(jù)、故障統(tǒng)計原則和故障處理方法，依據(jù)試驗(yàn)時間統(tǒng)計原則，最終統(tǒng)計得出MTBF單側(cè)置信下限。協(xié)作機(jī)器人可參考上述方法進(jìn)行可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)，根據(jù)自身實(shí)際使用的環(huán)境確定綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)剖面。同時，對協(xié)作機(jī)器人的可靠性測試應(yīng)結(jié)合運(yùn)動性能測試實(shí)施，以監(jiān)控分析測試過程中機(jī)器人的運(yùn)動性能下降情況。這對于定位產(chǎn)品設(shè)計缺陷、提升產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。

3結(jié)論

協(xié)作機(jī)器人有著巨大的應(yīng)用市場，但其實(shí)用化和商品化的關(guān)鍵在于它的安全性和可靠性，而其運(yùn)動性能也直接影響著其工藝應(yīng)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(jī)器人整機(jī)性能的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)，并相應(yīng)的給出了測試方法。對于規(guī)范我國協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量提升具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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