协作机器人整机性能评价体系及测试方法

山天涯 张广志

摘 要：协作机器人近年来成为资本市场在机器人领域的投资新宠。本文结合国家标准，综合考虑协作机器人的结构特征及工艺应用要求，建立了一套完整的协作机器人整机性能评价体系，并相应给出了具体的测试方法。对于提升我国协作机器人产品质量，促进行业健康可持续发展具有重要意义。

关键词：协作机器人;整机性能评价;测试

随着机器人技术的快速发展和产品的更新迭代，在经历最初的被控制型单纯生产工具阶段后，机器人正沿着具备多种感知能力、自主决策以及与人高效交流和智能协作的方向发展。人的优势是善于处理随机且不确定的工作，而机器人的优势是可以完成准确性和重复性比较高的工作，人机协作即是将两者的优势结合起来，共同完成一项复杂的工作。随着生产商的大力推动，协作机器人开始从人机严格隔离的结构化环境走向与人类一同协作的非结构化环境。

与协作机器人的飞速发展不相匹配的是，目前对其整机性能仍未形成合理全面的评价体系，相应的对其测试方法也缺少科学系统的梳理总结。本文结合协作机器人的应用场景，参考国家标准和传统工业机器人的测试方法，构建了协作机器人整机性能的评价体系，并在此基础上给出了相应的测试方法，对于指导设计生产和提升协作机器人产品质量具有重要意义。

1 评价体系

目前在机器人领域我国已经出台了很多国家标准，如GB/T 12642-2013、GB 11291.1-2011等，这些标准对工业机器人的运动性能、安全性能做出了明确的要求，针对协作机器人也发布了国标《GB/T 36008-2018 机器人与机器人装备—协作机器人》。结合以上标准的规定，本文对协作机器人整机性能的评价体系主要从安全性能、运动性能、可靠性等几个方面进行构建。

1.1 安全性能

协作机器人具有自由度多、运动范围大和独立性较强等特点，这一方面使协作机器人具有高度的灵活性，同时也使得其运动包络范围内的每一处都成为潜在危险区。因此对协作机器人安全性能的评估非常重要。

考虑协作机器人的运行原理和其安装使用环境可能产生的危险，应从设计、制造，及其整个生命周期对其安全特性进行评估，确保其可能产生的危险被充分地预防或减小。考虑机器人可能对工作区内的人员造成挤压、冲击等伤害，应对协作机器人的机械安全进行评估;考虑机器人可能对人员造成电击、烧伤等伤害，应对协作机器人的电气安全进行评估;考虑机器人與安全相关的控制系统可能出现故障而导致其安全功能丧失，应对协作机器人的控制系统安全进行评估;考虑机器人可能存在读取使用者信息、在线作业等风险，应对协作机器人的信息安全进行评估;考虑机器人的电磁干扰和抗干扰能力，应对协作机器人的电磁兼容安全进行评估。除此外，根据协作机器人的结构特性和应用场景，还应对其化学安全、生物安全、爆炸安全等多方面安全特性进行评估。

1.2 整机运动性能

协作机器人的运动性能特性直接影响其参与自动化工业生产的工作效率和产品质量。作为多轴联动的机电耦合装备，协作机器人的运动精度受到其结构参数误差、伺服系统误差、构件弹性变形等多因素的影响。从几何定位精度的角度出发，应建立协作机器人静态位姿精度和动态轨迹精度的评价指标;针对机器人工作空间中奇异点或奇异区域的影响，应建立协作机器人工作空间质量及灵活性的评价指标;考虑协作机器人运行过程中末端抖动对其工艺操作的影响，应建立协作机器人运动平稳性的评价指标;考虑载荷变化对协作机器人运动精度的影响，应综合建立协作机器人负载特性的评价指标;针对其自身及环境等多种因素对机器人整机性能的影响，应建立协作机器人运行噪声、温升情况的评价指标;考虑协作机器人加速减速过程中的耗电量及运动优化能力，应建立协作机器人能效等级的评价指标。这些指标参数将直接影响到客户对协作机器人产品的选型应用。

1.3 可靠性

协作机器人是由许多元器件组成的以多自由度方式运动的复杂系统，可广泛应用于电子装配流水线等生产效率极高的自动化制造领域，微小故障的发生也可能造成难以估量的损失。因此，协作机器人的可靠性是机器人在长期的生产中能否长期稳定运行的关键。而其可靠性受到设计、加工、装配以及调试等多方面因素的影响。因此，对协作机器人可靠性的评估也显得尤为重要。

2 测试方法

2.1安全性能测试

根据GB/T 15706-2012，对协作机器人安全性能的评估应是对其设计、制造及其整个生命周期内可能出现的风险的评估。对这些风险的识别应包含图1中的所有方面。

协作机器人风险评估过程包括风险分析、风险评价。其中风险分析包括机器人限制的确定、危险识别和风险估计;风险分析提供了机器人风险评定所需的信息，进而最终对机器人是否需要减小风险做出判断。风险分析后，应进行风险评价，以确定是否需要进行减小风险。如果需要减小风险，应按顺序从以下三方面考虑：a） 本质安全设计;b） 安全防护或补充安全保护措施;c） 限制的改变。风险评估的目的是确定每个危险状态或事故场景的最高风险，通常以等级、指数或分数表示被评估风险的大小。

2.2运动性能测试

对于协作机器人静态位姿精度和动态轨迹精度参数的测量，在GB/T 12642-2013中推荐了数种测量方法，包括试验探头法、轨迹比较法、三边测量法、极坐标测量法等。目前普遍采用基于极坐标测量法的激光跟踪测量法。该方法属于非接触式测量，且采样频率高，能够实现对协作机器人位置及姿态特性、连续轨迹特性的测量，且测量精度能够满足大部分协作机器人产品的应用要求。对于协作机器人工作空间质量及灵活性、以及运动平稳性的评价指标，同样可以采用激光跟踪法测量得出。

2.3可靠性测试

协作机器人的可靠性评价，主要有定性分析和定量评价两种，定性评价考察协作机器人的设计和工艺是否采用成熟的技术，结构、材料的变化对可靠性的影响;定量评价主要通过可靠性试验验证可靠性指标，如平均无故障工作时间（MTBF）、平均修复时间（MTTR）等。GB/T 39266-2020给出了具体可操作的机器人可靠性试验方法，可靠性试验采用定时截尾试验方案，结合抽样样品数量确定试验时间，明确故障判据、故障统计原则和故障处理方法，依据试验时间统计原则，最终统计得出MTBF单侧置信下限。协作机器人可参考上述方法进行可靠性验证试验，根据自身实际使用的环境确定综合环境应力试验剖面。同时，对协作机器人的可靠性测试应结合运动性能测试实施，以监控分析测试过程中机器人的运动性能下降情况。这对于定位产品设计缺陷、提升产品质量具有重要意义。

3结论

协作机器人有着巨大的应用市场，但其实用化和商品化的关键在于它的安全性和可靠性，而其运动性能也直接影响着其工艺应用范围和工作效率。本文从以上几个方面出发，提出了评价协作机器人整机性能的关键指标参数，并相应的给出了测试方法。对于规范我国协作机器人产业健康发展，促进产品质量提升具有指导意义。

参考文献

[1] GB/T 12642-2013 工业机器人 性能规范及其试验方法

[2] GB 11291.1-2011 工业环境用机器人 安全要求 第1部分：机器人

[3] GB/T 36008-2018 机器人与机器人装备 协作机器人

[4] GB/T 15706-2012 机械安全 设计通则 风险评估与风险减小

[5] GB/T 39266-2020 工业机器人机械环境可靠性要求和测试方法