工业机器人可靠性设计与测试研究
机器人系统的安全性与可靠性分析
机器人系统的安全性与可靠性分析在当今科技飞速发展的时代，机器人系统已经广泛应用于各个领域，从工业生产中的自动化流水线，到医疗领域的手术机器人，再到家庭服务中的智能机器人等等。
随着机器人系统的应用越来越普及，其安全性和可靠性问题也日益受到关注。
毕竟，一个不可靠或者存在安全隐患的机器人系统，可能会给人类带来巨大的损失甚至威胁到生命安全。
首先，我们来谈谈机器人系统的安全性。
安全性是指机器人系统在运行过程中不会对人类、环境以及其他设备造成伤害或损害的能力。
这其中包含了多个方面的考量。
物理安全是最直观也是最基本的一个方面。
机器人的机械结构、运动部件，如果设计不合理或者制造存在缺陷，可能会在运行时对操作人员造成撞击、挤压等伤害。
比如，在工业机器人的工作区域，如果没有设置有效的防护栏和安全光幕，当工人误入工作区域时，就有可能发生严重的事故。
此外，机器人的负载能力也必须得到准确评估和控制，避免因过载而导致部件脱落或整体失控。
电气安全同样不容忽视。
机器人系统通常包含大量的电气设备和线路，如果电气系统存在短路、漏电等问题，不仅会影响机器人的正常运行，还可能引发火灾、触电等危险。
因此，良好的电气设计、严格的质量检测以及定期的维护保养都是确保电气安全的关键。
除了硬件方面，软件安全也是机器人系统安全性的重要组成部分。
软件故障可能导致机器人的行为失控，出现错误的动作或者无法响应紧急停止指令。
恶意软件的入侵也可能会篡改机器人的控制程序，使其被不法分子利用。
因此，软件的开发需要遵循严格的安全标准和规范，进行充分的测试和验证，并且要及时更新和修复漏洞。
再者，环境安全也是需要考虑的因素之一。
机器人在不同的环境中运行，可能会面临高温、低温、潮湿、粉尘等恶劣条件。
如果机器人系统没有足够的防护措施来适应这些环境，就可能会出现故障甚至损坏，从而影响其安全性。
接下来，我们探讨一下机器人系统的可靠性。
可靠性是指机器人系统在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。
工业机器人系统可靠性预测方法研究
ｌｍ ｆｃ ｍｐｅ ｏ ｏ ｙ ｔｍ ｆｒｌ ｂｌｙｐ ｅ ｉｔ ｎ，ａ ｄ ｔａ ｈ ａｃ ｌｔｄ ｒｓ ｌ ｒ ａｉａｌ ｏｆｒ ｔ ｗ ｔ ｈ ｅ ｏ ｏ ｌｘ ｒｂ ｔｓｓｅ ｏ ｅｉ ｉｔ ｒｄｃｉ ａ ｉ ｏ ｎ ｈ ｔｔｅｃｌｕａｅ ｅｕｔ ａｅｂｓｃ ｌ ｉ ｃ ｎｏｍｉ ｉ ｔｅ ｓ ｙｎ ｙ ｈ
维普资讯
第 ８卷第 ２期 ２０ ０ ８年 ６月
南京师范大学学报（ 工程技术版 ） ＪＵ Ｎ ＬＯ Ａ Ｊ ＧＮ Ｒ Ａ ＮＶ Ｒ ＩＹ Ｅ ＧＮ Ｅ ＩＧ Ａ ＤＴ Ｃ Ｎ Ｌ Ｇ ＤＴＯ ） Ｏ Ｒ Ａ ＦＮ ＮＩ Ｏ Ｍ ＬＵ ＩＥ Ｓ （ Ｎ ＩＥ ＲＮ Ｎ Ｅ Ｈ Ｏ Ｏ ＹＥ Ｉ Ｎ Ｎ Ｔ Ｉ
１ 工 业 机 器 人 系统 可 靠 性 预 测 方 法
１ １ 可 靠性 数学模 型 ．
可靠 性数 学模 型 的一般表 达式 为 ：
Ｒ （） ＝ｆ［ （） Ｒ （ ） … ， ｔ ］， ｔ Ｒ。ｔ ， ２ ｔ ， Ｒ （） （） １ 式 中 ， ｔ Ｒ （ ）为 系统 的可靠 度 ； ｔ Ｒ （）为元件 ｉ 的可靠 度 （ ｉ＝１ ２ ， ，… ， ） ｎ为元件 的总数 量． ｎ； 针对某种 具体
靠性问题具有重要的现实意义． 对于机器人含机械、 电、 光 电气 、 液压 、 计算机等多种类 型的元器件和控制
软 件在 内的复杂 系统 来说 ， 研究 其可 靠性 问题相 对 比较 困难 ， 于这 方 面 的报道 还非 常 罕见 … ． 因为如 关 正
此， 努力 开展这 方面 的基 础研究 显得 尤 为重要 ．
了工业机器人系统可靠性 的预测模型和计算方法 ． 实例分析表明提 出的可靠性预测方法较好地解 决了工业机器人这一复杂系
机械设计中的可靠性与安全性分析案例验证
机械设计中的可靠性与安全性分析案例验证在机械设计领域，可靠性与安全性是至关重要的因素。
通过对机械设计过程中的可靠性与安全性进行全面的分析和验证，可以确保产品在使用过程中能够提供稳定可靠的性能，并避免潜在的安全风险。
本文将分析一项机械设计案例，并进行可靠性与安全性的分析和验证。
案例背景：某公司正在设计一种新型工业机器人，用于自动化装配线上的零部件组装。
该机器人需要具备高速运动、精确定位和可靠操作等特点。
可靠性和安全性对于该机器人的设计至关重要，任何故障或安全隐患都可能导致生产线停工和人员受伤。
可靠性分析：1. 功能分析：对机器人的功能需求进行详细分析，包括运动控制、定位精度、负载能力等。
通过将功能要求转化为量化指标，可以确定可靠性测试的依据。
2. 可靠性指标：根据功能分析的结果，确定机器人的可靠性指标，如平均无故障时间(MTTF)、失效率等。
同时考虑到使用环境的因素，如温度、尘埃等对机器人可靠性的影响。
3. 可靠性分析方法：应用可靠性工程的方法，如故障模式与影响分析(FMEA)、可靠性块图等，对机器人的各个组成部分进行可靠性分析。
通过分析不同部件的失效概率、失效模式和可能的后果，可以提前识别高风险部件，并进行风险控制。
4. 可靠性测试：制定可靠性测试方案，通过模拟实际工作环境和负载条件，对机器人进行可靠性测试。
测试数据可以用于验证设计的可靠性指标是否满足要求，并对异常情况进行改进和修复。
安全性分析：1. 安全需求分析：根据机器人的使用场景和操作要求，确定安全需求和标准。
考虑机器人在高速运动、与人员接触等情况下的安全性要求，并制定相应的安全措施。
2. 风险评估：使用风险评估方法，如风险矩阵、风险优先级指数等，对机器人使用过程中可能出现的安全风险进行评估。
重点评估与人员接触、运动控制等相关的风险，并确定高风险区域和关键控制点。
3. 安全设计：基于风险评估的结果，进行安全设计，包括采用安全传感器、应急停机装置、防护罩等安全防护设施。
机器人的可靠性与安全性设计
机器人的可靠性与安全性设计人工智能技术的飞速发展，使得机器人在日常生活中扮演着越来越重要的角色。
从工业生产到家庭服务，机器人已经成为一种不可或缺的存在。
然而，随着机器人的使用范围不断拓展，其可靠性与安全性设计问题也愈发凸显出来。
机器人的故障可能会导致严重的事故，给人们的生命财产安全带来威胁。
因此，如何在设计与制造机器人时保证其可靠性与安全性成为了当前的研究热点。
在机器人可靠性与安全性设计中，硬件设计是至关重要的一环。
机器人作为一个由各种传感器、执行器、控制器等组成的复杂系统，其硬件必须经过精心设计与选择，以确保其稳定性与安全性。
首先需要保证机器人的结构强度与稳定性。
在工业领域，往往需要考虑机器人长时间运行下的疲劳与振动等问题，因此结构设计必须考虑到这些因素。
另外，在家用机器人领域，安全性设计更是至关重要。
例如，家庭清洁机器人在设计时需要考虑其与人类共处的情况，避免因为操作失误或者硬件故障导致人身安全受到威胁。
因此，在硬件设计阶段就需要充分考虑到这些情况，采取相应的措施来提高机器人的可靠性与安全性。
除了硬件设计，软件设计也是机器人可靠性与安全性设计中不可忽视的一环。
机器人的软件系统往往包括控制算法、传感器数据处理、决策系统等多个模块，各个模块之间的协调与同步非常重要。
在软件设计阶段，必须考虑到各种潜在的问题，比如传感器数据的误差、算法的不稳定性、决策系统的失效等。
例如，智能驾驶机器人在设计时就必须充分考虑到各种复杂的交通情况，并设计相应的决策算法来确保其安全性。
另外，软件系统的更新与维护也是至关重要的。
随着机器人的使用，可能会出现新的问题或者安全隐患，因此需要定期更新软件系统，及时修复问题，以提高机器人的可靠性与安全性。
此外，人机交互设计也是机器人可靠性与安全性设计中一个重要的方面。
人机交互设计的好坏直接影响到机器人的使用效果与用户体验。
在人机交互设计中，必须考虑到用户的习惯与心理特点，设计出易于操作、直观清晰的用户界面。
工业机器人毕业设计
工业机器人关键技术参数
精度：机 器人执行 任务的准 确程度
速度：机 器人执行 任务的速 度
负载：机 器人能够 承受的最 大重量
工作范围： 机器人能 够到达的 最大距离 和角度
控制系统： 机器人控 制运动的 方式
安全性： 机器人在 运行过程 中的安全 保障措施
工业机器人选型依据与步骤
确定需求：明确 机器人的用途、 工作环境、负载 能力等
02
工业机器人设计与选型
工业机器人设计原则
安全性：确保机器人在运行过程中不会对人员和设备造成伤害 可靠性：保证机器人在长时间运行中能够稳定工作，减少故障率 灵活性：机器人应具备足够的灵活性，能够适应不同的工作环境和任务需求 易维护性：机器人设计应便于维护和维修，降低维护成本和停机时间
成本效益：在满足设计要求的前提下，尽量降低机器人的制造和运行成本，提高经济效益
比较性能：比较 不同机器人的性 能参数，如精度、 速度、稳定性等
考虑成本：考虑 机器人的购买成 本、维护成本、 能耗成本等
确定选型：根据 需求、性能和成 本，选择合适的 机器人型号和配 置
03
工业机器人控制系统设计
控制系统硬件架构设计
控制器：负责控制机器人 的运动和操作
传感器：用于检测机器人 和环境的状态
应用系统集成流程与规范
需求分析： 明确客户需 求，确定系 统集成的目
标和范围
系统设计： 根据需求分 析结果，进 行系统架构 设计、功能 模块设计等
硬件选型： 选择合适的 工业机器人、 传感器、控 制器等硬件
设备
软件开发： 编写控制程 序、人机界 面程序等软 件，实现系
统功能
集成调试： 将硬件设备 和软件程序 集成在一起， 进行调试和
工业机器人可靠性指标评价方法
工业机器人可靠性指标评价方法1 范围本标准规定了工业机器人可靠性指标评价方法的术语和定义、故障分类和统计原则、可靠性指标评估的流程、故障数据的收集与统计、可靠性模型的参数估计、可靠性模型的拟合优度检验、可靠性模型的优选、可靠性指标的评价等。
本标准适用于各类工业机器人的可靠性指标评价。
2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。
凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修订版）适用于本文件。
GB/T 2900.99-2016 电工术语可信性GB/T 12643-2013 机器人与机器人装备词汇GJB 451A-2005 可靠性维修性保障性术语GJB 899A-2009 可靠性鉴定和验收试验3 术语和定义GB/T 2900.99-2016、GB/T 12643-2013和GJB 451A-2005中确立的，以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1可靠性reliability在给定的条件，给定的时间区间，能无故障地执行要求的能力。
3.2故障fault/failure产品不能完成要求的功能的状态。
预防性维修或其他计划的行动或因缺乏外部资源的情况除外。
3.3故障率failure rate设在时间区间开始时刻前未发生故障，不修理的产品在时间区间(,)+∆内出现一个故障的条件概t t t率与区间长度t∆之比，当t∆→0时的极限(如果存在)。
3.4产品item；entity能够被单独考虑的任何零部件、元器件、装置、分系统、功能单元、设备或系统。
2 3.5工作时间 operating time产品处于工作状态的时间区间。
3.6平均故障前时间 mean time to failure ；MTTF 故障前时间的数学期望。
3.7故障判据 failure criterion预先定义的接受确证故障的条件。
3.8可靠度reliability ；R产品在给定的条件下和给定的时间区间12(,)t t 内，能完成要求的功能的概率。
工业机器人的性能评估与选择标准
工业机器人的性能评估与选择标准工业机器人作为现代制造业中不可或缺的重要设备，承担着提高生产效率、降低劳动强度和提高产品质量等重要职责。
如何评估和选择工业机器人的性能成为企业面临的重要挑战。
本文将就工业机器人的性能评估与选择标准进行详细探讨。
一、性能评估工业机器人的性能评估是为了确定其适用性和优劣程度。
以下是几个常用的性能评估指标：1. 负载能力：负载能力是指机器人能够承受的最大重量。
根据不同应用需求，选择适当负载能力的机器人非常重要。
2. 工作空间：工作空间是指机器人能够覆盖的有效范围。
根据生产线的排布和产品尺寸等因素，选择具备足够工作空间的机器人是必要的。
3. 精度和重复性：精度和重复性是机器人进行精细动作和重复动作的能力。
高精度和重复性可以确保产品质量的一致性。
4. 速度和加速度：速度和加速度是机器人执行任务所需要的时间和动力学性能。
根据生产需求，选择具备足够速度和加速度的机器人能够提高生产效率。
5. 稳定性和可靠性：稳定性和可靠性是机器人在长时间运行中的表现。
机器人应具备稳定的性能和良好的故障诊断能力，以确保生产过程的连续性。
二、选择标准在评估了机器人的性能后，根据企业的具体需求确定选择标准是非常重要的。
以下是几个常用的选择标准：1. 成本效益：成本效益是在选择机器人时需要考虑的重要指标。
除了机器人本身的价格，还需要考虑周边设备、维护成本和培训成本等因素。
2. 编程和操作：机器人的编程和操作界面需要简单易用，以降低培训成本。
同时，机器人还应支持方便灵活的编程模式，以适应不同的生产需求。
3. 可扩展性和灵活性：机器人应具备可扩展性和灵活性，以适应生产线的变化和技术的更新。
选购具备模块化设计和开放式控制系统的机器人是明智的选择。
4. 供应商支持：供应商的支持对于机器人的选择与后期维护非常重要。
选择具备良好售后服务和及时技术支持的供应商可以避免潜在的风险。
5. 安全性：在选择机器人时，安全性是一个不可忽视的因素。
工业机器人的高可靠性与长寿命设计
工业机器人的高可靠性与长寿命设计工业机器人作为现代自动化生产的关键设备，其可靠性和寿命至关重要。
在工业生产环境中，机器人需要长时间高强度地工作，因此其设计必须考虑到高可靠性和长寿命的要求。
本文将讨论工业机器人的高可靠性与长寿命设计的关键因素和方法。
一、高可靠性设计1. 器件选择与质量控制：在工业机器人的设计中，器件的选择和质量控制是确保高可靠性的重要因素。
应选择经过验证和可靠性较高的器件，并加强对供应商的质量管理和品质监控。
2. 冗余设计：为提高工业机器人的可靠性，常采用冗余设计。
例如，在关键传动系统中可以设置冗余执行器或冗余传感器，当一个部件出现故障时，另一个部件可以替代其功能，保证生产流程的连续性。
3. 安全系统设计：高可靠性的工业机器人应配备完善的安全系统，包括紧急停止装置、防碰撞装置、过载保护装置等，以及安全监测和报警系统。
这些安全系统能够及时检测异常情况，并采取相应措施，防止事故的发生。
4. 电气接口设计：工业机器人的电气接口设计也是保证其可靠性的关键。
合理的布线、防尘、防水和防腐蚀等设计可以减少电气故障的发生，提高机器人的工作稳定性。
5. 耐久性测试：在设计工业机器人时，需要进行严格的耐久性测试，以验证机器人在长时间高强度工作环境下的可靠性。
这些测试可以帮助发现潜在问题，并进行相应的改进和优化。
二、长寿命设计1. 结构设计：工业机器人的结构设计应考虑到材料的强度和耐久性。
采用高强度材料，并合理设计结构，以承受长期高强度的工作负荷。
2. 润滑与密封设计：机器人关节和传动系统中的润滑与密封设计对于延长机器人的寿命至关重要。
应选用高性能润滑剂，并设计有效的密封系统，防止灰尘、水分和其他外界环境因素的侵入，减少关键部件的磨损和损坏。
3. 热管理：工业机器人在长时间工作过程中会产生大量热量，对于保证机器人的长寿命，需要进行有效的热管理。
可以采用散热装置、热导设计等方式，保持机器人在适宜的温度范围内工作。
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工业机器人可靠性设计与测试研究
作者：柳贺李勋刘蕾
来源：《中国新技术新产品》2014年第14期
摘要：工业机器人作为一种工业现场应用设备，其可靠性往往在与人类交互过程中显得尤为重要，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，对其研究比较复杂。
本文主要介绍工业机器人的元器件选型、分析以及可靠性测试方面的保障，进一步提升产品的可靠性。
关键词：工业机器人；可靠性；测试
中图分类号：TP242 文献标识码：A
工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。
自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统（FMS）、自动化工厂（FA）、计算机集成制造系统（CIMS）的自动化工具。
由于工业机器人是元部件众多，是一复杂系统，它以多自由度方式运动，因而发生的故障可能造成难以预计的后果，具有潜在的人机风险。
为此对机器人必须严格按照可靠性测试标准进行测试，目的在于：（1）在机器人的设计和整个寿命周期中进行有效的可靠性运行，特别在样机测试阶段，必须将潜在的风险暴露出来加以改进；（2）出现故障后的及时修复性，减少客户的停机损失；（3）工业机器人的安全性，避免出现人机事故，确保人员安装调试、编程示教、操作、维护过程的安全。
我们以EFORT的工业机器人可靠性指标：MTBF不低于6000H。
我们需要从设计、采购、加工制造、装配、测试等环节降低产品失效的因素。
1元器件可靠性设计要求
1.1电子元器件可靠性设计
电子器件的选取，必须经过100%环境筛选测试，测试合格的产品才允许采用，按照可靠性分配原则，筛选与元器件失效分析相结合，一旦发现失效，必须对同一类产品进行原因分析，按照5W1H方法进行纠正预防措施分析与整改。
电子元器件的选取按照以下规则：
a.电子元器件决不允许超核运行，应按照降额设计，一般达到85%；
b.线路设计尽量进行动力、信号隔离处理，防止电磁干扰，进行干扰试验；
c.功能部件进行热分析，高温拷机测试；
d.振动测试，一般按照5-200HZ，振幅2mm的扫频振动测试。
1.2机电产品的可靠性设计
机电产品的设计与验证，必须100%验证，在断路器、线缆、继电器、接插件等必须进行电流、温度、频次等验证分析，主要为：
a.线路的选取考虑电流、温度等其它要求；
b.电气元器件的参数除符合国家标准外，机器人的额外要求不许满足，比如继电器的动作次数要求等；
c.接插件的接触电阻、电流、耐热等，同时考虑其防错、易维修性等。
1.3机加部件的可靠性设计
机械加工部件的设计，考虑其材质、加工难度、安全系数等，装配前必须100%检查，全部合格后才能安装，主要包括：
a.设计时用机械专用软件进行应力分析，确保安全系数在2以上；
b.设计时考虑加工工艺，确保机加的尺寸、行位公差以及粗糙度等；
c.对部分特殊要求的，要控制其材质与工艺，比如：发黑、耐腐蚀等特殊处理。
2关键部件可靠性验证
机器人的关键部件测试必须严格按照测试大纲进行测试，详细记录测试数据并进行分析。
2.1运动控制器与伺服驱动器
运动控制器与伺服驱动器为机器人主要运动控制部件，除电子元器件的可靠性测试外，额外需要进行功能测试，包括：加减速测试、响应测试、正反向运转电流冲击测试、CPU负载率测试等。
2.2伺服电机
机器人伺服电机除一般的电机要求外，还要求电机具备高过载能力，同时由于其特殊的安装与应用环境，需要对其电机油封、制动器都提出很高要求，表现为：
a.电机的油封本身动密封要求很高，尽量采用高质量的双唇油封，一般测试3000H后进行拆解，分析密封情况；
b.制动器对于机器人为安全部件，其可靠次数必须达到万级以上，测试为制动器扭力确认，不能出现跌失。
2.3 减速器
在选取减速器的时，考虑电机转速、设计指标等来选取减速器的减速比、额定扭矩，并降额选取，同时考虑减速器的输入齿轮配合、油路润滑等，在重要关节考虑设计走线方式与装配方便性。
2.4管线包
工业机器人本体管线包包括电机驱动线缆，外围IO线缆，总线线缆等组成，由于机器人的现场应用需求，线缆必须满足耐扭拉、高揉要求，最少满足：1000万次以上的耐弯曲指标。
3 整机可靠性分析与验证
3.1整机可靠性测试
各部件测试完成后，需要对样机进行整机测试，按照国家与企业标准对机器人的功能测试外，必须要进行可靠性测试，其中包括控制柜的振动测试、温控测试、本体振动监视等。
图1与图2是我们用加速度传感器检测的各轴电机在机器人高速运行时的XYZ三方向的振动情况。
由图1的测试结果，可以分析原因，进行运动参数调整，减小机器人的本体振动，从图2中可以看出振动从修改前的5G降到修改后的2G。
3.1.1整机120H功能测试
机器人的120H测试，包括机器人功能测试与拷机测试。
功能测试包括：机器人3大坐标系的运动测试、零点复位、IO功能测试、各轴运动范围与运动空间测试、各轴最大速度、重复精度测试，特殊要求的轨迹精度与D-H参数补偿测试等。
如图3所示。
3.1.2整机1000H可靠性测试
在120H测试结束正常后，进入1000H满载100%速度各空间可达程序运行测试，在测试过程中会监视各轴的运行情况，包括各轴电流、速度等曲线，测试结束后需要再次测试机器人的重复定位精度，分析机械本体与控制系统的精度偏移。
同时对电柜整体的温度、各电机部件温度，机械传动部件温度以及本体噪声均监控，规定噪声不大于75分贝。
图4与图5表示测试过程中出现的异常与正常电流、速度曲线对比，从图3中明显可以看出机器人处于异常状态，这时需要排查机械本体传动与电机等原因。
3.1.3整机500H超载加速测试
在完成1000H测试后，还需要对机器人进行130%负载，100%速度下运行，主要进行加速超额检测，测试过程中，同样监视各轴的运行情况，包括各轴电流、速度等曲线，测试结束后需要再次测试机器人的重复定位精度，分析机械本体与控制系统的精度偏移。
4 结论
从可靠性工程角度分析，在工业机器人的设计、采购、生产制造、测试等阶段都应进行相应的可靠性工作，在设计阶段进行可靠性预计与设计；采购、加工阶段对质量的薄弱环节进行过程控制与试验；在样机阶段必须进行可靠性测试与加速，甚至破坏性测试；在应用现场进行故障记录与搜集，这样才能提高我们自主机器人的可靠性。
参考文献
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