机器人可靠性

机器人可靠性

张培强

1300427

摘要：机器人可靠性受到其设计，制造和维护过程中多个因素的影响，对其研究相对来说比较困难。本文就对其做个简要的概述。

关键词机器人，可靠性，规划管理，故障模型。

引言

随着现代生产和科学技术的发展，机械的可靠性以及相关产品的可靠性也越来越受到重视。因为传统的设计已经不能满足市场竞争的需要。同样在现在机械发展中尤其是高精尖的科技产品，如近期发射成功的嫦娥三号探月工程中玉兔的月球车，这个机器人将完全自主的在月球上工作，那么在月球那么严酷的环境中其可靠性就现得尤为重要的了。否则无法完成几个月这么长时间的工作。

可靠性理论本是以产品的寿命特征作为主要研究对象的一门综合性和边缘性科学，涉及面较广，有基础学科物理，化学等，“玉兔”车的夜间加热工作就是用核动力来完成，问题如何让核燃料能正常的工作，可靠性的工作就不可或缺了。

机器人可靠性设计管理与规划

机器人的故障模式要从机器人系统的组成中进行分析，因为每个分系统的故障都会造成系统的故障。当然对于系统可靠性的计算不能简单的认为是元件可靠性的概率串联相乘或并联相加。因为一个机器人有许多个的元件，即便是每个都达到0.99这样的概率倘若数十个或数百个相乘就会很小，一个机器人不可能生产出来了其可靠性的概率仅为百分之几。这当然是不符合实际情况的。对于这样复杂系统在分析其可靠性时就要先将系统分解成各独立单元，以便研究各单元

的参数和工作能力，而后再来估计整个系统的工作能力。而单元是根据提出的任务来划分的，他可能是相当复杂的，有若干零部件构成的；在研究系统的可靠性时，单元不再作进一步的划分，无故障性及耐久性指标均以整个单元为单位来考虑；单元的工作能力是可以恢复的，并与系统的其余部分和其他单元无关。可是如何确定其可靠性，让机器人的可靠性的概率落在可以接受的范围是可靠性研究的一个课题。一般情况下是将整个可靠性的指标分解，将其融于设计的整个过程。就是确定，预测和分配机器人系统可靠性指标，同时提出和实现可靠性指标要求的设计方案。可靠性的定量工作要求在工程设计阶段落实，即在设计过程中要明确机器人产品的可靠性指标，分析论证可靠性指标与性能指标之间的关系，落实对机器人可靠性预计和可靠性分配，同时论证可靠性的实施方案。这就是机器人可靠性设计的管理与规划。综述可分为：

1 机器人可靠性指标的确定

2 机器人技术方案的论证

3 建立机器人可靠性的模型

4 机器人的预计与分配

5 计算系统的失效率

在一般的设计中机械因一结构，零件的尺寸，性状或性能发生改变，导致完全不能或部分不能执行预期的功能。常见的机械故障主要有破坏性故障，变形类故障，腐蚀摩擦类故障，失效性故障以及系统故障等。所以在设计中选材料应当适当，且处理工艺也应当适当。

倘若材料的选取不当容易造成材料不符合要求。在设计中一般出现的材料选取的错误导致出现屈服破坏，断裂破坏的情况并不多，因为现在相关理论发展的程度和相关的分析软件的发展这些问题是可以避免的。但是材料的磨损则是不可避免，也是设计时需要考虑的。如机器人材料磨损，连接副的磨损，机构的磨损等一系列磨损都会导致机械零件发生变化，可靠性就大大的降低了。嫦娥三号的登月车，需要在极端坏境中反复执行车辆转弯，转动钻土，取土壤，分析土壤这些动作。需长达数月之久，若不考虑磨损的可靠性问题，我想这个登月车很可能会完不成工作。上面说过不能对串联系统可靠性进行简单的概率相乘，但是毕竟越复杂的系统其可靠性的概率较低，所以简化设计是一般设计所追求的。结构假单，应力分析也就简单可控。只要能满足功能，则简单是必须的。同样由日本田口玄一博士创立的田口方法，及一个产品的设计应由系统设计，参数设计和容差设计来完成。这是一种在设计中充分考虑可靠性的内外干扰而进行的一种优化设计。在在满足性能的前提条件下留出容错余量来提高可靠性。美国北极星导弹发动机壳体发生爆炸事件，便是在焊缝考虑时没有留出足够的容错量而导致意想不到的事情出现。

故障模型

对机械故障模型飞分析也是对机械可靠性的分析。由于机器人较为复杂，机器人的可靠性也基本上囊括了机械可靠性的方方面面，同样也包含电子的可靠性。机器人本身自动化程度较高，故其工作参数的确定对其可靠性就显得尤为重要了。所谓的工作参数就是机械的载

荷，速度，温度，等一系列可以影响其可靠性的因素。当机械开始工作时出示参数会逐渐的发生变化，随着时间的推移，机械在内外部和外界各中作用的影响下，将逐渐损耗工作能力。影响机器工作能力的能量一般包括机械能，热能，化学能，核能，电磁能，生物因素等一系列原因。机器人的工作参数的输出与损伤程度的关系：各种形式和成都的材料损伤都影响产品的输出参数。产品输出参数随时间变化的规律与损伤程度随时间变化的关系既可能一致，也可能有很大的区别。因为期间存在着反映产品的结构，用途和作用原理的过的函数关系，此外损伤同产品材料中发生的物理现象有关，而输出参数变化仅仅反映了产品自身的宏观变化过程。

在研究损伤与程度与输出参数时，一般都是从最简单的开始研究者当然也符合科学的一般规律，即从简单的函数关系开始，当然就是线性的关系。在连接副磨损时，间隙都是直接的增大，即呈现损伤和间隙成现线性关系。由于磨损，出现较大的间隙时才而产生动载荷，动载荷与损伤就会呈现非线性关系。在很多时候，输出参数同损伤程度的关系中存在一个不灵敏区，离开不灵敏区后输出参数才会急剧的变化。贮罐的腐蚀程度影响贮罐内液体压力的能力就是这种例子。因此研究和分析产品输出参数变化规律对可靠性是相当重要了。

在研究机械可靠性的理论时用数学形式来描述能够最确切地反映客观实际的分布律f（t）。解决这个问题的最简单最有前途的方法是直接选用分布律。一般情况下正太分布用的最为广泛。当然不能一概而论，在分析故障模型根据物理现象来研究。在研究可靠性时，渐

发型故障形式较多。当产品经过某一个随机的工作时间间隔后，其参数达到了极限允许值，便会发生故障。还有另一种故障的发生是突发性的。也就是产品发生故障的原因和产品变化和事前工作时间无关。其原因仅仅只是外因的作用。因此，建立突发性故障模型时，必须考虑的是环境情况，即引起故障的外界条件。产品在确定其可靠性时有个相当重要的状态需要确定就是极限状态。极限状态限定了产品的工作能力范围，这个不但对整机而言，也对机器的零件，元件和部件而言。极限允许状态一般来说针对输出参数更有意义，主要是因为输出参数比较容易监测。产品输出参数的变化是各个元件的损伤结果，为了恢复产品的工作能力需要解决的问题是：各个元件的损伤程度是否允许以及哪几个元件需要修理或更换。因此，在规定x的同时，还需要规定与输出参数形成的损伤极限u。一般情况下产品的状态极限和损伤极限成三种关系：

1 线性关系。X=ku

2 线性叠加的关系。X= KU;

3 非线性关系。X = F(U);

总之，损伤程度的极限u应根据输出参数的允许偏差x来规定，同时要考虑产品元件的损伤程度指标和x间的关系。

按输出参数规定极限状态的标准：产品极限状态的主要标准时技术条件所允许的参数极端值。但是输出参数变化过程的趋势，以及是否存在急剧增长的区域等，也是规定最大允许值x的依据。输出参数的最大允许值为随机量的情形，参数的极限允许值都是确定量，是个

根据产品的具体要求而确定的。

结束语

机器人是个结构复杂的产品，相对于普通的机械来讲，它具有复杂的功能有较强的独立性，而且自由度多，运动范围比较大．发生故障的危害较大，因此，在设计机器人时．除了对机器人进行可靠性评价、可靠性预计和可靠性分配以外，还要进行关键部分的可靠性实验并进行失效因果的分析，以便为达到更高的可靠性而调整设计方案。

参考文献：谈世哲杨汝清。机器人可靠性设计的管理与规划。论文园地。

陈胜军。机器人系统的可靠性理论研究。机器人robot 第25卷第7期2003年12月。

机器可靠性。四川省机械工程学会设备维修专业委员会编译。