CN106197975A - 一种关节连接可靠性测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种关节连接可靠性测试方法，包括以下操作步骤：获取关节转动角度范围，所述关节转动角度范围包括关节转动时可能发生干涉位置的角度值集；根据所述关节转动角度范围编辑关节动作表，设定测试时间，通过执行关节动作表控制关节重复进行动作，记录执行数据；根据执行数据判断关节可靠性是否达标。本发明旨在解决现有关节测试方法存在机器人关节可靠性测试无标准、测试时间长以及难以发现可靠性问题的缺点。

Description

一种关节连接可靠性测试方法

技术领域

本发明属于机器人关节可靠性测试领域，特别是涉及一种关节连接可靠性测试方法。

背景技术

工业4.0理念的提出掀起了制造业升级换代的热潮，其中智能机器人行业越来越多的受到企业、高校的重视。人形机器人主要是通过控制各关节转动来模拟人体动作，而关节间频繁发生相对运动，对其连接方式可靠性带来了巨大挑战，故目前，关节连接可靠性为机器人关节可靠性的主要技术瓶颈。产品质量对于企业，是其长期发展的生命线，兴起的人形机器人行业现暂无可靠性测试标准可借鉴，业内只能通过模拟简单的用户操作环境来进行机器人的动作编导，从而进行机器人可靠性的检测，该种测试方式存在测试时间长，难以及时发现可靠性问题的缺点。

发明内容

针对现有技术中存在机器人关节可靠性测试无标准、测试时间长以及难以发现可靠性问题的缺点，本发明提供了一种关节连接可靠性测试方法，该测试方法能够尽可能早地发现关节的失效问题，缩短可靠性测试时间，进而缩短设计改进周期。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

提供一种关节连接可靠性测试方法，包括以下步骤：

获取关节转动角度范围；

根据所述关节转动角度范围编辑关节动作表，设定测试时间，通过执行关节动作表控制关节重复进行动作，记录执行数据；

根据所述执行数据判断关节可靠性是否达标。

进一步的，所述关节动作表包括最大转角范围和最大转速的参数设置。

进一步的，所述获取关节转动角度范围之前，还包括整机设计观察的步骤：

观察关节在结构上允许转动范围的最大角度、关节转动过程连接处的间隙变化以及连接线缆在关节转动过程中的行进轨迹。

进一步的，所述获取关节转动角度范围包括：

手动转动待测试关节，记录关节转动时连接线缆发生干涉时的各角度值，得到角度值集；

根据角度值集中的最小角度值和最大角度值确定关节转动角度范围。

进一步的，根据获取的关节转动角度范围，判断关节转动角度范围是否在关节转动的理论值范围内；

若关节转动角度范围在关节转动的理论值范围内，则编辑关节动作表的最大转角范围时，所述最大转角范围大于或等于关节转动角度范围；

若关节转动角度范围不在关节转动的理论值范围内，则编辑关节动作表的最大转角范围时，所述最大转角范围保持在理论值范围内并尽量接近关节转动角度范围。

进一步的，所述记录执行数据包括：

记录所述测试时间内关节发生不可恢复故障的时间间隔，将所述时间间隔作为平均无故障时间。

进一步的，测试多个机器人相同关节发生不可恢复故障的时间间隔，求均值作为平均无故障时间。

进一步的，所述关节可靠性通过所述平均无故障时间进行表征：

若所述平均无故障时间大于或等于设计标准值，则关节可靠性达标；

若所述平均无故障时间小于设计标准值，则关节可靠性不达标。

进一步的，通过所述平均无故障时间推测用户可靠使用时长。

进一步的，通过失效率判断关节可靠性是否达标。

根据本发明的关节连接可靠性测试方法，通过获得的关节转动角度范围编辑关节动作表，设定测试时间，通过执行关节动作表控制关节重复进行动作，并记录执行数据，然后根据记录的执行数据判断关节可靠性是否达标，例如关节之间间隙设计及线缆连接设计是否合理，从而对应地更改设计方案，该测试方法有效地缩短了可靠性测试所用的时间，进而节约研发解决问题的时间。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的一种关节连接可靠性测试方法的流程示意图；

图2是本发明实施例2提供的平均无故障时间MTBF结果示意图；

图3是本发明对比例1提供的平均无故障时间MTBF结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参见图1所示，本实施例公开了一种关节连接可靠性测试方法，包括以下步骤：

获取关节转动角度范围：所述关节转动角度范围包括关节转动时可能发生干涉位置的角度值集；

根据所述关节转动角度范围编辑关节动作表，设定测试时间，通过执行关节动作表控制关节重复进行动作，记录执行数据；

根据执行数据判断关节可靠性是否达标。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“关节”指代的是机器人上的可旋转活动部位，所述关节可通过舵机连接不同的部件，本发明所述线缆可用于关节上舵机之间的电性连接，也可以是舵机与控制器之间的电性连接，而本测试方法用于测试线缆与关节之间、线缆与关节连接部件之间、线缆与固定关节部件之间、线缆与关节装饰部件之间，或线缆与其他可能产生干涉的部件之间的连接可靠性测试，同理，也可应用于关节上不同部件间磨损可靠性测试，因此不能理解为对本发明应用领域的限制。

所述关节动作表包括最大转角范围和最大转速的参数设置，最大转角范围，使得单次转动中，关节单次位移量最大，所述最大转速即关节测试时所能达到的最大转速，可更早、更全面的暴露出关节连接存在的问题。

所述获取关节转动角度范围之前，还包括整机设计观察的步骤，以排除明显干涉因素，具体包括：观察关节连接方式、关节在结构上允许转动范围的最大角度、关节转动过程连接处的间隙变化、以及连接线缆在关节转动过程中的行进轨迹。

在本实施例中，可通过前期整机设计观察对关节连接处设计有整体的了解，同时排除一些能够从视觉上发现的明显干涉因素，从而及时进行设计纠正。

所述获取关节转动角度范围的操作包括：拆解关节外部结构，所述关节外部结构不涉及与关节转动相关的功能件，也不涉及在转动过程中会与线缆发生干涉的零件；如关节外部不存在会影响关节转动时线缆干涉情况观察的外部结构，可省略对于外部结构拆解这一操作；找到需测试的关节，手动转动关节，观察在转动过程中连接线缆发生干涉的位置及在转动范围内可能发生的干涉情况，记录关节转动时连接线缆发生干涉的角度值，得到角度值集，选取角度值集中的最小角度值和最大角度值作为关节转动角度范围的两个端点。

关节转动时，线缆与关节或其他部件发生相对运动，关节或其他部件对线缆摩擦做功，可致线缆老化断裂。

该操作将转动过程中线缆的干涉情况限定于一个相应的关节转动角度范围内，在此关节转动角度范围之外线缆不会与关节或其他部件发生干涉，从而有利于后续线缆可靠性检测中关节转动角度的确定，避免将不发生干涉的转动角也包括在测试角度中，同时设置了最大转速，从而有利于减少测试时间，同时不会对检测结果产生干扰，保持检测结果的稳定性。

根据获取的关节转动角度范围，判断关节转动角度范围是否在关节转动的理论值范围内，关节转动的理论值范围指的是关节受外部结构和舵机本身的限制，在编制所述关节动作表的时候关节所能够编制的最大范围；

若关节转动角度范围在关节转动的理论值范围内，则编辑关节动作表的最大转角范围时，所述最大转角范围大于或等于关节转动角度范围，优选所述最大转角范围等于所述关节转动角度范围；

若关节转动角度范围不在关节转动的理论值范围内，则编辑关节动作表的最大转角范围时，所述最大转角范围保持在理论值范围内并尽量接近关节转动角度范围。

在本实施例中，用于表征关节连接可靠性的参数有失效率、可靠度、平均失效间隔时间、平均失效间隔次数等，需要说明的是，用于关节连接可靠性的表征还有其他多种方式，均应包括在本发明的保护范围中。

该关节可靠性测试方法可用于测试单个关节的连接可靠性测试，也可用于整机上多个关节的连接可靠性测试。

在本实施例中，根据执行数据判断关节可靠性是否达标；所述步骤记录执行数据包括：

记录所述测试时间内关节发生不可恢复故障的时间间隔，将所述时间间隔作为平均无故障时间。

所述关节可靠性可通过平均无故障时间MTBF进行表征，通过MTBF与设计标准值进行比较；

若MTBF大于或等于设计标准值，则关节可靠性达标，所述设计标准值即设计工程师根据产品特性预设的一个产品可靠性的合格值，通过该值判断产品的合格性；

若MTBF小于设计标准值，则关节可靠性不达标。

采用《GBT 5080.7-1986设备可靠性试验恒定失效率假设下的失效率与平均无故障时间的验证试验方案》中MTBF的计算标准，假定失效率λ为恒定值，平均无故障时间MTBF的计算方式为：

$MTBF=\frac{1}{\mathrm{\λ}}$

其中，λ为失效率。

测试关节的失效率函数λ(t)为：

$\mathrm{\&lambda;}\left(t\right)=\lim \frac{1}{\mathrm{\&Delta;}t}P(t<T\&le;t+\mathrm{\&Delta;}t|T>t)$

其中Δt表示时间增量；t表示时间变量；P表示此时间增量内发生的失效概率，由不同测试时间段内关节发生不可恢复故障的个数统计得到。

另一方面，为了准确测量同一批次机器人某个关节部位的可靠性，可以测试多个机器人相同关节发生不可恢复故障的时间间隔，求均值作为平均无故障时间。

若关节可靠性达标则结束测试；

若关节可靠性不达标则对应更改关节设计，从头开始重复测试。

进一步可以通过得到的平均无故障时间MTBF推测用户使用可靠性时长。

进一步，也可以通过失效率λ表征测试关节的可靠性。

在机器人产品的研发过程中，需要不断进行关节可靠性测试，同时根据关节可靠性测试来相应修改机器人的关节设计，因此，关节可靠性测试的时间在机器人产品的研发周期占有较大的比重，通过本发明公开的一种测试方法能够尽早的暴露出关节连接存在的问题，尤其是线缆与关节或其他零件之间的干涉问题，有效地缩短进行关节可靠性测试所用的时间，进而缩短研发解决问题的时间周期。

在本测试方法中，进行关节动作表的重复动作前期即可排查是否有干涉，一般1h之内即可暴露问题。当干涉原因排除后，摩擦力做功导致线缆老化磨损后断裂成为失效的主要原因。

实施例2

机器人整机上包括有多个关节，在测试之前，将所述多个关节按顺序从1号开始进行顺序编号，以下以2号关节为例，对本实施例进行说明。

S1：转动机器人2号关节，观察线缆在位移过程中，可能与零部件发生干涉的位置，并对应记录发生干涉位置的对应关节的角度值，得到2号关节的角度值集，选取2号关节的角度值集中的最小角度值和最大角度值作为关节转动角度范围的两个端点，得到2号关节的关节转动角度范围；

S2：根据S1的关节转动角度范围编辑关节动作表，所述关节动作表包括最大转角范围和最大转速的参数设置，所述最大转角范围为160°，最大转速为160°/1250ms，转速的占空比为1:0；此处所述转速的占空比指的是关节转动、停止的时间占比；设定测试时间，通过执行关节动作表控制2号关节重复进行动作，记录执行数据，执行数据包括：测试时间，以及在测试时间段内2号关节发生不可恢复故障的个数；

S3：根据执行数据判断关节可靠性是否达标；

得到2号关节的平均无故障时间MTBF₁＝37.5h，采用平均无故障时间MTBF对关节可靠性进行表征。采用《GBT 5080.7-1986设备可靠性试验恒定失效率假设下的失效率与平均无故障时间的验证试验方案》中MTBF的计算标准，假定失效率λ为恒定值，所述平均无故障时间MTBF为：

$MTBF=\frac{1}{\mathrm{\&lambda;}}$

所述测试关节的失效率函数λ(t)为：

$\mathrm{\&lambda;}\left(t\right)=\lim \frac{1}{\mathrm{\&Delta;}t}P(t<T\&le;t+\mathrm{\&Delta;}t|T>t)$

其中Δt表示时间增量；t表示时间变量；P表示此时间增量内发生的失效概率，由测试时间段内关节发生不可恢复故障的个数统计得到。

同理，通过同样的方法对5号关节进行测试，设置5号关节的最大转角范围为160°，最大转速为160°/1250ms，转速的占空比为1:0；得到5号关节平均无故障时间MTBF₂＝50h；

通过同样的方法对其余各个关节进行测试，得到各个关节的平均无故障时间。

测试结果参见图2所示。

对比例1

机器人整机上包括有多个关节，在测试之前，将所述多个关节按顺序从1号开始进行顺序编号，以下以2号关节为例，对本实施例进行说明：

S1：选取机器人常用的舞蹈动作表，其中最大转角范围为86.25°，最大转速为86.25°/1000ms，转速的占空比为1:1；设定测试时间，通过执行舞蹈动作表控制2号关节重复进行动作，记录执行数据，执行数据包括：测试时间，以及在不同测试时间段内2号关节发生不可恢复故障的个数；

S2：根据执行数据判断关节可靠性是否达标；

采用平均无故障时间MTBF对关节可靠性进行表征，采用《GBT 5080.7-1986设备可靠性试验恒定失效率假设下的失效率与平均无故障时间的验证试验方案》中MTBF的计算标准，假定失效率λ为恒定值，所述平均无故障时间MTBF的计算方式为：

$MTBF=\frac{1}{\mathrm{\&lambda;}}$

所述测试关节的失效率函数λ(t)为：

$\mathrm{\&lambda;}\left(t\right)=\lim \frac{1}{\mathrm{\&Delta;}t}P(t<T\&le;t+\mathrm{\&Delta;}t|T>t)$

其中Δt表示时间增量；t表示时间变量；P表示此时间增量内发生的失效概率，由测试时间内关节发生不可恢复故障的个数统计得到；

通过测试得到2号关节的平均无故障时间MTBF₃＝190h。

同理，通过同样的方法对5号关节进行测试，设置5号关节的最大转角范围为86.25°，最大转速为86.25°/1000ms，转速的占空比为1:1；得到5号关节平均无故障时间MTBF₄＝272h；

通过同样的方法对其余各个关节进行测试，得到各个关节的平均无故障时间。

测试结果参见图3所示。

测试结果分析

图2为实施例2得到的测试结果；图3为对比例1得到的测试结果；由图2可知机器人整机的各个关节中，2号关节和5号关节的可靠性时长较低，故机器人整机的可靠性受限于2号关节和5号关节的可靠性；由图3可知，截止至272h，除2号关节和5号关节外，其他关节未出现不可恢复故障。故采用2号关节和5号关节为例进行测试结果分析：

图2和图3表现出机器人整机的可靠性均受限于2号关节和5号关节的可靠性，且实施例1得到的2号关节的平均无故障时间MTBF₁＝37.5h，实施例1得到的5号关节的平均无故障时间MTBF₂＝50h，对比例1得到的2号关节的平均无故障时间MTBF₃＝190h，对比例1得到的5号关节的平均无故障时间MTBF₄＝272h；可知，通过采用本测试方法能够使2号关节提前152.5h暴露可靠性问题，使5号关节提前222h暴露可靠性问题，且暴露的失效原因相同，大大节约研发解决问题的时间。

以下通过与理论值比对分析本测试方法的合理性：

摩擦力做功是导致线缆老化磨损的主要原因，而摩擦力做功为

W＝F*s＝F*r*θ＝F*r*w*t₁

其中，W表示摩擦力所做的功，F表示摩擦力，r表示关节转动半径，θ表示时间t₁内关节转动的角度，w表示角速度，t₁表示测试时间内的干涉做功时长。

由于实施例2和对比例1中测试同一关节时采用同一型号的连接线缆，故实施例2和对比例1中连接线缆的抗摩擦力可靠性相同，所受摩擦力相同，每转动1°关节拉动线缆产生的位移相同，即

W₁＝W₂

F₁＝F₂

其中，W₁表示实施例2中摩擦力做功，W₂表示对比例1中摩擦力做功，F₁表示实施例2中摩擦力，F₂表示对比例1中摩擦力。

实施例2中转速的占空比为1:0，对比例1中转速的占空比为1:1，故

$w_1*t_2=w_2*\frac{t_3}{2}$

其中，w₁表示实施例2中角速度，w₂表示对比例1中角速度，t₂表示实施例2中理论运行时间，t₃表示对比例1中理论运行时间。

得到实施例2与对比例1理论运行时间之比为

而实际测试中，实施例2得到的2号关节的平均无故障时间MTBF₁＝37.5h，对比例1得到的2号关节的平均无故障时间MTBF₃＝37.5h，可知，测试中2号关节的运行时间之比为MTBF₁/MTBF₃＝190/37.5≈5.07

实际测试中，实施例2得到的5号关节的平均无故障时间MTBF₂＝50h，对比例1得到的5号关节的平均无故障时间MTBF₄＝272h，可知，测试中5号关节的运行时间之比为MTBF₂/MTBF₄＝272/50≈5.44

理论值4.64与实测值5.07、5.44很接近，证明通过本发明提供的一种关节连接可靠性测试方法得到的测试结果可信度高，因此可通过本极限测试思想，尽可能早的发现关节失效性，暴露问题，提高测试效率，同时也可以通过极限测试与理论运行时间之比，进一步推测出机器在正常使用中的可靠性时间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种关节连接可靠性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取关节转动角度范围；

根据所述关节转动角度范围编辑关节动作表，设定测试时间，通过执行关节动作表控制关节重复进行动作，记录执行数据；

根据所述执行数据判断关节可靠性是否达标。

2.根据权利要求1所述的关节连接可靠性测试方法，其特征在于，所述关节动作表包括最大转角范围和最大转速的参数设置。

3.根据权利要求1所述的关节连接可靠性测试方法，其特征在于，所述获取关节转动角度范围之前，还包括整机设计观察的步骤：

观察关节在结构上允许转动范围的最大角度、关节转动过程连接处的间隙变化以及连接线缆在关节转动过程中的行进轨迹。

4.根据权利要求2所述的关节连接可靠性测试方法，其特征在于，所述获取关节转动角度范围包括：

手动转动待测试关节，记录关节转动时连接线缆发生干涉时的各角度值，得到角度值集；

根据角度值集中的最小角度值和最大角度值确定关节转动角度范围。

5.根据权利要求4所述的关节连接可靠性测试方法，其特征在于，根据获取的关节转动角度范围，判断关节转动角度范围是否在关节转动的理论值范围内；

若关节转动角度范围在关节转动的理论值范围内，则编辑关节动作表的最大转角范围时，所述最大转角范围大于或等于关节转动角度范围；

若关节转动角度范围不在关节转动的理论值范围内，则编辑关节动作表的最大转角范围时，所述最大转角范围保持在理论值范围内并尽量接近关节转动角度范围。

6.根据权利要求1所述的关节连接可靠性测试方法，其特征在于，所述记录执行数据包括：

记录所述测试时间内关节发生不可恢复故障的时间间隔，将所述时间间隔作为平均无故障时间。

7.根据权利要求1所述的关节连接可靠性测试方法，其特征在于，测试多个机器人相同关节发生不可恢复故障的时间间隔，求均值作为平均无故障时间。

8.根据权利要求6或7所述的一种关节连接可靠性测试方法，其特征在于，所述关节可靠性通过所述平均无故障时间进行表征：

若所述平均无故障时间大于或等于设计标准值，则关节可靠性达标；

若所述平均无故障时间小于设计标准值，则关节可靠性不达标。

9.根据权利要求8所述的一种关节连接可靠性测试方法，其特征在于，通过所述平均无故障时间推测用户可靠使用时长。

10.根据权利要求1所述的关节连接可靠性测试方法，其特征在于，通过失效率判断关节可靠性是否达标。