環(huán)境測試在機器人領(lǐng)域的應(yīng)用

張子星

在智能制造中，機器人扮演了很重要的角色。越是極端的環(huán)境下越適合用機器人代替人來完成相關(guān)工作，而且在很多緊急情況下，需要機器人具有極高的可靠性，能夠及時有效地完成既定任務(wù)。那么提高機器人的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性就成為了一個重要的課題。

機器人可代替或協(xié)助人類完成各種工作，凡是枯燥的、危險的、有毒的、有害的工作，都可由機器人大顯身手。機器人除了廣泛應(yīng)用于制造業(yè)領(lǐng)域外，還應(yīng)用于資源勘探開發(fā)、救災(zāi)排險、醫(yī)療服務(wù)、家庭娛樂、軍事和航天等其他領(lǐng)域。機器人是工業(yè)及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。

越是極端的環(huán)境下越適合用機器人代替人來完成相關(guān)工作，而且在很多緊急情況下，需要機器人具有極高的可靠性，能夠及時有效地完成既定任務(wù)。那么提高機器人的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性就成為了一個重要的課題。

圖1是國家電網(wǎng)使用的機器人，可以在帶電條件下進(jìn)行作業(yè)，進(jìn)行線路安裝、故障排查等工作。

這是比較典型的應(yīng)用場景，既有通用的氣候環(huán)境，又有特殊的工況要求。首先，通用的氣候環(huán)境包括高溫、低溫、濕度、光照、雨、雪、冰、灰塵、雷電等，這些氣候環(huán)境的因素往往是相互疊加的。而特殊的工況則包括有關(guān)安全的絕緣特性，以及自身工作時產(chǎn)生的力學(xué)振動和沖擊，轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)的疲勞壽命等。

經(jīng)過對工作環(huán)境和工況的分析，以及其工作的重要程度，我們根據(jù)電子電工產(chǎn)品的試驗標(biāo)準(zhǔn)和外殼防護標(biāo)準(zhǔn)，決定進(jìn)行高溫、低溫、濕度、抗風(fēng)、防水、防塵，以及絕緣特性的考核。

根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，我們選取的考核條件如下：

經(jīng)測試，該機器人通過了環(huán)境適應(yīng)性和安全性的考核。

通常在工廠里，生產(chǎn)線上的機器人所處環(huán)境的嚴(yán)酷等級較低，其環(huán)境適應(yīng)性和可靠性較高，開展相關(guān)研究和測試的要求也較低。但特殊環(huán)境和工況下應(yīng)用的機器人，就應(yīng)該開展相關(guān)的研究和測試，不斷提高產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性，從而提高機器人完成既定任務(wù)的概率。

例如，在野外執(zhí)行勘探任務(wù)的機器人，其所處環(huán)境溫差較大，具有各種自然環(huán)境下工作的可能性，地面不平整，會有跌落、沖擊、傾斜、振動的各種可能性，開展其環(huán)境適應(yīng)性的研究和測試就非常重要。

再如水下作業(yè)的機器人，開展其被液體浸泡，鹽霧腐蝕（海水中）、水壓，溫度，振動（波浪或者來自于自身振源的振動，如發(fā)動機）的環(huán)境適應(yīng)性研究和測試是非常必要的。

如環(huán)境監(jiān)測機器人，尤其是一些涉及安全的特殊環(huán)境監(jiān)測，如核電站、化工廠、動力系統(tǒng)等，則要求具有更高的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。在研制過程中要充分考慮，反復(fù)測試。

還有檢修機器人、飛行機器人、戰(zhàn)斗機器人、管道爬行機器人等，都需要開展相關(guān)的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性研究。而一些日常應(yīng)用的如清掃機器人、配送機器人、交流機器人等，如果能夠量產(chǎn)，也勢必要開展這類研究，提高產(chǎn)品的可靠性，降低故障率。

我們根據(jù)機器人的應(yīng)用環(huán)境和工況開展相關(guān)的研究，首先有一些試驗標(biāo)準(zhǔn)可以借用，然后再對特殊的應(yīng)用環(huán)境和工況進(jìn)行研究。通常可以參考的標(biāo)準(zhǔn)有IEC60068、GB2423、GB4208、MIL810和GJB150，前兩項主要是電子電工產(chǎn)品的環(huán)境試驗方法，第三項是外殼防護等級，后兩項是軍工產(chǎn)品的環(huán)境試驗方法。不管是電子電工產(chǎn)品還是軍工產(chǎn)品，除了一些特定的工況環(huán)境外，對自然環(huán)境的量化都是可以借用的，其中軍工產(chǎn)品的嚴(yán)酷等級要更高一些。而有些以產(chǎn)品質(zhì)量著稱的企業(yè)所制定的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也是可以參考的，他們的標(biāo)準(zhǔn)往往嚴(yán)酷等級更高，通常嚴(yán)酷等級的排序是國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，越往后嚴(yán)酷等級越高。

這些標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品所處的溫度、濕度、地標(biāo)的光照、雨、雪、冰、鹽霧、霉菌等環(huán)境的量化大多是可以直接剪裁的。但特殊環(huán)境和工況就無法找到支撐了，必要的時候就要開展相關(guān)的研究，指定適合自身產(chǎn)品的試驗方法。例如飛行機器人，如果飛行高度較高，那么其受到的太陽輻射和地表環(huán)境就不一樣，因為經(jīng)過大氣層后紫外光大量衰減，而紫外光對產(chǎn)品的破壞是很嚴(yán)重的，所以采用地表的太陽輻照標(biāo)準(zhǔn)做試驗考核的嚴(yán)酷度就不夠，我們稱之為欠試驗。再例如，某機器人長期在固定的區(qū)域移動，移動是會產(chǎn)生振動的，短期大量級的振動可能會破壞產(chǎn)品，長期小量級的振動也會讓產(chǎn)品積累損傷，從而受到破壞。這個固定區(qū)域的振動和地面地形有關(guān)系，和產(chǎn)品的自身工況也有關(guān)系，是無法參考某一標(biāo)準(zhǔn)的，我們就可以開展一定時長的跟蹤采集，然后將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，量化為試驗方法，或者進(jìn)一步上升為標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)代產(chǎn)品的更新?lián)Q代都很快，所以我們也會面臨著這樣一個問題，即如果評價一個產(chǎn)品在兩年、三年甚至五年的時間里的可靠性，如果我們花費兩三年的時間來研究其可靠性，很有可能我們研究出結(jié)果的時候，該產(chǎn)品已經(jīng)換代了。所以加速試驗也是一個方向，在業(yè)內(nèi)大量開展著相關(guān)的研究。不過這是一件有難度的工作，要開展大量的試驗，使用大量的被試件，不斷積累才能有所收獲。

環(huán)境測試非常普遍地存在于各種產(chǎn)品的研制、定型和批量抽檢中，如飛機、輪船、火箭、高鐵、汽車、建筑、橋梁、手機、電腦、化妝品、玩具等。機器人領(lǐng)域也不會例外，大浪淘沙，能夠建立良好的品牌形象、長久繁榮的企業(yè)一定是重視產(chǎn)品質(zhì)量的，而環(huán)境測試就是提升產(chǎn)品質(zhì)量不可或缺的一項工作。