吳蒙 瞿衛(wèi)新 王琨

（1.中國家用電器研究院 北京 100037；2.海博（蘇州）機(jī)器人科技有限公司 蘇州 215131）

機(jī)器人集現(xiàn)代制造技術(shù)、新型材料技術(shù)和信息控制技術(shù)為一體，是智能制造的代表性產(chǎn)品，其研發(fā)、制造和應(yīng)用已經(jīng)成為衡量一個國家科技創(chuàng)新和制造業(yè)水平的重要標(biāo)志，引起了世界制造強(qiáng)國的高度重視。2015 年5 月國務(wù)院發(fā)布的國家行動綱領(lǐng)《中國制造2025》，就將“高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人”作為大力推動的十大重點(diǎn)領(lǐng)域之一，提出機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要“圍繞汽車、機(jī)械、電子、危險(xiǎn)品制造、國防軍工、化工、輕工等工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用以及醫(yī)療健康、家庭服務(wù)、教育娛樂等服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用的需求，積極研發(fā)新產(chǎn)品，促進(jìn)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化發(fā)展，擴(kuò)大市場應(yīng)用?！?/p>

早在2007 年比爾?蓋茨就在《環(huán)球科學(xué)》（《科學(xué)美國人》中文版）中撰稿向世界預(yù)言：機(jī)器人將與30 年前的個人電腦一樣邁入家家戶戶，徹底改變?nèi)祟惖纳罘绞?，并說“21 世紀(jì)以后將是機(jī)器人的世紀(jì)”。日本機(jī)器人協(xié)會（JRA）統(tǒng)計(jì)預(yù)測到2025 年全球智能服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)整體將達(dá)到517 億美元。進(jìn)入21 世紀(jì)，國際上也普遍認(rèn)為，家用機(jī)器人將在不久的將來成為全球龐大的產(chǎn)業(yè)之一。因此，國際以及世界各國標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)、產(chǎn)品研發(fā)機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)也都投入大量精力研制家用機(jī)器人領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)，以應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的挑戰(zhàn)。

國際電工委員會（IEC）在2016 年發(fā)布了IEC 62849:2016《家用移動機(jī)器人性能評估方法》國際標(biāo)準(zhǔn)[1]，針對家用機(jī)器人自主移動這一核心特點(diǎn)，制定了多項(xiàng)性能的評估方法。每項(xiàng)測試和評估方法都在全球范圍內(nèi)針對不同類型的家用機(jī)器人進(jìn)行了循環(huán)比對試驗(yàn)，充分驗(yàn)證了方法的可重復(fù)性和再現(xiàn)性。同時，該標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容也被ISO、IEC 以及各國的機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)大量引用，充分證明了其科學(xué)性和先進(jìn)性已在全球范圍內(nèi)得到認(rèn)可。

本文將會對IEC 62849 標(biāo)準(zhǔn)第一版的現(xiàn)有內(nèi)容以及正在修訂中的第二版相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行簡要的介紹和分析。

1 IEC 62849 第一版內(nèi)容解析

IEC 62849 的第一版發(fā)布于2016 年。標(biāo)準(zhǔn)對家用機(jī)器人、家用移動機(jī)器人、回充電座能力、位姿、自主模式、手動模式等術(shù)語給出了定義，并且對測試的前提條件、工作條件、環(huán)境條件、設(shè)備和材料、樣品數(shù)量、電池、機(jī)器人的運(yùn)行、尺寸公差和單位等給出了明確的規(guī)定。同時對以下六項(xiàng)家用移動機(jī)器人的重要性能給出了測試評估方法。

1.1 位姿

家用和類似用途機(jī)器人在復(fù)雜動態(tài)場景下的位姿準(zhǔn)確度和位姿重復(fù)性決定了執(zhí)行任務(wù)的智能性和可靠性，建立評價(jià)移動機(jī)器人在家用和類似場景下的位姿準(zhǔn)確度和重復(fù)性的評測方法對產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證和質(zhì)量提升都尤為重要。在工業(yè)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)中的通用位姿準(zhǔn)確度和位姿重復(fù)性主要是針對工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)而設(shè)定的方法，這樣的測試原理和方法并不適用于在復(fù)雜動態(tài)場景下具備環(huán)境地圖構(gòu)建、障礙物識別與規(guī)避、自主定位與導(dǎo)航功能的移動機(jī)器人的位姿準(zhǔn)確度和位姿重復(fù)性。

本標(biāo)準(zhǔn)中的測試方法是基于移動機(jī)器人在家用場景下的基本移動狀態(tài)，通過事先標(biāo)定移動機(jī)器人的起始點(diǎn)，在機(jī)器人經(jīng)過指令給出一個完整的路徑軌跡后，測量該移動機(jī)器人在終點(diǎn)位置時的位姿，并與指令位姿比較得出角度偏差和位置偏差，實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人位姿準(zhǔn)確度和位姿重復(fù)性檢測。此方法同時評測了移動機(jī)器人的輪子移動的累積誤差和移動偏差，從而確保了非常高的測量精度。

1.2 回充電座能力

作為消費(fèi)者關(guān)注的家用機(jī)器人重要指標(biāo)，回充電座能力越來越受到重視。本標(biāo)準(zhǔn)的測試模擬了真實(shí)的作業(yè)環(huán)境。首先測試場景模擬了家庭環(huán)境，采用隔板將整個測試區(qū)域分為3個房間；其次，根據(jù)消費(fèi)者使用習(xí)慣調(diào)研情況，機(jī)器人運(yùn)行起始點(diǎn)（充電座位置）和運(yùn)行區(qū)域充分考慮了跨房間運(yùn)行工況。此外，對于評估機(jī)器人返回充電座能力的指標(biāo)，本標(biāo)準(zhǔn)加入了返回時間和多次運(yùn)行成功率的考核。其中返回時間指標(biāo)為不超過30 分鐘，多次運(yùn)行則是通過向處于回充區(qū)域的機(jī)器人發(fā)出回充指令，觀察其回到2 個不同充電站的情況進(jìn)行測試，對于每個充電站各運(yùn)行5 次（共10 次）。

本標(biāo)準(zhǔn)的回充電座能力測試項(xiàng)目通過對實(shí)際生活場景的模擬，以及對回充的成功率和時間兩大關(guān)鍵指標(biāo)要素的考核，確保了回充能力測試的真實(shí)性和準(zhǔn)確性；通過多組測試數(shù)據(jù)來反映機(jī)器人的回充能力，體現(xiàn)了該測試的科學(xué)性和可重復(fù)性。

1.3 單次充電工作時間

本標(biāo)準(zhǔn)在單次充電工作時間測試方法的制定中采用了全新的理念和思路，引入系數(shù)因子（完全放電消耗的交流電能和單次工作消耗的交流電能比值），然后用系數(shù)因子乘以每次運(yùn)行的工作總時間，得到單次充電的最大工作時間。

本標(biāo)準(zhǔn)引入系數(shù)因子的測試方法，利用標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境下對正常家居環(huán)境的模擬，減小了測試環(huán)境導(dǎo)致的工作時長的測量誤差，提升了測試結(jié)果的可重復(fù)性；減小了單一環(huán)境或非正常環(huán)境下測量數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的誤差，提升了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可對比性；在不影響測試結(jié)果準(zhǔn)確性和可重復(fù)性的前提下，有效降低了對測試資源的需求，縮短了試驗(yàn)測試周期，降低了對試驗(yàn)場地面積的要求，從而提高了測試效率。

1.4 臺階和懸崖探測能力

家用和類似用途機(jī)器人在室內(nèi)家居和類似應(yīng)用場景下，通過在機(jī)器人底部設(shè)計(jì)安裝各類下視地面檢測傳感器，使其具備懸崖探測感知功能，從而有效預(yù)防跌落風(fēng)險(xiǎn)，有效提升了移動機(jī)器人的智能化程度。然而，由于懸崖探測傳感器一般采用IR紅外發(fā)射和接收管，通過反射光量的接收探測懸崖，容易受到外部光照強(qiáng)度和IR 傳感器在底部結(jié)構(gòu)排布的合理性等因素的影響，導(dǎo)致傳感器誤判、機(jī)器人反應(yīng)不及時或重心失衡，產(chǎn)生跌落的風(fēng)險(xiǎn)。

本標(biāo)準(zhǔn)中的評測方法是確定機(jī)器人在移動過程中對單個臺階和懸崖的探測和處理能力。在對比IEC、ISO 和ASTM 等機(jī)構(gòu)已經(jīng)出版的服務(wù)機(jī)器人相關(guān)性能評測標(biāo)準(zhǔn)后，沒有發(fā)現(xiàn)可參照的評測方法。因此，該方法填補(bǔ)了此領(lǐng)域的空白，具備國際領(lǐng)先性。特別是單臺階右下角R175 的缺口設(shè)計(jì)，能客觀地評測出下視傳感部分缺失、機(jī)器人探測到臺階后的應(yīng)對處理及重心失衡等實(shí)際使用中出現(xiàn)跌落風(fēng)險(xiǎn)的真實(shí)狀態(tài)，有效提升產(chǎn)品智能性和質(zhì)量。

1.5 避障

目前，家用機(jī)器人產(chǎn)品在運(yùn)行過程中，與物體碰撞、接觸力度過大導(dǎo)致物體破損、位移或跌落等次生損害的問題較為突出。因此，對機(jī)器人避障功能進(jìn)行科學(xué)合理、定性定量的檢測評估，成為標(biāo)準(zhǔn)制定中的新課題。

本標(biāo)準(zhǔn)引入了一種集信號采集設(shè)備、檢測器基座、力傳感器、滑軌和基板為一體的標(biāo)準(zhǔn)化避障測試設(shè)備，通過安裝在基板和測試臺上的高速相機(jī)、毫米刻度尺和測力傳感器，來捕捉機(jī)器人的避障率、最小避障距離和觸碰力大小。標(biāo)準(zhǔn)提出了模擬家庭環(huán)境下移動機(jī)器人面對的通用障礙物模型，并分別對機(jī)器人成功躲避及機(jī)器人碰撞障礙物給出了評估參數(shù)。通過統(tǒng)計(jì)5次避障測試中有效規(guī)避障礙物的次數(shù)，得出避障成功率的指標(biāo)，并記錄高速相機(jī)捕捉到的最小避障距離。測試系統(tǒng)也通過統(tǒng)計(jì)機(jī)器人在沒有有效規(guī)避障礙物并碰觸撞板的過程中的測力傳感器所捕捉到的最大碰觸力，并通過加權(quán)平均計(jì)算出最大受力值。

本標(biāo)準(zhǔn)的避障能力測試方法，通過規(guī)范測試環(huán)境，確保了測試環(huán)境的一致性；通過規(guī)定檢測設(shè)備的性能指標(biāo)，確保了測試誤差的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)室以此測試規(guī)范進(jìn)行搭建環(huán)境，按定義的測試方法操作、測試，所得到的測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信，可以直觀評估出家用機(jī)器人在家居環(huán)境中感知障礙物并采取何種規(guī)避方式，有效引導(dǎo)和規(guī)范家用機(jī)器人避障功能的研發(fā)和驗(yàn)證。

地方性與裁量性的特點(diǎn)在一定程度上消解了社會救助的權(quán)利意味，使得社會救助的給予成為行政機(jī)關(guān)可以自由選擇的事項(xiàng)，是否對社會救助權(quán)進(jìn)行司法保護(hù)便成了社會救助權(quán)最終能否得以成立的關(guān)鍵因素之一。西方國家的經(jīng)驗(yàn)提示我們，社會救助權(quán)的司法保護(hù)往往受到經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響，隨著經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，社會救助權(quán)的保障限度也不斷升級，以至于在行政訴訟中出現(xiàn)了先予執(zhí)行、給付訴訟、規(guī)范性文件附帶審查、公益訴訟等配套制度[14]28，相較而言，我國行政訴訟中的社會救助權(quán)保護(hù)依舊在萌芽階段，一些制度已在規(guī)范層面呈現(xiàn)，但其作用有待進(jìn)一步實(shí)踐證明。

1.6 線纜跨越性能

針對線纜跨越性能測試，以往的測試方法僅對跨越不同粗細(xì)和材質(zhì)線纜的成功率進(jìn)行測試，而在跨越線纜的方法、跨越線纜成功后轉(zhuǎn)移的能量方面并沒有進(jìn)行有效評估。本標(biāo)準(zhǔn)使用定量和定性相結(jié)合的方法，通過觀察機(jī)器人在測試場景下的三種情況，定性地分析機(jī)器人在家居環(huán)境下對于線纜纏繞的應(yīng)對能力，同時記錄機(jī)器人在擺脫線纜過程中所需的時間、拖動線纜的位移以及拉動擺桿的距離等，來定量地評估家用機(jī)器人跨越線纜的能力。

本標(biāo)準(zhǔn)將機(jī)器人跨越線纜定性地分為三種結(jié)果，并對三種結(jié)果進(jìn)行記錄。機(jī)器人跨越線纜的三種結(jié)果定義為：①機(jī)器人跨越電纜；②機(jī)器人被電纜纏??；③機(jī)器人檢測到電纜，并采取另一動作來處理。針對以上三種情況，分別記錄了機(jī)器人跨越線纜的最大擺動距離。此外，針對情況②，還記錄了被線纜纏繞的條件，針對情況③，還記錄了擺脫線纜規(guī)避動作的類型。

本標(biāo)準(zhǔn)還使用碳纖維桿和環(huán)形標(biāo)記對最大擺動距離進(jìn)行測量，定量地分析機(jī)器人的跨越線纜性能。在測試臺的設(shè)置上，使用了碳纖維桿與環(huán)形標(biāo)記相結(jié)合的方法。為了使測量結(jié)果更加穩(wěn)定可靠，在碳纖維管的末端加入了800 g 的配重，以盡可能降低碳纖維桿的重心，減小測量擾動。在環(huán)形標(biāo)記的設(shè)置上，設(shè)置了120 個半徑依次遞增的10 mm 的同心圓，來檢查擺桿底端的位移，從而評估機(jī)器人因跨越線纜并產(chǎn)生拖動而轉(zhuǎn)移到擺桿導(dǎo)致其底端發(fā)生位移的能量。

2 IEC 62849 第二版修訂方向淺析

在IEC 62849 制定之初，就將家用機(jī)器人所涉及的主要性能按照重要性以及測試評估方法的成熟度進(jìn)行過劃分。2016年發(fā)布的第一版列出了其中最為重要且具備前期研究基礎(chǔ)的六個測試項(xiàng)目。隨著消費(fèi)者對產(chǎn)品性能要求的升級，作為科學(xué)性和先進(jìn)性在家用場景中的典型代表，家用機(jī)器人勢必將向著更加智能化的方向發(fā)展，以更好地滿足消費(fèi)者需求。因此，IEC 62849 第二版考慮了更多室內(nèi)家居和類似應(yīng)用場景下機(jī)器人的運(yùn)行情況，計(jì)劃將另外幾項(xiàng)已在起草工作組內(nèi)部反復(fù)討論過的重要性能測試評估方法納入新版標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的智能性更加全面的評估。需要注意的是，以下介紹的內(nèi)容可能與未來發(fā)布的正式版本有所差別，并且隨著研究的不斷深入，第二版標(biāo)準(zhǔn)將會更系統(tǒng)而全面。第二版優(yōu)先制定的新的四項(xiàng)性能具體如下：

2.1 能耗

家用和類似用途移動機(jī)器人是一種新型的家用電器，因此其能耗也倍受消費(fèi)者關(guān)注。第二版在修訂時就將能耗作為一項(xiàng)重要的考核項(xiàng)目。以清潔機(jī)器人為例，標(biāo)準(zhǔn)將產(chǎn)品的耗電狀態(tài)分為三種：一是機(jī)器人充滿電后離開充電座，此時只有充電座本身耗電；二是機(jī)器人回到充電座進(jìn)行充電直至充滿電的狀態(tài)；三是機(jī)器人充滿電后依然停留在充電座上的狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)對于這三種狀態(tài)分別給出了能耗的測試方法，而機(jī)器人在一段時間內(nèi)（如24 小時或1 年）的耗電量，則可以根據(jù)其正常使用頻次，對三種狀態(tài)的時間進(jìn)行合理分配后計(jì)算得出。

2.2 光照影響性

由于家用機(jī)器人采用多傳感器融合技術(shù)，特別是紅外傳感器、激光鐳射傳感器、TOF 等光敏傳感器，機(jī)器人的導(dǎo)航對于周圍環(huán)境的光照條件具有很強(qiáng)的敏感性。因此，第二版在修訂時也重點(diǎn)考核機(jī)器人在三種常見光照條件下的性能。測試僅適用于帶有光敏傳感器的機(jī)器人。測試要求機(jī)器人在0.01 lux、150 lux～500 lux 以及1000 lux 三種光照條件下，分別進(jìn)行單臺階和懸崖探測處理、回充電座和避障三項(xiàng)測試，觀察機(jī)器人的運(yùn)行是否會出現(xiàn)異常。

2.3 坡度運(yùn)行性

由于第一版僅考慮了機(jī)器人在水平面的運(yùn)動，而斜坡也是機(jī)器人在家居和類似環(huán)境中工作的常見場景，因此對機(jī)器人在斜坡上移動性能的考核也非常重要。第二版主要針對帶有自動模式的機(jī)器人在斜坡上向上和向下運(yùn)動進(jìn)行測試。試驗(yàn)采用可調(diào)角度的斜坡，分別在3°、6°、9°、12°和15°的條件下讓機(jī)器人沿斜坡進(jìn)行向上和向下的運(yùn)動，觀察機(jī)器人是否能夠在規(guī)定時間內(nèi)順利到達(dá)坡頂或坡底。

2.4 越障能力

在日常使用中，家用和類似用途機(jī)器人經(jīng)常會遇到諸如門檻、地毯與硬地板過渡處等障礙，而具有良好的越障能力將有助于機(jī)器人在更廣闊的區(qū)域間（如多房間）自由移動。第二版中設(shè)計(jì)的越障測試是將測試臺分為兩個部分，中間設(shè)有一個過渡帶來模擬類似于門檻的障礙物。使機(jī)器人分別在自動模式和手動模式下從過渡帶的任一側(cè)向另一側(cè)移動，觀察是否能夠順利到達(dá)另一側(cè)，從而測試其越過不同高度的地面障礙物的能力。

3 結(jié)束語

IEC 62849 是全球第一項(xiàng)針對在家用和類似用途環(huán)境中使用的移動機(jī)器人的共性性能制定的國際標(biāo)準(zhǔn)，對全球家用機(jī)器人企業(yè)的生產(chǎn)和研發(fā)具有重要的指導(dǎo)作用。通過上述分析可以看出，IEC 62849 第二版的修訂較充分地考慮了更多的使用場景和條件，豐富了測試項(xiàng)目，更全面地考核了產(chǎn)品的智能特性，提高了產(chǎn)品符合標(biāo)準(zhǔn)的難度，以引導(dǎo)企業(yè)加大科技開發(fā)力度，提高產(chǎn)品的技術(shù)含量和質(zhì)量，從而將整個家用機(jī)器人行業(yè)推升到一個新的高度。