基于BDD的工业机器人PMS系统用可靠性分析方法

本公开一般涉及工业机器人任务可靠性分析技术领域，具体涉及基于bdd的工业机器人pms系统用可靠性分析方法。

背景技术：

工业机器人是广泛用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，依靠自身的动力能源和控制能力实现各种工业加工制造功能。在无人参与下，实现搬运、焊接、装配、喷涂、打磨和去毛刺等多种生产作业。然而，长时间的任务执行与各种载荷的持续作用会造成机器人性能的下降甚至出现故障或失效，会导致任务的延误或失败，产品不同程度的破坏，由于机器人的多自由度，其运动的包络范围内可能会成为潜在的危险区，严重的故障还可能造成人员的伤害和环境的损害。因此，我们需考虑生产过程中可能导致机器人失效的各种因素，对机器人在规定条件和规定时间内完成产品生产的能力进行预估。

传统对工业机器人可靠性的研究是以机器人系统为中心，建立可靠性模型。用故障树分析法对机器人从整体到局部拆解，确定各个零部件与组成单元故障对系统可靠度的影响权重，根据各个部分的组成单元的寿命分布等相应参数，对系统进行可靠性评估。机器人初期设计时对系统可靠度影响较大的零部件加强与改进的指导。而在现实生产中，由于零件的承载能力与性能呈动态性，不同的生产环境、载荷等因素都影响其整体寿命，如环境温度、生产线多个机器人之间的相互干涉、超负荷工作等。这些随机因素在以系统为中心建立可靠性模型时难以定量计算。

因此，我们提出一种基于bdd的工业机器人pms系统用可靠性分析方法，用以解决上述的传统可靠性模型难以定量计算随机影响因素的问题。

技术实现要素：

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种优化零件动态性分析，准确在生产前预测生产任务成功完成的概率，保障工业机器人运行的可靠性的基于bdd的工业机器人pms系统用可靠性分析方法。

第一方面，本申请提供一种基于bdd的工业机器人pms系统用可靠性分析方法，包括以下步骤：

对工业机器人pms系统的工作任务划分，得到不同任务阶段，并获取各任务阶段的预设工作参数；

对工业机器人pms系统划分，得到四个子系统；获取不同任务阶段处于工作状态的子系统，并建立各任务阶段的工作拓扑图；

基于bdd和各任务阶段工作拓扑图，建立工业机器人pms系统各任务阶段可靠性模型，计算不同工作模式下，各子系统在不同任务阶段的失效率；

计算各子系统在不同任务阶段失效率的乘积，得到不同任务阶段的失效率；计算不同任务阶段的失效率之和，得到工业机器人pms系统的总失效率，并计算工业机器人pms系统的可靠度。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述的获取各任务阶段的预设工作参数，包括：

获取工业机器人pms系统的初始工作速度，基于工作速度与工作时间的负相关关系，计算工业机器人pms系统的初始工作时间；

确定不同任务阶段下各子系统工作指标发生改变的时间点，作为时间分割点；

依据时间分割点对工业机器人pms系统的初始工作时间划分，得到各任务阶段对应的初始工作时间。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述的计算不同工作模式下，各子系统在不同任务阶段的失效率，包括：

建立不同工作模式下，各子系统在不同任务阶段的失效函数，表示为qi＝1-ri＝1-rs(t)，(i＝1，2，3，4，5)；

qi表示工业机器人pms系统在第i阶段失效；ri表示工业机器人pms系统在第i阶段正常工作；

计算不同工作模式下，各子系统在不同任务阶段的失效率。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述的计算各子系统在不同任务阶段失效率的乘积，得到不同任务阶段的失效率；计算不同任务阶段的失效率之和，得到工业机器人pms系统的总失效率，并计算工业机器人pms系统的可靠度，包括：

不同任务阶段的失效率函数为

当i＝1时，q1＝1-p1；

当i≥2时，qi＝(1-∑qi-1)(1-pi)；

所述工业机器人pms系统的总失效率函数

qi表示ri在第i个任务阶段失效的概率；pi表示ri在第i个任务阶段工作的概率；

计算工业机器人pms系统的总失效率；

所述工业机器人pms系统的可靠度函数为

r为工业机器人pms系统的可靠度；

计算工业机器人pms系统的可靠度。

综上所述，本技术方案具体地公开了一种基于bdd的工业机器人pms系统用可靠性分析方法的具体流程。本申请通过将工作任务划分为不同任务阶段，将工业机器人pms系统划分为不同子系统，获得不同阶段对应的工作的子系统并建立各阶段工作拓扑图；通过建立各阶段的bdd模型，计算各阶段的失效率，再通过各阶段失效率的乘积得到工业机器人pms系统的失效率，最后计算工业机器人pms系统的可靠性；通过在工业机器人生产前，对工业机器人的可靠性进行分析，判断机器人是否能够顺利完成生产任务。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为一种基于bdd的工业机器人pms系统用可靠性分析方法的流程示意图。

图2为当各子系统以串联模式连接时移动阶段的bdd模型的示意图。

图3为当各子系统以串联模式连接时任务执行阶段的bdd模型的示意图。

图4为当动力系统存在冗余，各子系统以串-并混联模式连接时移动阶段的bdd模型的示意图。

图5为当动力系统存在冗余，各子系统以串-并混联模式连接时任务执行阶段的bdd模型的示意图。

图6为六轴机器人进行打磨任务时工作时间与转角的关系示意图。

图7为六轴机器人进行打磨任务时工作时间与角速度的关系示意图。

图8为六轴机器人每个轴在初始位置—进刀点的工作示意图。

图9为六轴机器人每个轴在进刀点—打磨开始的工作示意图。

图10为六轴机器人每个轴在打磨开始—打磨结束的工作示意图。

图11为六轴机器人每个轴在打磨结束—退刀点的工作示意图。

图12为六轴机器人每个轴在退刀点—初始位置的工作示意图。

图13为六轴机器人在初始位置—进刀点阶段的bdd模型的示意图。

图14为六轴机器人在进刀点—打磨开始阶段的bdd模型的示意图。

图15为六轴机器人在打磨开始—打磨结束阶段的bdd模型的示意图。

图16为六轴机器人在打磨结束—退刀点阶段的bdd模型的示意图。

图17为六轴机器人在退刀点—初始位置阶段的bdd模型的示意图。

图18为当工业机器人pms系统处于移动阶段时的bdd模型的示意图。

图19为当工业机器人pms系统处于任务执行阶段时的bdd模型的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参考图1一种基于bdd的工业机器人pms系统用可靠性分析方法的流程示意图，包括以下步骤：

对工业机器人pms系统的工作任务划分，得到不同任务阶段，并获取各任务阶段的预设工作参数；

对工业机器人pms系统划分，得到四个子系统；获取不同任务阶段处于工作状态的子系统，并建立各任务阶段的工作拓扑图；

基于bdd和各任务阶段工作拓扑图，建立工业机器人pms系统各任务阶段可靠性模型，计算不同工作模式下，各子系统在不同任务阶段的失效率；

计算各子系统在不同任务阶段失效率的乘积，得到不同任务阶段的失效率；计算不同任务阶段的失效率之和，得到工业机器人pms系统的总失效率，并计算工业机器人pms系统的可靠度。

在本实施例中，对工业机器人pms系统的工作任务划分，得到不同任务阶段，并获取各任务阶段的预设工作参数；

具体地：

实际使用中，工业机器人pms系统易受到外界环境、生产使用、人为操作失误、超负荷工作等因素的影响，使得传统计算系统可靠度的数据无法准确反映工业机器人pms系统的使用寿命，以及生产过程中出现故障的设备不能及时进行替换或者维修，影响生产效率；

通过在工业机器人生产前，对工业机器人的可靠性进行分析，判断机器人是否能够顺利完成生产任务。

依据工业机器人pms系统的工作进程，对工业机器人pms系统的工作任务划分，得到不同的任务阶段，并获取各任务阶段的预设工作参数；

其中，任务阶段具有5个阶段，依次包括：开始阶段、准备阶段、任务执行阶段、复位阶段和结束阶段；

又由于开始阶段、准备阶段、复位阶段以及结束阶段中，工业机器人pms系统的处于工作状态的子系统一致，可将上述四个阶段归为移动阶段；

预设工作参数包括：预设工作速度和相应的工作时间。

对工业机器人pms系统划分，得到四个子系统；获取不同任务阶段处于工作状态的子系统，并建立各任务阶段的工作拓扑图；

具体地：

根据工业机器人的失效特点与任务执行情况，对工业机器人pms系统划分，得到四个子系统，子系统分别为控制系统、伺服电机、减速器和末端执行系统；获取不同任务阶段处于工作状态的子系统，并建立各任务阶段的工作拓扑图；

其中，移动阶段对应的工作的子系统为控制系统、伺服电机、减速器；

任务执行阶段对应的工作的子系统为控制系统、伺服电机、减速器和末端执行系统。

基于bdd和各任务阶段工作拓扑图，建立工业机器人pms系统各任务阶段可靠性模型，计算不同工作模式下，各子系统在不同任务阶段的失效率；

具体地：

bdd模型为一个有向无环图，其包括终节点和非终节点，且节点之间依靠1或0分支连接；其中，非终节点表示基本事件，终节点表示基本事件的状态，其具有两个状态，0表示基本事件正常，1表示基本事件失效；

当工业机器人pms系统处于移动阶段时，该阶段处于工作状态的子系统为控制系统、伺服电机、减速器，将此三个子系统处于工作状态作为本系统的基本事件，建立bdd模型，如图18所示，

只有在三个子系统全部处于正常工作状态时，系统在移动阶段才为正常工作状态；

当工业机器人pms系统处于任务执行阶段时，该阶段处于工作状态的子系统为控制系统、伺服电机、减速器和末端执行系统，将此四个子系统处于工作状态作为本系统的基本事件，建立bdd模型，如图19所示，

只有在四个子系统全部处于正常工作状态时，系统在任务执行阶段才为正常工作状态。

依据四个子系统的不同连接关系，划分为四种工作模式；四种工作模式包括：串联模式、并联模式、表决模式、串-并混联模块；

建立不同工作模式下，各子系统在不同任务阶段的失效函数，表示为qi＝1-ri＝1-rs(t)，(i＝1，2，3，4，5)；

qi表示工业机器人pms系统在第i阶段失效；ri表示工业机器人pms系统在第i阶段正常工作；

计算不同工作模式下，各子系统在不同任务阶段的失效率；

其中，当工业机器人pms系统的工作模式为串联模式时，任务发生故障函数为

当工业机器人pms系统的工作模式为并联模式时，任务发生故障函数为

当工业机器人pms系统的工作模式为表决模式时，任务发生故障函数为

当各子系统以串联模式连接时，如图2所示为移动阶段的bdd模型，如图3所示为任务执行阶段的bdd模型，且k、s、j、m分别表示控制系统、伺服电机、减速器、末端执行器；0表示系统工作、1表示系统失效；

当动力系统存在冗余，各子系统以串-并混联模式连接时，如图4所示为移动阶段的bdd模型，如图5所示为任务执行阶段的bdd模型，且k、s、j、m分别表示控制系统、伺服电机、减速器、末端执行器；0表示系统工作、1表示系统失效。

计算各子系统在不同任务阶段失效率的乘积，得到不同任务阶段的失效率；计算不同任务阶段的失效率之和，得到工业机器人pms系统的总失效率，并计算工业机器人pms系统的可靠度；

具体地：不同任务阶段的失效率函数为

当i＝1时，q1＝1-p1；

当i≥2时，qi＝(1-∑qi-1)(1-pi)；

工业机器人pms系统的总失效率函数

qi表示ri在第i个任务阶段失效的概率；pi表示ri在第i个任务阶段工作的概率；

工业机器人pms系统的可靠度函数为

r为工业机器人pms系统的可靠度；

计算工业机器人pms系统的可靠度。

实施例一

基于上述内容，对工业机器人pms系统的工作任务划分，得到不同任务阶段；

获取工业机器人pms系统的初始工作速度，基于工作速度与工作时间的负相关关系，计算工业机器人pms系统的初始工作时间；

确定不同任务阶段下各子系统工作指标发生改变的时间点，作为时间分割点；

依据时间分割点对工业机器人pms系统的初始工作时间划分，得到各任务阶段对应的初始工作时间；

对工业机器人pms系统划分，得到四个子系统；获取不同任务阶段对应工作的子系统，并建立各任务阶段的工作拓扑图；

基于bdd和各任务阶段工作拓扑图，建立工业机器人pms系统各任务阶段可靠性模型，计算不同工作模式下，各子系统在不同任务阶段的失效率；

计算各子系统在不同任务阶段失效率的乘积，得到不同任务阶段的失效率；计算不同任务阶段的失效率之和，得到工业机器人pms系统的总失效率，并计算工业机器人pms系统的可靠度。

具体分析过程如下：

以六轴机器人为例，

有四个子系统，分别为控制系统，伺服电机，减速器和末端执行系统，且依次表示为k、s、j、m；各子系统以串联模式连接；

六轴机器人的打磨过程的五个任务阶段分别为：初始位置-进刀点阶段；进刀点-打磨开始阶段；打磨开始-打磨结束阶段；打磨结束-退刀点阶段；退刀点-初始位置阶段；

初始位置-进刀点阶段、进刀点-打磨开始阶段、打磨结束-退刀点阶段和退刀点-初始位置阶段归为移动阶段；

打磨开始-打磨结束阶段，即为任务执行阶段；

选取六轴机器人75％打磨速度并获得各任务阶段的工作时间，如下表所示，

移动阶段可靠性模型为：

r＝rkrsrj

任务执行阶段可靠性模型为：

r＝rkrsrjrm

如图6、图7所示，分别为机器人进行打磨任务时，工作时间与转角的关系、工作时间与角速度的关系；

根据机器人六轴在各阶段的工作情况设定pms可靠性模型参数，分别如图8、图9、图10、图11和图12所示；

在进刀点-打磨开始阶段、打磨结束-退刀点阶段，轴j1未工作；在打磨开始-打磨结束阶段中轴j5未工作；

各子系统在不同任务阶段的失效率，如下表所示，

其中，阶段1、阶段2、阶段3、阶段4和阶段5分别表示初始位置-进刀点阶段、进刀点-打磨开始阶段、打磨开始-打磨结束阶段、打磨结束-退刀点阶段、退刀点-初始位置阶段；

λs＝nλsj，其中λsj表示在当前阶段处于工作状态j轴的失效率，n为在当前阶段工作轴的数量，在初始位置—进刀点阶段与退刀点—初始位置阶段中，n＝6；在进刀点—打磨开始阶段、打磨开始—打磨结束阶段、打磨结束—退刀点阶段中，n＝5。

如图13、图14、图15、图16和图17所示，为六轴机器人在各阶段的bdd模型，其中，0表示成功，1表示失败；

各阶段的失败率为

六轴机器人的可靠度为

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。