IEC 62849 家用移动机器人性能评估方法国际标准技术内容及修订方向浅析

吴蒙 瞿卫新 王琨

（1.中国家用电器研究院 北京 100037；2.海博（苏州）机器人科技有限公司 苏州 215131）

机器人集现代制造技术、新型材料技术和信息控制技术为一体，是智能制造的代表性产品，其研发、制造和应用已经成为衡量一个国家科技创新和制造业水平的重要标志，引起了世界制造强国的高度重视。2015 年5 月国务院发布的国家行动纲领《中国制造2025》，就将“高档数控机床和机器人”作为大力推动的十大重点领域之一，提出机器人产业的发展要“围绕汽车、机械、电子、危险品制造、国防军工、化工、轻工等工业机器人应用以及医疗健康、家庭服务、教育娱乐等服务机器人应用的需求，积极研发新产品，促进机器人标准化、模块化发展，扩大市场应用。”

早在2007 年比尔•盖茨就在《环球科学》（《科学美国人》中文版）中撰稿向世界预言：机器人将与30 年前的个人电脑一样迈入家家户户，彻底改变人类的生活方式，并说“21 世纪以后将是机器人的世纪”。日本机器人协会（JRA）统计预测到2025 年全球智能服务机器人产业整体将达到517 亿美元。进入21 世纪，国际上也普遍认为，家用机器人将在不久的将来成为全球庞大的产业之一。因此，国际以及世界各国标准化机构、产品研发机构和生产企业也都投入大量精力研制家用机器人领域标准，以应对新一轮科技革命和产业变革的挑战。

国际电工委员会（IEC）在2016 年发布了IEC 62849:2016《家用移动机器人性能评估方法》国际标准[1]，针对家用机器人自主移动这一核心特点，制定了多项性能的评估方法。每项测试和评估方法都在全球范围内针对不同类型的家用机器人进行了循环比对试验，充分验证了方法的可重复性和再现性。同时，该标准的内容也被ISO、IEC 以及各国的机器人标准大量引用，充分证明了其科学性和先进性已在全球范围内得到认可。

本文将会对IEC 62849 标准第一版的现有内容以及正在修订中的第二版相关内容进行简要的介绍和分析。

1 IEC 62849 第一版内容解析

IEC 62849 的第一版发布于2016 年。标准对家用机器人、家用移动机器人、回充电座能力、位姿、自主模式、手动模式等术语给出了定义，并且对测试的前提条件、工作条件、环境条件、设备和材料、样品数量、电池、机器人的运行、尺寸公差和单位等给出了明确的规定。同时对以下六项家用移动机器人的重要性能给出了测试评估方法。

1.1 位姿

家用和类似用途机器人在复杂动态场景下的位姿准确度和位姿重复性决定了执行任务的智能性和可靠性，建立评价移动机器人在家用和类似场景下的位姿准确度和重复性的评测方法对产品设计验证和质量提升都尤为重要。在工业机器人标准中的通用位姿准确度和位姿重复性主要是针对工业机器人末端执行机构而设定的方法，这样的测试原理和方法并不适用于在复杂动态场景下具备环境地图构建、障碍物识别与规避、自主定位与导航功能的移动机器人的位姿准确度和位姿重复性。

本标准中的测试方法是基于移动机器人在家用场景下的基本移动状态，通过事先标定移动机器人的起始点，在机器人经过指令给出一个完整的路径轨迹后，测量该移动机器人在终点位置时的位姿，并与指令位姿比较得出角度偏差和位置偏差，实现移动机器人位姿准确度和位姿重复性检测。此方法同时评测了移动机器人的轮子移动的累积误差和移动偏差，从而确保了非常高的测量精度。

1.2 回充电座能力

作为消费者关注的家用机器人重要指标，回充电座能力越来越受到重视。本标准的测试模拟了真实的作业环境。首先测试场景模拟了家庭环境，采用隔板将整个测试区域分为3个房间；其次，根据消费者使用习惯调研情况，机器人运行起始点（充电座位置）和运行区域充分考虑了跨房间运行工况。此外，对于评估机器人返回充电座能力的指标，本标准加入了返回时间和多次运行成功率的考核。其中返回时间指标为不超过30 分钟，多次运行则是通过向处于回充区域的机器人发出回充指令，观察其回到2 个不同充电站的情况进行测试，对于每个充电站各运行5 次（共10 次）。

本标准的回充电座能力测试项目通过对实际生活场景的模拟，以及对回充的成功率和时间两大关键指标要素的考核，确保了回充能力测试的真实性和准确性；通过多组测试数据来反映机器人的回充能力，体现了该测试的科学性和可重复性。

1.3 单次充电工作时间

本标准在单次充电工作时间测试方法的制定中采用了全新的理念和思路，引入系数因子（完全放电消耗的交流电能和单次工作消耗的交流电能比值），然后用系数因子乘以每次运行的工作总时间，得到单次充电的最大工作时间。

本标准引入系数因子的测试方法，利用标准测试环境下对正常家居环境的模拟，减小了测试环境导致的工作时长的测量误差，提升了测试结果的可重复性；减小了单一环境或非正常环境下测量数据与实际数据的误差，提升了测试结果的准确性和可对比性；在不影响测试结果准确性和可重复性的前提下，有效降低了对测试资源的需求，缩短了试验测试周期，降低了对试验场地面积的要求，从而提高了测试效率。

1.4 台阶和悬崖探测能力

家用和类似用途机器人在室内家居和类似应用场景下，通过在机器人底部设计安装各类下视地面检测传感器，使其具备悬崖探测感知功能，从而有效预防跌落风险，有效提升了移动机器人的智能化程度。然而，由于悬崖探测传感器一般采用IR红外发射和接收管，通过反射光量的接收探测悬崖，容易受到外部光照强度和IR 传感器在底部结构排布的合理性等因素的影响，导致传感器误判、机器人反应不及时或重心失衡，产生跌落的风险。

本标准中的评测方法是确定机器人在移动过程中对单个台阶和悬崖的探测和处理能力。在对比IEC、ISO 和ASTM 等机构已经出版的服务机器人相关性能评测标准后，没有发现可参照的评测方法。因此，该方法填补了此领域的空白，具备国际领先性。特别是单台阶右下角R175 的缺口设计，能客观地评测出下视传感部分缺失、机器人探测到台阶后的应对处理及重心失衡等实际使用中出现跌落风险的真实状态，有效提升产品智能性和质量。

1.5 避障

目前，家用机器人产品在运行过程中，与物体碰撞、接触力度过大导致物体破损、位移或跌落等次生损害的问题较为突出。因此，对机器人避障功能进行科学合理、定性定量的检测评估，成为标准制定中的新课题。

本标准引入了一种集信号采集设备、检测器基座、力传感器、滑轨和基板为一体的标准化避障测试设备，通过安装在基板和测试台上的高速相机、毫米刻度尺和测力传感器，来捕捉机器人的避障率、最小避障距离和触碰力大小。标准提出了模拟家庭环境下移动机器人面对的通用障碍物模型，并分别对机器人成功躲避及机器人碰撞障碍物给出了评估参数。通过统计5次避障测试中有效规避障碍物的次数，得出避障成功率的指标，并记录高速相机捕捉到的最小避障距离。测试系统也通过统计机器人在没有有效规避障碍物并碰触撞板的过程中的测力传感器所捕捉到的最大碰触力，并通过加权平均计算出最大受力值。

本标准的避障能力测试方法，通过规范测试环境，确保了测试环境的一致性；通过规定检测设备的性能指标，确保了测试误差的准确性。实验室以此测试规范进行搭建环境，按定义的测试方法操作、测试，所得到的测试数据准确可信，可以直观评估出家用机器人在家居环境中感知障碍物并采取何种规避方式，有效引导和规范家用机器人避障功能的研发和验证。

地方性与裁量性的特点在一定程度上消解了社会救助的权利意味，使得社会救助的给予成为行政机关可以自由选择的事项，是否对社会救助权进行司法保护便成了社会救助权最终能否得以成立的关键因素之一。西方国家的经验提示我们，社会救助权的司法保护往往受到经济发展的影响，随着经济水平的不断提高，社会救助权的保障限度也不断升级，以至于在行政诉讼中出现了先予执行、给付诉讼、规范性文件附带审查、公益诉讼等配套制度[14]28，相较而言，我国行政诉讼中的社会救助权保护依旧在萌芽阶段，一些制度已在规范层面呈现，但其作用有待进一步实践证明。

1.6 线缆跨越性能

针对线缆跨越性能测试，以往的测试方法仅对跨越不同粗细和材质线缆的成功率进行测试，而在跨越线缆的方法、跨越线缆成功后转移的能量方面并没有进行有效评估。本标准使用定量和定性相结合的方法，通过观察机器人在测试场景下的三种情况，定性地分析机器人在家居环境下对于线缆缠绕的应对能力，同时记录机器人在摆脱线缆过程中所需的时间、拖动线缆的位移以及拉动摆杆的距离等，来定量地评估家用机器人跨越线缆的能力。

本标准将机器人跨越线缆定性地分为三种结果，并对三种结果进行记录。机器人跨越线缆的三种结果定义为：①机器人跨越电缆；②机器人被电缆缠住；③机器人检测到电缆，并采取另一动作来处理。针对以上三种情况，分别记录了机器人跨越线缆的最大摆动距离。此外，针对情况②，还记录了被线缆缠绕的条件，针对情况③，还记录了摆脱线缆规避动作的类型。

本标准还使用碳纤维杆和环形标记对最大摆动距离进行测量，定量地分析机器人的跨越线缆性能。在测试台的设置上，使用了碳纤维杆与环形标记相结合的方法。为了使测量结果更加稳定可靠，在碳纤维管的末端加入了800 g 的配重，以尽可能降低碳纤维杆的重心，减小测量扰动。在环形标记的设置上，设置了120 个半径依次递增的10 mm 的同心圆，来检查摆杆底端的位移，从而评估机器人因跨越线缆并产生拖动而转移到摆杆导致其底端发生位移的能量。

2 IEC 62849 第二版修订方向浅析

在IEC 62849 制定之初，就将家用机器人所涉及的主要性能按照重要性以及测试评估方法的成熟度进行过划分。2016年发布的第一版列出了其中最为重要且具备前期研究基础的六个测试项目。随着消费者对产品性能要求的升级，作为科学性和先进性在家用场景中的典型代表，家用机器人势必将向着更加智能化的方向发展，以更好地满足消费者需求。因此，IEC 62849 第二版考虑了更多室内家居和类似应用场景下机器人的运行情况，计划将另外几项已在起草工作组内部反复讨论过的重要性能测试评估方法纳入新版标准，从而实现对产品的智能性更加全面的评估。需要注意的是，以下介绍的内容可能与未来发布的正式版本有所差别，并且随着研究的不断深入，第二版标准将会更系统而全面。第二版优先制定的新的四项性能具体如下：

2.1 能耗

家用和类似用途移动机器人是一种新型的家用电器，因此其能耗也倍受消费者关注。第二版在修订时就将能耗作为一项重要的考核项目。以清洁机器人为例，标准将产品的耗电状态分为三种：一是机器人充满电后离开充电座，此时只有充电座本身耗电；二是机器人回到充电座进行充电直至充满电的状态；三是机器人充满电后依然停留在充电座上的状态。标准对于这三种状态分别给出了能耗的测试方法，而机器人在一段时间内（如24 小时或1 年）的耗电量，则可以根据其正常使用频次，对三种状态的时间进行合理分配后计算得出。

2.2 光照影响性

由于家用机器人采用多传感器融合技术，特别是红外传感器、激光镭射传感器、TOF 等光敏传感器，机器人的导航对于周围环境的光照条件具有很强的敏感性。因此，第二版在修订时也重点考核机器人在三种常见光照条件下的性能。测试仅适用于带有光敏传感器的机器人。测试要求机器人在0.01 lux、150 lux～500 lux 以及1000 lux 三种光照条件下，分别进行单台阶和悬崖探测处理、回充电座和避障三项测试，观察机器人的运行是否会出现异常。

2.3 坡度运行性

由于第一版仅考虑了机器人在水平面的运动，而斜坡也是机器人在家居和类似环境中工作的常见场景，因此对机器人在斜坡上移动性能的考核也非常重要。第二版主要针对带有自动模式的机器人在斜坡上向上和向下运动进行测试。试验采用可调角度的斜坡，分别在3°、6°、9°、12°和15°的条件下让机器人沿斜坡进行向上和向下的运动，观察机器人是否能够在规定时间内顺利到达坡顶或坡底。

2.4 越障能力

在日常使用中，家用和类似用途机器人经常会遇到诸如门槛、地毯与硬地板过渡处等障碍，而具有良好的越障能力将有助于机器人在更广阔的区域间（如多房间）自由移动。第二版中设计的越障测试是将测试台分为两个部分，中间设有一个过渡带来模拟类似于门槛的障碍物。使机器人分别在自动模式和手动模式下从过渡带的任一侧向另一侧移动，观察是否能够顺利到达另一侧，从而测试其越过不同高度的地面障碍物的能力。

3 结束语

IEC 62849 是全球第一项针对在家用和类似用途环境中使用的移动机器人的共性性能制定的国际标准，对全球家用机器人企业的生产和研发具有重要的指导作用。通过上述分析可以看出，IEC 62849 第二版的修订较充分地考虑了更多的使用场景和条件，丰富了测试项目，更全面地考核了产品的智能特性，提高了产品符合标准的难度，以引导企业加大科技开发力度，提高产品的技术含量和质量，从而将整个家用机器人行业推升到一个新的高度。