[发明专利]一种基于软件故障注入的机器人可靠性的测试方法

权利要求书

1.一种基于软件故障注入的机器人可靠性的测试方法，其特征在于：其步骤如下：

步骤1、收集机器人的运行时三维坐标，构建机器人初始三维坐标数据库；

步骤2、构建故障注入的参数体系；

步骤3、针对注入故障分层，确定故障注入强度梯度；

步骤4、构建机器人单故障注入三维坐标数据库，构建偏差量数据库；

步骤5、针对故障注入强度与偏差量进行相关性分析；

步骤6、基于相关性分析，构建机器人故障注入权重体系；

步骤7、基于故障注入权重构建综合故障注入强度体系；

步骤8、构建机器人综合故障注入三维坐标数据库和偏差量数据库；

步骤9、建立机器人可靠度数据库，完成机器人可靠性的测试任务；

步骤10、确定机器人的弹性极限值；

通过上述步骤，能完成对基于软件故障注入的机器人可靠性测试技术的构建，通过对机器人组件的软件故障注入，分析比较注入前后机器人运行的空间定位坐标的偏差并加大软件故障注入强度，结合各梯度注入的故障强度，即能进行机器人可靠性的测试；

在步骤1中所述的“收集机器人的运行时三维坐标”，其具体做法如下：使用机器人手眼标定方法，对机器人进行空间位置识别；建立相机坐标系，并确定相机坐标系与机器人之间的相对关系，从而获取机器人在抓取物体和放置物体时的三维坐标数据，构建机器人初始三维坐标数据库，记为(x₀,y₀,z₀)和(x'₀,y'₀,z'₀)；

其中的机器人手眼标定方法主要包含以下五个步骤：

步骤(1)、确定机器人基座坐标系，机器人末端连杆坐标系，标定板坐标系，相机坐标系；

步骤(2)、确定机器人末端连杆在机器人基座坐标系下的位姿；

步骤(3)、确定标定板在机器人末端连杆坐标系下的位姿；

步骤(4)、确定相机在标定板坐标系下的位姿；

步骤(5)、确定相机在机器人基座坐标系下的位姿；

在步骤2中所述的“构建故障注入的参数体系”，其做法如下：选择脉冲宽度调制PWM波宽ω和延迟时间τ这两个故障注入参量作为外界注入的故障干扰；

在步骤3中所述的“针对注入故障分层，确定故障注入强度梯度”，其做法如下：首先设计并执行一系列故障注入的预实验，注入强度为e的故障，逐级增加故障注入的强度，直至系统无法正常运行为止，记此时的M为故障注入强度上限，随后确定合适的故障注入强度间隔，将故障注入强度均分为n等级梯度，其中故障注入强度梯度记为m₁,m₂,…m_n,M＝m_n；具体的，对于PWM波宽ω和延迟时间τ，同样设计执行故障强度分别为e₁和e₂的预实验确定故障注入强度上限M₁和M₂，继而确定故障注入强度梯度为m₁₁,m₁₂,…m_1n和m₂₁,m₂₂,…m_2n；

在步骤4中所述的“构建机器人单故障注入三维坐标数据库”，其做法如下：对于故障注入的参数体系PWM波宽ω和延迟时间τ，使用步骤3确定的故障注入强度梯度；在故障注入强度的梯度等级w内，其中，w∈[1,n]，分别注入随机干扰e_1w，e_2w,其中“随机干扰”表示针对PWM波宽ω和延迟时间τ注入了一个注入强度为e的故障；注入故障的强度属于梯度区间，并随机取值，即e_1w∈[m_1(w-1),m_1w]，e_2w∈[m_2(w-1),m_2w]；向目标组件的故障注入完成后，重复步骤1，执行预设标准动作组，构建机器人单故障注入三维坐标数据库；对于PWM波宽ω和延迟时间τ，机器人在抓取物体和放置物体时的三维坐标数据，分别记为(x_1w,y_1w,z_1w),(x'_1w,y'_1w,z'_1w)和(x_2w,y_2w,z_2w),(x'_2w,y'_2w,z'_2w)；

其中，在步骤4中所述的“构建偏差量数据库”，其做法如下：在构建机器人单故障注入三维坐标数据库之后，参照初始三维坐标数据库和单故障注入三维坐标数据库，按照如下公式计算数据库中对应预设抓取测试点和放置测试点之间的欧几里得距离如下：

其中p₁表示针对PWM波宽ω的故障注入过程中，初始三维坐标数据库和单故障注入三维坐标数据库中抓取测试点的欧几里得距离，取该距离作为机器人PWM波宽ω故障注入的抓取偏差量；

同样的，p'₁表示PWM波宽ω故障注入的放置偏差量；p₂表示延迟时间τ故障注入的抓取偏差量；p'₂表示延迟时间τ故障注入的放置偏差量，

从而，PWM波宽ω在故障注入强度的各梯度上的机器人抓取偏差量数据库和放置偏差量数据库分别表示为(p₁₁,p₁₂,…,p_1w,…p_1n)和(p'₁₁,p'₁₂,…,p'_1w,…p'_1n)；延迟时间τ在故障注入强度的各梯度上的机器人抓取偏差量数据库和放置偏差量数据库分别表示为(p₂₁,p₂₂,…,p_2w,…p_2n)和(p'₂₁,p'₂₂,…,p'_2w,…p'_2n)；

在步骤8中所述的“构建机器人综合故障注入三维坐标数据库和偏差量数据库”，其做法如下：基于步骤7构建的综合故障注入强度体系，重复步骤4，构建机器人综合故障注入三维坐标数据库(X_1w,Y_1w,Y_1w),(X'_1w,Y'_1w,Z'_1w)和(X_2w,Y_2w,Z_2w),(X'_2w,Y'_2w,Z'_2w),进而构建机器人综合故障注入偏差量数据库(P₁,P₂,…,P_w,…P_n)和(P'₁,P'₂,…,P'_w,…P'_n)；机器人综合故障注入偏差量数据库与PWM波宽ω在故障注入强度的各梯度上的抓取偏差量数据库和放置偏差量数据库，延迟时间τ在故障注入强度的各梯度上的抓取偏差量数据库和放置偏差量数据库的关系如下：

P_w＝p_1w+p_2w

P'_w＝p'_1w+p'_2w

式中：p_1w表示PWM波宽ω在故障注入强度的梯度w上的抓取偏差量数据，p'_1w表示PWM波宽ω在故障注入强度的梯度w上的放置偏差量数据，p_2w表示延迟时间τ在故障注入强度的梯度w上的抓取偏差量数据，p'_2w表示延迟时间τ在故障注入强度的梯度w上的放置偏差量数据，P_w表示PWM波宽ω在故障注入强度的梯度w上的综合故障注入偏差量数据，P'_w表示延迟时间τ在故障注入强度的梯度w上的综合故障注入偏差量数据；

在步骤9中所述的“建立机器人可靠度数据库，完成机器人可靠性的测试任务”，其做法如下：使用步骤1中构建的机器人初始三维坐标数据库(x₀,y₀,z₀)，(x'₀,y'₀,z'₀)和步骤8中构建的机器人综合故障注入偏差量数据库(P₁,P₂,…,P_w,…P_n)和(P'₁,P'₂,…,P'_w,…P'_n)；按照如下公式计算机器人在各梯度下的抓取动作可靠度R_w和放置动作可靠度R'_w如下：

式中：R_w表示机器人在各梯度下的抓取动作可靠度，R'_w表示机器人在各梯度下的放置动作可靠度；

使用偏差量变化代表机器人可靠性的变化，同时R_w和R'_w也反映了可靠度随着软件故障注入强度的增大而降低的趋势；

在步骤10中所述的“确定机器人的弹性极限值”，其做法如下：使用步骤3确定的软件故障注入强度上限M₁和M₂；按照如下公式计算机器人的弹性极限值σ：

σ＝M₁ω₁+M₂ω₂

式中：σ表示机器人的弹性极限值，M₁表示PWM波宽ω的软件故障注入强度上限M₁，M₂表示延迟时间τ的软件故障注入强度上限M₂，ω₁表示PWM波宽ω的故障注入权重，ω₂表示延迟时间τ的故障注入权重。