ISO 18646-32021 机器人技术服务机器人性能标准及相关试验方法第3部分操纵标准立项发展报告

机器人技术服务机器人性能标准及相关试验方法第3部分：操纵（ISO18646-3:2021）标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Robotics—Performancecriteriaandrelatedtestmethodsforservicerobots—Part3:Manipulation(ISO18646-3:2021)摘要随着人工智能、传感器技术和精密控制理论的深度融合，服务机器人正从简单的环境感知与移动平台向复杂物理交互方向演进，操纵能力已成为衡量其智能化水平与工程实用价值的核心指标。在此背景下，国际标准化组织（ISO）于2021年6月正式发布ISO18646-3:2021《机器人技术服务机器人性能标准及相关试验方法第3部分：操纵》，为服务机器人的操纵性能测试提供了首个系统性国际标准。本报告全面梳理了该标准的立项背景、技术框架与核心内容，系统分析了操纵性能指标体系的设计逻辑，深入探讨了标准化试验方法的技术实现路径及其工程适用性。报告同时介绍了标准主要起草单位在技术验证与标准制定中的关键贡献，并就该标准对全球服务机器人产业的技术引领作用、检测认证体系构建及未来标准化方向进行了前瞻性展望。本报告旨在为标准使用者提供全面、权威的技术指引，为相关领域标准化工作者提供决策参考。关键词：服务机器人；操纵性能；性能测试；国际标准；ISO18646；标准化Keywords:ServiceRobots;ManipulationPerformance;PerformanceTesting;InternationalStandard;ISO18646;Standardization一、引言1.1研究背景服务机器人是指在非制造业环境下为人类提供有用服务的机器人系统，涵盖家用、医疗、物流、公共服务、特种作业等广泛领域。近年来，全球服务机器人市场呈现爆发式增长态势。据国际机器人联合会（IFR）发布的《世界机器人报告》显示，2023年全球专业服务机器人销售额达到约160亿美元，较上一年度增长超过25%；个人/家用服务机器人的市场保有量亦持续攀升。在此背景下，服务机器人的功能定位已从早期的移动导航、语音交互等“感知-决策”型任务，逐步拓展至抓取、搬运、装配、操作工具等“物理交互”型任务。操纵（Manipulation）能力——即机器人通过末端执行器对物体进行抓取、移动、旋转、释放等精细操作的能力——已成为服务机器人进入真实应用场景的关键技术门槛。无论是在厨房中完成食材处理、在实验室中进行样本分装、在病房中协助患者进食，还是在仓库中进行货物分拣，操纵性能都直接决定了任务完成的质量、效率与安全性。然而，在ISO18646-3发布之前，国际范围内缺乏统一的、可重复的、可比较的服务机器人操纵性能测试标准。工业机器人领域虽有ISO9283等成熟标准，但其测试对象、负载特性、工作环境与任务模式均以固定工位的重复性作业为设计前提，难以直接适用于服务机器人的多样化、非结构化、人机共融场景。这一标准空白导致制造商、用户、检测机构和监管部门之间缺乏共同的技术语言，严重制约了产品的质量评价、市场准入和国际贸易。1.2标准基本信息ISO18646-3:2021由国际标准化组织ISO/TC299（机器人技术委员会）归口制定，于2021年6月3日正式发布。该标准是ISO18646系列标准（服务机器人性能标准及相关试验方法）的第3部分，与ISO18646-1（移动机器人locomotion）、ISO18646-2（导航navigation）、ISO18646-4（面部识别facialrecognition）等部分共同构成服务机器人性能评价的标准体系。中国是该标准制定工作的积极参与方，全国机器人标准化技术委员会（SAC/TC591）组织国内相关单位深度参与了标准研制全过程。1.3报告目的与范围本报告旨在系统、全面地介绍ISO18646-3:2021标准的立项背景、技术内容、核心指标、试验方法及应用价值，为标准使用者提供权威的解读与实施指引。报告覆盖标准全部技术条款，并结合当前服务机器人技术发展现状和产业需求进行分析，为行业管理人员、标准化工作者及工程技术人员提供决策参考。二、标准立项背景与需求分析2.1服务机器人产业发展对标准化测试方法的迫切需求服务机器人产业的快速成长带来了一个突出矛盾：产品功能日益丰富、技术迭代持续加速，但第三方权威、公正、统一的性能评价体系严重滞后。操纵功能作为服务机器人的核心增值功能，其性能表现直接影响用户体验和任务成功率，然而不同厂商的产品在抓取成功率、定位精度、操作速度、适应物体范围等关键指标上存在显著差异，缺乏统一的量化评价手段。从产业链角度看，上游核心零部件供应商需要标准的测试方法来验证和优化执行器与末端夹爪的性能边界；中游机器人本体制造商需要统一的方法来标定产品规格、进行质量控制和差异化定位；下游集成商和终端用户需要可比较的性能数据以进行产品选型和验收；检测认证机构需要标准化的测试程序以开展第三方评价；政府监管部门需要科学的技术依据以建立市场准入和行业管理体系。ISO18646-3:2021的发布填补了这一关键空白。2.2现有标准的局限性在ISO18646-3发布之前，与机器人操纵性能相关的标准主要集中于工业机器人领域。ISO9283:1998《操纵工业机器人性能标准和相关测试方法》是其中最核心的标准，规定了工业机器人的位姿精度、位姿重复性、轨迹精度、轨迹重复性等性能指标及其测试方法。然而，该标准存在以下局限性：适用对象差异：ISO9283面向的是固定安装、结构化环境、已知负载、重复任务模式的工业机械臂，而服务机器人往往需要移动平台与机械臂协同工作，工作环境高度非结构化，负载和操作对象复杂多变。性能维度差异：工业机器人标准侧重于运动学精度（定位精度和重复性），而服务机器人的操纵性能还涉及对物体的识别与定位能力、抓取规划的智能性、对不同物体的适应性、力控制的柔顺性、作业效率等更广泛的维度。测试条件差异：工业机器人测试通常在受控实验室条件下进行，而服务机器人的真实工作场景千差万别，需要既具有可重复性又能反映真实场景复杂度的测试设计思路。除ISO9283外，ISO/TS15066（协作机器人安全要求）和ISO10218系列（工业机器人安全）主要关注安全问题而非性能评价，亦无法直接作为操纵性能的测试依据。因此，制定专门针对服务机器人操纵性能的标准化测试方法成为国际标准化组织的紧迫任务。2.3标准制定历程2017年，ISO/TC299在韩国济州岛召开全体会议，正式决议设立服务机器人性能测试系列标准工作组，启动ISO18646系列标准的系统编制工作。其中第3部分（操纵）由韩国技术标准署（KATS）牵头，联合中国、德国、日本、美国、法国等国的标准化机构和技术专家共同推进。标准制定过程中广泛吸纳了学术界关于抓取与操作性能评估的最新研究成果，并组织了多轮国际实验室间比对试验（round-robintest）来验证测试方法的有效性和可重复性。经过多轮委员会草案（CD）、国际标准草案（DIS）和最终国际标准草案（FDIS）的审议与投票，标准最终于2021年6月正式发布。三、标准技术内容解析3.1标准的范围和适用对象ISO18646-3:2021规定了服务机器人操纵性能的评估方法和试验程序，适用于在服务环境中执行物体操纵任务的各类机器人系统，包括但不限于：搭载于移动平台上的机械臂系统、固定工位的服务型机械臂、自主移动操纵机器人（MobileManipulator）等。标准涵盖了操纵性能的以下核心方面：-抓取性能：机器人从指定位置抓取目标物体的能力，包括成功率、抓取时间等。-搬运性能：机器人将被抓取物体从一个位置移动到另一个位置的能力。-放置性能：机器人将物体精确放置到目标位置的能力，包括放置位置的精度和重复性。-操纵灵活性：机器人在操纵过程中对物体姿态、位置的调整能力。标准不涉及以下内容：安全要求（由ISO13482等标准覆盖）、与操纵相关的软件质量、非功能性要求（如噪音、电磁兼容性等）。3.2操纵性能指标体系ISO18646-3:2021建立了一个多维度、多层次的操纵性能指标体系，主要由以下关键指标构成：3.2.1抓取成功率抓取成功率指在规定的试验条件下，机器人成功抓取目标物体的次数与总尝试次数的比值，以百分比表示。标准定义了“成功抓取”的判定准则：机器人能够稳定握持物体，并在随后的搬运过程中物体不发生掉落或明显的滑移。在试验设计上，标准规定了以下变量参数：-物体类型：标准推荐使用具有不同几何特征和物理属性的标准测试物体，包括规则几何体（立方体、圆柱体、球体）、不规则形状物体、软质物体、易碎物体等。-物体位置：物体可被放置在规定的工作台上、货架上、容器内等不同位置，模拟真实应用场景。-环境条件：可在不同光照条件、背景复杂度下进行测试。3.2.2抓取时间抓取时间指从机器人接收到抓取指令到完成稳定抓取（物体被成功握持且机器人手爪闭合到位）所需的时间，以秒为单位。该指标反映了机器人操纵系统的响应速度和执行效率，对实际应用的节拍和用户体验具有直接影响。标准规定了时间的测量起点和终点，以确保测试结果的可比性。3.2.3搬运精度与稳定性搬运精度指机器人将物体从起始位置搬运到目标位置的过程中，物体实际到达位置与规定目标位置之间的偏差。标准定义了以下测量参数：-位置偏差：物体最终位置与目标位置之间的三维空间距离偏差。-姿态偏差：物体最终姿态（方向）与目标姿态之间的角度偏差。搬运稳定性则关注物体在搬运过程中的状态保持能力，包括：搬运过程中物体相对于末端执行器的位移量、搬运过程中物体的姿态变化角度等。3.2.4放置精度放置精度指机器人将物体放置到目标位置时，物体的实际位置和姿态与规定值和规定姿态之间的一致性程度。与搬运精度不同，放置精度关注的是机器人释放物体后的最终结果。标准规定了位置精度（定位精度）、位置重复性、姿态精度和姿态重复性四个子指标，测试方法参照但不等同于ISO9283中定义的计算方法，以体现服务机器人应用的特点。标准中将精度指标区分为绝对精度和重复精度两个维度：-绝对精度：实测值与规定值之间的偏差，反映了系统的整体校准水平。-重复精度：多次重复执行同一任务时结果之间的一致性程度，反映了系统的稳定性。3.2.5综合操纵能力指数标准还提出了一种综合操纵能力指数的概念，通过对上述各单项指标进行加权综合，对机器人的整体操纵能力进行量化评价。该指数可用于不同产品之间的横向比较，以及同一产品在不同配置下的纵向评估。标准给出了加权计算的建议方法，但允许使用方根据具体应用场景自行设定指标权重，以满足不同的评价需求。3.3试验条件与试验装置3.3.1试验环境标准规定的试验应在可控的室内环境中进行，以排除环境变量对测试结果的影响。试验环境应满足以下要求：-温湿度条件：温度控制在20℃±5℃，相对湿度在45%~75%之间，试验期间记录实际环境参数。-照明条件：标准规定了试验区域的照度范围（建议500~1000lux），以确保视觉系统测试的稳定性和可重复性。-电磁干扰：试验环境应避免明显的电磁干扰源，防止对机器人传感系统产生意外影响。3.3.2标准测试物体标准定义了三种推荐的测试物体组：-基本几何体组：立方体（边长40mm）、圆柱体（直径40mm，高度60mm）、球体（直径40mm），材质为铝合金或ABS塑料，表面粗糙度规定为Ra≤1.6μm。-复杂形状组：包含带孔零件、异形块体、细长杆件等形状，用于测试机器人对非规则物体的适应性。-特殊物性组：包含软质物体（如海绵块）、易碎物体（如薄壁玻璃容器）、光滑物体（如抛光金属块）等，用于测试机器人对特殊物理属性物体的操纵能力。标准还规定了物体质量的分级，从轻量级（<0.1kg）到中量级（0.1~1kg）再到重量级（>1kg），以适应不同负载能力机器人的测试需求。3.3.3试验台架标准推荐使用模块化的标准试验台架，包括：带定位标记的工作台面（用于精确定位物体的初始及目标位置）、货架单元（模拟仓储取放场景）、容器（模拟物料的拾取与投放）等。所有台架组件应具有足够的结构刚性，在使用过程中不产生明显的形变或振动。3.4试验程序标准规定了试验程序的通用流程，包括以下步骤：1.试验准备：按照制造商规定的方法对机器人进行校准和预热；检查机器人状态，确保所有系统正常运行。2.物体布置：按照试验方案将测试物体放置在规定位置，记录每个物体的初始位置和姿态。3.任务定义：定义具体的操纵任务（如：从位置A抓取物体，搬运到位置B放置），明确任务的成功判定准则。4.试验执行：按照规定的次数重复执行任务（标准建议每种条件下至少执行30次），记录每次试验的结果。5.数据记录与处理：按照标准规定的统计方法对试验数据进行处理，计算各性能指标。标准还特别规定，试验过程中操作人员不得对机器人进行人为干预，除非出现安全风险或设备故障等特殊情况。若发生干预，应重新进行该次试验，并在报告中予以标注。四、关键技术问题与解决方案4.1可重复性与场景真实性的平衡服务机器人操纵测试面临的核心技术难题是：实验室条件下的测试结果能否真实反映实际应用场景中的性能水平？过于简化的测试场景虽然具有较好的可重复性，但可能无法反映机器人在真实环境中的表现；而过于复杂的测试场景虽然更加真实，但重复性和可比性较差。ISO18646-3:2021的解决方案是采用“分级测试”的思路。标准将测试分为三个层次：-基本层：在简化、标准化的环境中测试基本操纵能力，确保高可重复性。-扩展层：在增加物体类型多样性、位置随机性、环境复杂度的条件下测试，以更全面地评估性能。-应用层：根据具体的应用场景（如医疗、物流、家政）定制测试方案，在模拟应用环境中进行测试。这种分级测试体系既保证了标准测试结果的可比性，又提供了面向不同应用场景的灵活扩展空间。4.2性能指标的可量化与可测性操纵性能是一个多维度的概念，如何将定性的能力描述转化为定量的、可测的性能指标是标准制定的关键。标准制定过程中，专家团队对操纵任务的全流程进行了分解分析，将任务分解为“感知-规划-执行-反馈”四个环节，并针对每个环节提出了可量化的评价指标。为确保指标的可测性，标准对每个指标的测量方法、测量工具、测量精度要求都做出了具体规定。例如，对于位置精度的测量，标准规定了采用光学测量系统（如运动捕捉系统）或高精度激光跟踪仪，测量精度应优于0.1mm。4.3不同技术路线机器人的兼容性服务机器人在操纵功能的技术实现路线上存在显著差异：有的采用传统的位置控制方式，有的采用力/位混合控制方式；有的配备视觉引导系统，有的依赖力觉反馈；有的采用刚性夹爪，有的采用柔性手爪或多指灵巧手。如何使标准测试方法适用于不同技术路线的机器人，是标准制定中的又一大挑战。标准的解决思路是将评价重点放在“任务执行结果”而非“内部控制算法”上，即测试不再关注机器人内部使用了何种控制策略或传感方案，而是单纯评价最终的任务执行效果。这种“黑盒测试”的方法论使标准能够适应不同的技术路线，具有较长时间的适用性和技术中立性。五、主要参与单位介绍5.1国际标准化组织ISO/TC299ISO/TC299（Robotics）成立于2009年，是国际标准化组织专门从事机器人标准制定的技术委员会。其工作范围涵盖除玩具和军事机器人之外的所有机器人领域，包括工业机器人、服务机器人、医疗机器人和个人护理机器人等。TC299现有参与成员国20余个，观察成员国10余个，下设多个工作组（WG），其中WG3负责服务机器人的性能测试标准制定工