3. 测试与标定概述
在机器人关节执行器的研发、生产与运维过程中，“测试”和“标定”是两个高频出现却极易被混用的概念。很多初学者会把它们统称为“调参”或“验证”，但在工程实践中，二者在目的、对象、时机和输出上都有明确边界。理解它们的区别与联系，是建立整套执行器质量体系的第一步。
一、测试与标定的核心区别
测试的核心是获取数据并做出判定。例如对关节执行器施加一组力矩指令，记录实际输出力矩、电流、温度和位置误差，再与规格书阈值比较，得出“合格/不合格”的结论。测试的输出是测量结果与判定结论，它不修改执行器内部的任何系数。
标定的核心是建立“输入—输出”之间的准确映射关系，并把这种关系固化到控制器或上位机中。例如发现力矩传感器读数比标准测力计低 3%，就需要通过标定得到增益和偏置，写入参数后让读数回归真实值。标定的输出是参数、查找表或模型系数。
二者又紧密联系：标定前需要测试来暴露误差，标定后需要测试来验证效果。没有测试，标定就是盲调；没有标定，测试数据就缺乏可信度。它们构成“测量—修正—再测量”的闭环。
二、静态标定、动态标定、在线标定与离线标定
按照激励方式和运行状态，标定可分为静态与动态；按照执行时机和部署位置，又可分为在线与离线。四者常交叉使用，例如“离线静态标定”和“在线动态标定”。
- 静态标定：在输入缓慢变化或保持恒定的条件下进行，主要获取增益、偏置、线性度、迟滞和重复性。典型场景是力矩传感器加标准砝码、位置编码器多点比对。
- 动态标定：在输入快速变化或存在加减速、换向、负载波动的条件下进行，用于辨识带宽、相位延迟、惯量、摩擦和阻尼等动态特性。常用扫频、阶跃或伪随机激励。
- 离线标定：在专用台架或实验室完成，环境可控、精度高，但需要拆装或停机，适合出厂标定和周期性校准。
- 在线标定：在执行器实际运行或接近真实工况下完成，利用运行数据实时更新参数，适合补偿温漂、磨损和负载变化，但对算法稳定性和安全性要求更高。
三、方法流程与参数示例
一个典型的关节执行器标定流程如下：先明确被标定量（力矩、位置、电流、温度），再选择激励方式与参考基准，采集数据，拟合模型，写入参数，最后用独立测试集验证。下面给出一个力矩传感器静态标定的参数配置示例：
# 力矩传感器静态标定配置
sensor: joint_torque_01
reference: standard_load_cell_50Nm
points: [0, 5, 10, 20, 30, 40, 50] # 标准力矩点/Nm
cycles: 3 # 正反行程各3次
model: linear
output:
gain: 1.032
offset: -0.18
unit: Nm
validation:
max_error: 0.5%FS
repeatability: 0.3%FS
动态标定则更关注频域指标，例如在 0.1～100 Hz 内做正弦扫频，记录幅值衰减和相位滞后，进而拟合二阶系统参数。在线标定通常采用递推最小二乘或卡尔曼滤波，在运行中缓慢更新偏置，避免参数突变引起抖动。
四、案例与常见误区
案例：某协作机器人关节在出厂测试中力矩读数合格，但运行 2 小时后出现 2% 的零点漂移。复盘发现：出厂只做了离线静态标定，未做温升后的在线标定。补充在线偏置补偿后，漂移被抑制到 0.3% 以内。这说明静态标定解决“准不准”，动态与在线标定解决“稳不稳”。
- 把测试当标定：只记录数据却不更新参数，误差依旧存在。
- 把标定当测试：写入参数后不做独立验证，可能过拟合标定点。
- 只做静态标定：忽略动态延迟和温漂，导致高速运动时控制失稳。
- 在线标定无边界：不设参数更新速率和限幅，可能引发振荡。
五、四类标定对比清单
| 类型 | 激励/条件 | 主要输出 | 典型时机 | 关键风险 |
|---|---|---|---|---|
| 静态标定 | 缓慢或恒定输入 | 增益、偏置、线性度 | 出厂、周期校准 | 忽略迟滞与温漂 |
| 动态标定 | 扫频、阶跃、变载 | 带宽、相位、惯量、摩擦 | 研发、型式试验 | 激励不足或过载 |
| 离线标定 | 专用台架、停机 | 高精度参数表 | 出厂、维修后 | 工况差异导致失配 |
| 在线标定 | 实际运行数据 | 实时偏置、漂移补偿 | 运行中、长时任务 | 参数漂移与振荡 |
总结来看，测试与标定是一对互补动作：测试提供事实，标定提供修正；静态与动态决定“标什么”，在线与离线决定“在哪标、何时标”。只有把四类标定与测试闭环结合，才能让关节执行器的力矩、位置和电流输出在整机寿命内保持可信。