11.3 可靠性工程与测试验证：构建可信赖的机器人系统
11.3.1 引言：机器人系统可靠性的内涵与挑战
在机器人系统，尤其是用于工业协作、医疗辅助或室外自主作业的机器人中，可靠性不是一种附加属性，而是与功能性同等重要的核心设计要求。可靠性工程旨在通过系统化的设计、分析和验证过程，确保系统在规定的条件下和规定的时间内，无故障地执行其预期功能的能力。对于机器人而言，其可靠性挑战具有多维性：
- 复杂性：软件-硬件-环境的深度耦合，使得故障模式难以穷举。
- 不确定性：动态、非结构化的真实工作环境引入大量不可预测的干扰。
- 安全关键性：系统故障可能导致设备损坏、生产中断，乃至人身伤害。
因此，机器人系统的测试验证不能仅停留在功能实现层面，必须建立一套贯穿整个生命周期、分层分级、并涵盖正常与异常工况的可靠性验证体系。该体系的核心目标是提前发现并消除缺陷，量化评估系统风险，并提供满足国际安全标准的证据。
11.3.2 基于“测试金字塔”的分层验证策略
一个健壮的测试验证体系通常遵循“测试金字塔”模型，该模型强调测试的广度与深度，以及不同层级测试的成本与效率平衡。对于机器人系统，可将其扩展为以下四层结构：
