机器人“高速”和“高精度”定义

 机器人 “高速”,“高精度”这两个词,属于大家见得太多习以为常,细想之下又不知该如何准确解释的词。

  这个题目可以拆成两个部分:

  为什么对于“高速”和“高精度”没有明确的定义?

  既然没有明确的定义,那什么情况下可以把自己的机器人称为“高速”和“高精度”的?

  目前主要从两个方面来评价机器人的速度,一个是各关节的最大转速;二是机械臂末端的空间运动速度(线速度和角速度)。

  在每一台机器人的说明书上,都会列出各关节的最大转速,但很少给出最大空间线速度的值。(有的厂商会在Data Sheet中给出一个最大合成速度,但是这个值是各关节均以最大速度转动得到的合成速度,更多的还是反应关节的最大速度,没有太大实际意义)在产品说明中不给出线速度的原因,是因为机械臂在不同的形态下,可达到的最大速度是不一样的。为了说明这个问题,我们首先了解一下目前应用最多的工业机器人。从机械结构上可以分成三种,分别是串联6轴机器人(机械臂)、SCARA机器人(Selective Compliance Assembly RobotArm)和Delta机器人,见下图(为了简化说明,4轴码垛/搬运,7轴冗余机械臂,串并混连机器人等构型没有列出):

  以最常见的串联6轴工业机器人为例,其结构基本上与人类的胳膊一致。大家想象一下自己的胳膊就是一个机械臂,伸直了抡与收回来再使劲抡,你的手能达到的最大速度是不一样的,伸直了抡明显会速度快很多,工业机器人同理。

  而工业机器人属于高度灵活的可编程设备,不同的机器人应用中,可能会用到机器人伸直了的形态,也可能会用到收回来的形态,一切以实际应用为准。因此机器人厂商无法定义一个“明确”的手臂状态(无法穷举,因为可能的机器人形态有无数种;也无法给出最常用形态,因为对一个客户常用的形态,对另外一个客户可能就不适用;即使凑出一个使用最多的形态,用户期望的运动方向又是不一样的,三维空间有6个自由度,他们之间的速度方向组合又是无穷多个),也就无法给出一个“明确”的线速度大小。因此大多数厂商干脆就不会给出线速度大小,少数厂商会给出一个“最大空间合成速度“的参数,解释见上。以上是对同一个机器人而言,不同的形态对应不同的最大空间速度;而对于不同的机器人而言,情况又会不一样,主要有两个原因:

 1、不同构型的工业机器人,由于机械结构的限制,能达到的最大理论速度不一样(假设关节最大速度相同),因此不同结构之间的机器人无法进行直接对比,也就无法使用同一种速度评判标准;

  2、对于同样结构的不同机器人,还有大小的区别。想想一下十八岁的成年人的胳膊和三岁小朋友的胳膊,即便要求成年人用和小朋友一样的肩部转速抡胳膊,由于成年人的臂展更长,末端手的速度必然会更大。因此,不同臂展的机器人也无法使用同一种速度评判标准;

  借用一张ABB的产品全家福(侵删),大家感受一下不同大小,不同构型机器人之间的区别。

 “高精度”问题比“高速”还要复杂一些,因为速度只有线速度和角速度两种,而精度指标很有多种,例如重复定位精度、重复姿态精度、绝对位姿精度、空间路径精度、线速度跟踪精度、角速度跟踪精度等等,在设计这些评测指标时,同样会遇到上述的各种限制。

  庆幸的是,由于目前工业机器人的应用领域仍然还不是非常广泛(相对于人类整个的生产活动),因此当前只对重复定位精度和绝对位姿精度有较高的要求,这两个指标已经有了一些大概的共识。

  现在主流的工业机器人,重复定位精度高于±0.02mm,全工作空间内绝对定位精度高于±1mm,基本可以说是“高精度”机器人了。2、既然没有明确的定义,那什么情况下可以把自己的机器人称为“高速”和“高精度”的?当前的主流做法其实很简单:既然无法对不同大小,不同构型的机器人提供统一的评价指标,那就按照不同的机器人种类(一般按目标应用领域来分),分别给出评价方法。举两个栗子。

  比如说在小型6轴机器人领域(用于小型工件加工,如3C领域),一般以标准节拍时间来作为速度性能指标的评价标准。

  标准节拍时间是指:机器人携带1公斤的负载,从起点开始,向上移动25mm,平移300mm,向下运动25mm,然后沿路径返回起点这样一个过程所耗费的时间,如下图(图中是NACHI的MZ07系列,标准节拍时间为0.31s):

 目前行业内顶级水平,可以将该指标控制在0.4s以下,比如EPSON的C4系列为0.37秒,C8系列为0.31秒,DENSO的VS系列可以做到0.33秒。感兴趣的可以看一下这个视频EPSONC4stdmotion1440感受一下。再比如在码垛/搬运领域,主要是搬运外形统一,重量比较大的物品,一般是以每小时最多可搬运多少次来评价速度,这个指标同样可以抽象为一个类似小机器人的标准节拍时间,只不过由于臂展增加,往返距离会相应变大(60kg负载,向上400mm,平移2000mm,向下400mm,然后按原路径返回起点),如下图:

 ABBIRB460码垛机器人,一个小时内最多可完成2190次标准节拍,NACHI的LP系列每小时可完成1800次标准节拍。

原文发布于微信公众号 - 机器人网(robot_globalsources)

原文发表时间:2017-10-07

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