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            【知識】工業機器人線速度達到多大時才能稱為高速?


            “高速”,“高精度”這兩個詞,屬于大家見得太多習以為常,細想之下又不知該如何準確解釋的詞。

            這個題目可以拆成兩個部分:

            為什么對于“高速”和“高精度”沒有明確的定義?

            既然沒有明確的定義,那什么情況下可以把自己的機器人稱為“高速”和“高精度”的?

            目前主要從兩個方面來評價機器人的速度,一個是各關節的最大轉速;二是機械臂末端的空間運動速度(線速度和角速度)。

            在每一臺機器人的說明書上,都會列出各關節的最大轉速,但很少給出最大空間線速度的值。(有的廠商會在Data Sheet中給出一個最大合成速度,但是這個值是各關節均以最大速度轉動得到的合成速度,更多的還是反應關節的最大速度,沒有太大實際意義)在產品說明中不給出線速度的原因,是因為機械臂在不同的形態下,可達到的最大速度是不一樣的。為了說明這個問題,我們首先了解一下目前應用最多的工業機器人。從機械結構上可以分成三種,分別是串聯6軸機器人(機械臂)、SCARA機器人(Selective Compliance Assembly RobotArm)和Delta機器人,見下圖(為了簡化說明,4軸碼垛/搬運,7軸冗余機械臂,串并混連機器人等構型沒有列出):

            以最常見的串聯6軸工業機器人為例,其結構基本上與人類的胳膊一致。大家想象一下自己的胳膊就是一個機械臂,伸直了掄與收回來再使勁掄,你的手能達到的最大速度是不一樣的,伸直了掄明顯會速度快很多,工業機器人同理。

            而工業機器人屬于高度靈活的可編程設備,不同的機器人應用中,可能會用到機器人伸直了的形態,也可能會用到收回來的形態,一切以實際應用為準。因此機器人廠商無法定義一個“明確”的手臂狀態(無法窮舉,因為可能的機器人形態有無數種;也無法給出最常用形態,因為對一個客戶常用的形態,對另外一個客戶可能就不適用;即使湊出一個使用最多的形態,用戶期望的運動方向又是不一樣的,三維空間有6個自由度,他們之間的速度方向組合又是無窮多個),也就無法給出一個“明確”的線速度大小。因此大多數廠商干脆就不會給出線速度大小,少數廠商會給出一個“最大空間合成速度“的參數,解釋見上。以上是對同一個機器人而言,不同的形態對應不同的最大空間速度;而對于不同的機器人而言,情況又會不一樣,主要有兩個原因:

            1、不同構型的工業機器人,由于機械結構的限制,能達到的最大理論速度不一樣(假設關節最大速度相同),因此不同結構之間的機器人無法進行直接對比,也就無法使用同一種速度評判標準;

            2、對于同樣結構的不同機器人,還有大小的區別。想想一下十八歲的成年人的胳膊和三歲小朋友的胳膊,即便要求成年人用和小朋友一樣的肩部轉速掄胳膊,由于成年人的臂展更長,末端手的速度必然會更大。因此,不同臂展的機器人也無法使用同一種速度評判標準;

            借用一張ABB的產品全家福(侵刪),大家感受一下不同大小,不同構型機器人之間的區別。

            “高精度”問題比“高速”還要復雜一些,因為速度只有線速度和角速度兩種,而精度指標很有多種,例如重復定位精度、重復姿態精度、絕對位姿精度、空間路徑精度、線速度跟蹤精度、角速度跟蹤精度等等,在設計這些評測指標時,同樣會遇到上述的各種限制。

            慶幸的是,由于目前工業機器人的應用領域仍然還不是非常廣泛(相對于人類整個的生產活動),因此當前只對重復定位精度和絕對位姿精度有較高的要求,這兩個指標已經有了一些大概的共識。

            現在主流的工業機器人,重復定位精度高于±0.02mm,全工作空間內絕對定位精度高于±1mm,基本可以說是“高精度”機器人了。2、既然沒有明確的定義,那什么情況下可以把自己的機器人稱為“高速”和“高精度”的?當前的主流做法其實很簡單:既然無法對不同大小,不同構型的機器人提供統一的評價指標,那就按照不同的機器人種類(一般按目標應用領域來分),分別給出評價方法。舉兩個栗子。

            比如說在小型6軸機器人領域(用于小型工件加工,如3C領域),一般以標準節拍時間來作為速度性能指標的評價標準。

            標準節拍時間是指:機器人攜帶1公斤的負載,從起點開始,向上移動25mm,平移300mm,向下運動25mm,然后沿路徑返回起點這樣一個過程所耗費的時間,如下圖(圖中是NACHI的MZ07系列,標準節拍時間為0.31s):

            目前行業內頂級水平,可以將該指標控制在0.4s以下,比如EPSON的C4系列為0.37秒,C8系列為0.31秒,DENSO的VS系列可以做到0.33秒。感興趣的可以看一下這個視頻EPSONC4stdmotion1440感受一下。再比如在碼垛/搬運領域,主要是搬運外形統一,重量比較大的物品,一般是以每小時最多可搬運多少次來評價速度,這個指標同樣可以抽象為一個類似小機器人的標準節拍時間,只不過由于臂展增加,往返距離會相應變大(60kg負載,向上400mm,平移2000mm,向下400mm,然后按原路徑返回起點),如下圖:

            ABBIRB460碼垛機器人,一個小時內最多可完成2190次標準節拍,NACHI的LP系列每小時可完成1800次標準節拍。

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