2.3　工业机器人的技术性能

2.3.1　主要技术参数

(1)基本参数

由于机器人的结构、用途和要求不同,机器人的性能也有所不同。一般而言,机器人样本和说明书中所给的主要技术参数有控制轴数(自由度)、承载能力、工作范围(作业空间)、运动速度、位置精度等;此外,还有安装方式、防护等级、环境要求、供电电源要求、机器人外形尺寸与重量等与使用、安装、运输相关的其他参数。

以ABB公司IRB 140T和安川公司MH6两种6轴通用型机器人为例,产品样本和说明书所提供的主要技术参数如表2.3.1所示。

机器人的安装方式与规格、结构形态等有关。一般而言,大中型机器人通常需要采用底面(floor)安装;并联机器人则多数为倒置安装;水平串联(SCARA)和小型垂直串联机器人则可采用底面(floor)、壁挂(wall)、倒置(inverted)、框架(shelf)、倾斜(tilted)等多种方式安装。

(2)作业空间

由于垂直串联等结构的机器人工作范围是三维空间的不规则球体,为了便于说明,产品样本中一般需要提供图2.3.1所示的详细作业空间图。

在垂直串联机器人上,从机器人安装底面中心至手臂前伸极限位置的距离,通常称为机器人的作业半径。例如,图2.3.1(a)所示的IRB140作业半径为810mm(或约0.8m),图2.3.1(b)所示的MH6作业半径为1422mm(或约1.42m)等。

(3)分类性能

工业机器人的性能与机器人的用途、作业要求、结构形态等有关。大致而言,对于不同用途的机器人,其常见的结构形态以及对控制轴数(自由度)、承载能力、重复定位精度等主要技术指标的要求如表2.3.2所示。

2.3.2　工作范围与承载能力

(1)工作范围

工作范围(working range)又称作业空间,它是指机器人在未安装末端执行器时,其手腕参考点所能到达的空间。工作范围是衡量机器人作业能力的重要指标,工作范围越大,机器人的作业区域也就越大。

机器人的工作范围内还可能存在奇点(singular point)。奇点又称奇异点,其数学意义是不满足整体性质的个别点;按照RIA标准定义,机器人奇点是“由两个或多个机器人轴共线对准所引起的、机器人运动状态和速度不可预测的点”。垂直串联机器人的奇点可参见后述;如奇点连成一片,则称为“空穴”。

机器人的工作范围与机器人的结构形态有关。在实际使用时,还需要考虑安装末端执行器后可能产生的碰撞。因此,实际工作范围应剔除机器人在运动过程中可能产生自身碰撞的干涉区。

对于常见的典型结构机器人,其作业空间分别如下。

① 全范围作业机器人　在不同结构形态的机器人中,图2.3.2所示的直角坐标机器人(Cartesian coordinate robot)、并联机器人(parallel robot)、SCARA机器人的运动干涉区较小,机器人能接近全范围工作。

直角坐标的机器人手腕参考点定位通过三维直线运动实现,其作业空间为图2.3.2(a)所示的实心立方体;并联机器人的手腕参考点定位通过3个并联轴的摆动实现,其作业范围为图2.3.2(b)所示的三维空间的锥底圆柱体;SCARA机器人的手腕参考点定位通过3轴摆动和垂直升降实现,其作业范围为图2.3.2(c)所示的三维空间的中空圆柱体。

② 部分范围作业机器人　圆柱坐标(cylindrical coordinate robot)、球坐标(polar coordinate robot)和垂直串联(articulated robot)机器人的运动干涉区较大,工作范围需要去除干涉区,故只能进行图2.3.3所示的部分空间作业。

圆柱坐标机器人的手腕参考点定位通过2轴直线加1轴回转摆动实现,由于摆动轴存在运动死区,其作业范围通常为图2.3.3(a)所示的三维空间的部分圆柱体。球坐标型机器人的手腕参考点定位通过1轴直线加2轴回转摆动实现,其摆动轴和回转轴均存在运动死区,作业范围为图2.3.3(b)所示的三维空间的部分球体。垂直串联关节型机器人的手腕参考点定位通过腰、下臂、上臂3个关节的回转和摆动实现,摆动轴存在运动死区,其作业范围为图2.3.3(c)所示的三维空间的不规则球体。

(2)承载能力

承载能力(payload)是指机器人在作业空间内所能承受的最大负载,它一般用质量、力、转矩等技术参数表示。

搬运、装配、包装类机器人的承载能力是指机器人能抓取的物品质量,产品样本所提供的承载能力是指不考虑末端执行器、假设负载重心位于手腕参考点时,机器人高速运动可抓取的物品质量。

焊接、切割等加工机器人无需抓取物品,因此,所谓承载能力是指机器人所能安装的末端执行器质量。切削加工类机器人需要承担切削力,其承载能力通常是指切削加工时所能够承受的最大切削进给力。

为了能够准确反映负载重心的变化情况,机器人承载能力有时也可用允许转矩(allowable moment)的形式表示,或者通过机器人承载能力随负载重心位置变化图,来详细表示承载能力参数。

图2.3.4是承载能力为6kg的安川公司MH6和ABB公司IRB140垂直串联结构工业机器人的承载能力图,其他同类结构机器人的情况与此类似。

2.3.3　自由度、速度及精度

(1)自由度

自由度(degree of freedom)是衡量机器人动作灵活性的重要指标。所谓自由度,就是整个机器人运动链所能够产生的独立运动数,包括直线、回转、摆动运动,但不包括执行器本身的运动(如刀具旋转等)。机器人的每一个自由度原则上都需要有一个伺服轴进行驱动,因此,在产品样本和说明书中,通常以控制轴数(number of axes)表示。

一般而言,机器人进行直线运动或回转运动所需要的自由度为1;进行平面运动(水平面或垂直面)所需要的自由度为2;进行空间运动所需要的自由度为3。进而,如果机器人能进行图2.3.5所示的X、Y、Z方向直线运动和回绕X、Y、Z轴的回转运动,具有6个自由度,执行器就可在三维空间上任意改变姿态,实现完全控制。

如果机器人的自由度超过6个,多余的自由度称为冗余自由度(redundant degree of freedom),冗余自由度一般用来回避障碍物。

在三维空间作业的多自由度机器人上,由第1~3轴驱动的3个自由度,通常用于手腕基准点的空间定位;第4~6轴则用来改变末端执行器姿态。但是,当机器人实际工作时,定位和定向动作往往是同时进行的,因此,需要多轴同时运动。

机器人的自由度与作业要求有关。自由度越多,执行器的动作就越灵活,适应性也就越强,但其结构和控制也就越复杂。因此,对于作业要求不变的批量作业机器人来说,运行速度、可靠性是其最重要的技术指标,自由度则可在满足作业要求的前提下适当减少。而对于多品种、小批量作业的机器人来说,通用性、灵活性指标显得更加重要,这样的机器人就需要有较多的自由度。

(2)自由度的表示

通常而言,机器人的每一个关节都可驱动执行器产生1个主动运动,这一自由度称为主动自由度。主动自由度一般有平移、回转、绕水平轴线的垂直摆动、绕垂直轴线的水平摆动4种,在结构示意图中,它们分别用图2.3.6所示的符号表示。

当机器人有多个串联关节时,只需要根据其机械结构,依次连接各关节来表示机器人的自由度。例如,图2.3.7为常见的6轴垂直串联和3轴水平串联机器人的自由度的表示方法,其他结构形态机器人的自由度表示方法类似。

(3)运动速度

运动速度决定了机器人的工作效率,它是反映机器人性能水平的重要参数。样本和说明书中所提供的运动速度,一般是指机器人在空载、稳态运动时所能够达到的最大运动速度(maximum speed)。

机器人运动速度用参考点在单位时间内能够移动的距离(mm/s)、转过的角度或弧度(°/s或rad/s)表示,它按运动轴分别进行标注。当机器人进行多轴同时运动时,其空间运动速度应是所有参与运动轴的速度合成。

机器人的实际运动速度与机器人的结构刚度、运动部件的质量和惯量、驱动电机的功率、实际负载等因素有关。对于多关节串联结构的机器人,越靠近末端执行器的运动轴,运动部件的质量、惯量就越小,因此,能够达到的运动速度和加速度也越大;而越靠近安装基座的运动轴,对结构部件的刚度要求就越高,运动部件的质量、惯量就越大,能够达到的运动速度和加速度也越小。

(4)定位精度

机器人的定位精度是指机器人定位时,执行器实际到达的位置和目标位置间的误差值,它是衡量机器人作业性能的重要技术指标。机器人样本和说明书中所提供的定位精度一般是各坐标轴的重复定位精度RP(position repeatability),在部分产品上,有时还提供了轨迹重复精度RT(path repeatability)。

由于绝大多数机器人的定位需要通过关节的旋转和摆动实现,其空间位置的控制和检测,远比以直线运动为主的数控机床困难得多,因此,机器人的位置测量方法和精度计算标准都与数控机床不同。目前,工业机器人的位置精度检测和计算标准一般采用ISO 9283:1998 Manipulating industrial robots; performance criteria and related test methods(《操纵型工业机器人,性能规范和试验方法》)或JIS B8432(日本)等;而数控机床则普遍使用ISO 230⁃2:2014、VDI/DGQ 3441(德国)、JIS B6336(日本)、NMTBA(美国)或GB/T 17421.2—2016(国标)等,两者的测量要求和精度计算方法都不相同,数控机床的标准要求高于机器人。

机器人的定位需要通过运动学模型来确定末端执行器的位置,其理论位置和实际位置之间本身就存在误差;加上结构刚度、传动部件间隙、位置控制和检测等多方面的原因,其定位精度与数控机床、三坐标测量机等精密加工、检测设备相比,还存在较大的差距,因此,它一般只能用作零件搬运、装卸、码垛、装配的生产辅助设备,或是用于位置精度要求不高的焊接、切割、打磨、抛光等粗加工。