1.4　工业机器人的技术性能

工业机器人的技术性能的主要表现技术参数即为工业机器人制造商在产品供货时所提供的技术数据。表1-1、表1-2为两种工业机器人的主要技术参数。尽管各厂商提供的技术参数不完全一样，工业机器人的结构、用途等有所不同，且用户的要求也不同，但工业机器人的主要技术参数一般应包括自由度、精度、工作范围、速度、承载能力等。

（1）自由度

自由度（degree of freedom）是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不应包括手爪（末端操作器）的开合自由度。例如，A4020型装配机器人具有四个自由度，可以在印制电路板上接插电子器件；PUMA562机器人具有六个自由度，如图1-16所示，可以进行复杂空间曲面的弧焊作业。从运动学的观点看，在完成某一种特定作业时具有多余自由度的机器人，就叫作冗余自由度机器人。例如PUMA562机器人去执行印制电路板上接插电子器件的作业时就成为冗余自由度机器人。利用冗余的自由度可以增加机器人的灵活性，躲避障碍物和改善动力性能。人的手臂（大臂、小臂、手腕）共有七个自由度，所以工作起来很灵巧，手部可回避障碍物，从不同方向到达同一个目的点。

无论机器人的自由度有多少，在运动形式上分为两种，直线运动（P）和旋转运动（R），如RPRR表示四个运动自由度，从基座到臂端，关节的运动方式为旋转—直线—旋转—旋转。

（2）精度

工业机器人精度（accuracy）是指定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度是指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力，可以用标准偏差来表示，它是衡量一列误差值密集度的统计量，即重复度，如图1-17所示。

（3）工作范围

工作范围（work space）是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合。因为末端操作器的尺寸和形状是多种多样的，为了真实反映机器人的特征参数，所以这个性能是指不安装末端操作器时的工作区域。工作范围的形状和大小是十分重要的，机器人在执行作业时可能会因为存在手部不能达到的作业死区（dead zone）而不能完成任务。图1-18和图1-19分别为PUMA机器人和A4020机器人的工作范围。

（4）速度

速度（speed）和加速度是表明机器人运动特征的主要指标。说明书中通常提供了主要运动自由度的最大稳定速度，但在实际应用中单纯考虑最大稳定速度是不够的。这是因为由于驱动器输出功率的限制，从启动到达最大稳定速度或从最大稳定速度到停止，都需要一定时间。如果最大稳定速度高，允许的极限加速度小，则加减速的时间就会长一些，对应用而言有效速度就要低一些。反之，如果最大稳定速度低，允许的极限加速度大，则加速度的时间就会短一些，有利于有效速度的提高。但如果加速或减速过快，有可能引起定位时超调或振荡加剧，使得到达目标位置后需要等待振荡衰减的时间增加，也可能使有效速度反而降低。所以考虑机器人运动特性时，除注意最大稳定速度外，还应注意其最大允许的加减速度。

（5）承载能力

承载能力（payload）是指机器人在工业范围内的任何位姿上所有承受的最大质量。承载能力不仅取决于负载的质量，而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。为了安全起见，承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力。通常，承载能力不仅指负载，而且还包括了机器人末端操作器的质量。图1-20为三菱装配机器人在不带末端操作器时的承载能力。图1-21为三菱装配机器人在带电动手爪时的承载能力。

机器人有效负载的大小除受到驱动器功率的限制外，还受到杆件材料极限应力的限制，因而，它又和环境条件（如地心引力）、运动参数（如运动速度、加速度以及它们的方向）有关。如图1-22所示，操作臂额定可搬运的质量为14500kg，在运动速度较低时能达到29500kg。然而这种负荷能力只是太空中失重条件下才有可能达到。在地球上，该手臂本身的质量达410kg，连自重引起的臂杆变形都无法承受，更谈不上可搬运质量的问题了。