机械臂技术参数的意义_机械臂运动范围计算

不管是任何种类的机械臂，不管它长得有多么奇形怪状，它总有不得不考虑的一些参数，是一个搞机械的必须要知道、明白它们到底是什么意思的。

技术参数的目的：反映了机械臂可胜任的工作、具有的最高操作性能等情况。

技术参数的用途：机械臂的设计、选择、应用。

这个链接是协作机械臂 Franka emika 的技术参数表格。

这里面主要需要关注的技术参数通常包括以下六个：

目录

一、自由度

二、分辨率

1. 编程分辨率
2. 控制分辨率

三、精度

1. 定位精度
2. 重复定位精度

四、工作范围

五、承载能力

六、最大速度（加速度）

参考

---

 

自由度

自由度就是指其所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括手爪（末端操作器，end-effector）的开合自由度。 

这里的自由度（英文简写DOF，Degree Of Freedom），指的是机械专业，《机械原理》课程中所学的机械系统的自由度。

计算公式如下： 其中，n：为活动构件数；PL：低副约束数；PH：高副约束数。

所以计算一下上图 emika 机械臂的自由度：一共有7个活动构件，7个转动关节，如图：所以F=3*7-2*7=21-14=7 个自由度。机械臂的可动关节数一般就是等于独立坐标轴运动的数目的，因此在机械臂这块，自由度就数电机就可以了。

在三维空间中描述一个物体的位置和姿态（位姿）需要六个自由度。但是就像emika机械臂，它有七个自由度，所以说，机械臂的自由度是根据它的用途而设计的，可能小于六个自由度，也可能大于六个自由度。小于六个的，就像只需要，在平面上动动，在电路板上插元器件、在白板上写个字，就只需要四个和三个自由度。

如果用六个自由度的机械臂去插元器件，这就叫做冗余自由度机器人了，利用冗余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）就共有七个自由度，所以人的手很灵巧，可以回避障碍，从不同方向到达同一个目的点。比较直观的可以试一下，当你的手指完全不动的时候，手肘还是可以动的。

所以自由度这个参数，就是来表明机械臂的灵活性的，灵活性不同，应用范围以及场合就不同。

分辨率

 

这个参数经常会和机械臂的精度弄混。但实际上分辨率是指机械臂能够实现的最小移动距离或最小转动角度。

是由系统设计检测参数决定，并受到位置反馈检测单元性能的影响。

• 编程分辨率

是指程序中可以设定的最小距离单位，又称基准分辨率。例如：当电动机旋转0.1°，机械臂手腕点机手臂尖端点（不安装夹爪之类的工具）的直线移动距离为0.01mm时，其基准分辨率为0.01mm。

• 控制分辨率

是指位置反馈电路能够检测到的最小位移量。例如：若每周（转）1000个脉冲的增量式编码盘与电动机同轴安装；则电动机每旋转0.36°（360°，1000r/min），编码盘就发出一个脉冲，0.36°以下的角度无法检测，就称该系统的控制分辨率为0.36°。显然，当编程分辨率与控制分辨率相等时，系统改的性能达到最高。

这两种分辨率，统称为系统分辨率

精度

机械臂的精度主要取决于误差，误差又有下面三种原因;

• 机械误差

传动误差：由轮齿误差、螺距误差等所引起的；

关节间隙：由关节处的轴承间隙、谐波齿隙等引起的；

连杆机构的挠度：其随机械臂位形、负载的变化而变化。

• 控制算法误差

主要指算法能否得到直接解和算法在计算机内的运算字长所造成的bit(比特)误差。作为控制系统的设计者，使用16位以上CPU进行浮点运算，精度可达到82位以上，所以bit误差与机构误差相比基本可以忽略不计。

• 分辨率系统误差

可取三基准分辨率。其理由是基准分辨率以下的运动变位既无法编程又无法检测，故误差的平均值可取1/2基准分辨率。机械臂的精度可认为是1/2基准分辨率与机构误差之和，即：精度= 1/2基准分辨率 + 机构误差。

如能够做到使机械臂整个机构的综合误差值达到三基准分辨率，则精度等于分辨率。但是，就目前的水平而言，除纳米领域的机械手以外，其他的机械臂还难以实现。

在实际应用中，精度的测量方法会分为，定位精度和重复定位精度，一般的技术参数表会采用重复定位精度。

• 定位精度

如下图， 想到的位置与实际到的位置之间的差异 d 就是定位精度的值，这个值其实非常容易受各种情况的影响，比如温度变化，会导致机械臂各个关节等的伸长或缩短，可能变化1℃，几十个μm就出去了。

• 重复定位精度

指机器人重复到达某一目标位置的差异程度。或在相同的位置指令下，机器人连续重复若干次其实际到达位置的分散情况。 是关于定位精度的统计数据，是衡量一列误差值的密集程度（重复度）。

如上图所示，重复定位精度是指各次不同位置平均值的偏差。若重复定位精度为+0.2 mm，则指所有的动作位置停止点均在以么为中心的左右0.2 mm以内。在测试机械手的重复定位精度时，不同速度、不同方位下，反复试验的次数越多，重复定位精度的评价就越准确。

因重复定位精度不受工作载荷变化的影响，故通常用重复定位精度这一指标作为衡量 示教--再现 方式机械臂水平的重要指标。

标定重复定位精度时一般同时给出测试次数、测试过程所加的负载和手臂的姿态。

精度和重复定位精度测试的典型情况如下图所示。

 知道了这些概念，还需要了解一下怎么测这个东西，由上可以知道，我们要测的是用电脑算出来的机械臂末端某一点的坐标值（一般取末端安装盘中心点，被称作TCP：tool center point），与实际上机械臂这一点的坐标值，之间的距离。因此只需增加一个可测量空间坐标值的设备就可以了。实际中对机械臂末端坐标的测量使用的是类似这样的 激光跟踪仪，实际的测量方法还有很多，可以在《GB/T12642_2013 工业机器人性能规范及其试验方法》这个文件中查看。

工作范围

 机械臂工作范围是指机械臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫做工作区域。

由于末端执行器的形状和尺寸是多种多样的，为真实反映机械手的特征参数，故工作范围是指不安装末端执行器时的工作区域。

工作范围的形状和大小是十分重要的，机械手在执行某作业时可能会因存在手部不能到达的作业死区(dead zone)而不能完成任务。

承载能力

承载能力是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大负载，一般用质量、力矩或惯性矩表示。承载能力还与机械臂运行的速度和加速度的大小、方向有关。为了安全起见，一般规定高速运行时所能抓取的最大重量（通常包括末端操作器的质量）作为承载能力的指标。

机械臂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）。

例如下图三菱装配机器人不带夹爪，与带夹爪两种状态下的承载能力：

 

最大速度（加速度）

速度和加速度是机械臂运动特性的主要指标。说明书中通常提供了主要运动自由度的最大稳定速度，不同厂家对最大稳定速度规定的内容亦有不同之处，有的厂家定义为机械臂主要自由度上最大的稳定速度；有的厂家定义为工业机械手手臂末端最大的合成速度，通常在技术参数中如加以说明。

显而易见，工作速度愈高，工作效率愈高，但是在实际应用中单纯考虑最大稳定速度是不够的。驱动器的输出功率限制了它，从启动到达到最大稳定速度，或者共最大稳定速度到停止，都需要一定时间。因此需要看有效速度

如果最大稳定速度高，允许的极限加速度小，则加减速的时间会长一些，对应用而言的有效速度就要低一些；

反之，最大稳定速度低，允许的极限加速度就大，则加减速时间就会短一点。

加减速时的加速度大，就有利于提高有效速度，但加速度过大，有可能会引起定位超调或振荡夹具，使得到达目标位置后需要等待振荡衰减的时间增加，反而使有效速度降低。所以除了看参数里的最大稳定速度外，还要看加速度的大小。

参考

1. 百家号：RND非标机械手
2. 百度文库：工业机器人的技术参数
3. 一文看懂机器人结构、驱动及技术指标