万勋冷知识 | 别再只讲“负载”了,“负重比”才是服务机器人的硬道理

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“末端负载”

一直是机器人的核心功能技术指标之一


本着借鉴“更高、更快、更强”的奥林匹克精神,工业机械臂能抓起更重的重物是人类的不懈追求。有了更重的末端负载,机械臂才能超越人体的物理极限,代替人完成更加重载的作业需求。在机械臂领域发展的早期,不断突破设计局限,实现更重的末端负载,是机器人大厂角力的竞技场,甚至是衡量一个国家和地区机器人技术水平的标杆。


“末端负载”逐渐成为划分工业机械臂产品系列的关键指标。由于限制末端负载的核心因素在于驱动机械臂关节的电机功率和机械臂本体的强度,因此负载更重的机械臂一般比负载更轻的机械臂具有更大的本体重量、更大的驱动功率、更高的制造成本等。加之末端负载会直接影响到用户使用机器人时能完成的作业任务,因此末端负载逐渐发展成为划分机械臂产品系列的关键指标之一,和手臂臂展、关节数量等一并成为工业机械臂时代的核心功能指标。


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千斤之臂举百斤之物

大负载代价是大自重


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协作机械臂时代

末端负载好像都是5公斤了?


由丹麦 UR 公司推出的 UR 系列机械臂,开创了协作机械臂的先河,也自然成为了业内标杆和竞品对标的天然对象。UR 系列产品中应用最广的 UR5 是一款末端负载 5kg 的机械臂,是迄今为止应用量最大的协作臂。通过 UR5 的广泛应用,业界发现,绝大多数用户的应用场景可以用一根 5kg 末端负载的机械臂来有效覆盖,因此经过多年的发酵,市场主流的协作臂普遍以 5kg 作为末端负载,5kg 似乎成为了机械臂的承重单位。


其实 UR 也推出过其他负载的协作臂,从 3kg 到 10kg 到最近发布的 20kg 都有。但是经过多年的市场验证,人们发现,由于人类工人手臂比较舒适的负载基本就在 5kg 以内,因此从与人协作的大方向来说,最为广泛的需求仍旧是 5kg 负载的产品。


从“挑战极限”到“够用就好”,负载的追求回归实用和理性。经过了协作臂的积淀,业界早已不再一味追求大负载,而是从作业任务出发,追求更加适配的性能参数。以 5kg 负载为核心逻辑的 UR5 系列,也逐渐发展出了一个家族的 5kg 产品矩阵。


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大自重、轻负载下的UR


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服务机器人领域

末端负载已经无法描述

机械臂作业的核心需求了


进入服务机器人时代,和工业机器人的定点重复作业不同,服务机器人作业的环境和内容都充满随机性,对于机械臂的性能要求远超末端负载这一单一指标。


在满足任务需求的末端负载的基础上,机器人还需要能够有效到达作业位置,有效地执行作业任务,同时作业时不产生对环境或人的伤害。


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试想,在这各行各业与人交互的服务机器人

大自重下的大负载还是首要单一指标吗?


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“负重比”是什么?

它和“负重”、“负载”有什么区别?


“负重比”

是机器人的“负载”除以“自重”的比值


两台同样自重的机器人,负载更大的“负重比”更高;两台一样负载的机器人,自重更轻的那台“负重比”更高。


负重比考核的是一台机器人单位重量下的作业负载能力。相比“负载”或“负重”对于绝对作业能力的考核,“负重比”更加偏重作业的能力密度,在考核中计入了完成负载所需的自重因素,因此更加全面的涵盖了机器人自身的性能。


“负重比”是移动作业机器人的灵魂


如果说末端负载决定了一根机械臂的作业能力,那么负重比则决定了它的作业场合:同样是 5kg 的末端负载,负重比1:1的柔韧臂自重约为 5kg,可以搭载在无人机或轻型移动底盘上实现空天地全天候作业;负重比1:4的协作臂自重约为 20kg,可以勉强搭载在中型移动底盘上实现多地面的室内外作业;而负重比1:20的工业臂自重约为 100kg,只能搭载在重型移动底盘的平整地面室内作业,或直接固定位置安装。


所以,想要实现更广泛载具、更多场景的移动作业,高自重比的机械臂是最关键的因素之一。


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在载具、应用场景广泛性上

高负重比的柔韧臂显然更有优势


“负重比”直接关乎安全性


由于越轻的手臂发生碰撞时越容易停止,发生的碰撞能量也更低,自然更加安全,反之越重的手臂则越危险。在同等作业任务要求下,手臂预期的末端负载相同,则具有更高负重比的手臂会有更轻的自重,因此越安全。


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石头和气球撞人,哪个更有杀伤力?


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柔韧臂的负重比一般是1:1到3:1

这在业界是什么水平?


工业机械臂的负重比通常在1:10-1:20。四大家族的主流产品末端负载在 50-200kg,自重从0.5吨到3吨。这也就是为什么工业机械臂一定要关在安全铁笼子里工作,才能保证人员安全。


协作机械臂的负重比通常在1:3-1:5,以 UR 的 UR5 为例,负载 5kg 的同时,自重约为 18kg。德国 KUKA 发布过一款极致减重的顶级安全协作臂,自重和负载都是 14kg,达到了破天荒的1:1负重比(和天价的售价)。


柔韧臂由于清奇的骨骼和创新的材料结构,由压缩气体驱动,可以产生极其巨大的输出力。一个20克的典型柔韧肌肉,在1个大气压驱动下可以产生20公斤的输出力,达到自重的1000倍。以这种柔韧肌肉作为核心单元构成的柔韧机器臂,可以轻松地突破1:1的自重负载限制,并且最高达到3:1的高水平(3公斤自重,10公斤最大负载)。考虑到人手臂的负重比大约1:1左右,柔韧臂可以用比人手更轻的自重实现类似的负载。


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柔韧臂,敢于承受负载之重

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