一文看懂工業(yè)機器人的結構形式

1959年，喬治·德沃爾（George Devol）和約瑟夫·恩格爾伯格（Joseph Engelberger）發(fā)明了世界上第一臺工業(yè)機器人——尤尼梅特（Unimate）。它由巨大底座連接著一根機械臂構成，結構相對簡單。六十多年后的今天，工業(yè)機器人已從單一的自由度發(fā)展至六軸甚至更多軸的聯(lián)動，從僅限于在直線軌道上作業(yè)到能夠在三維空間內靈活運動，其結構形式日益復雜多樣，功能也更為強大。

圖1 恩格爾伯格和尤尼梅特（圖片來源于《星期日泰晤士報》）

根據機械結構形式，工業(yè)機器人總體上可分為串聯(lián)、并聯(lián)和串并混聯(lián)機器人三大類。三者之間最大區(qū)別是機器人本體所采用的機構不同：

串聯(lián)機構（serial mechanism）是從基座開始由連桿和關節(jié)順序連接而構成的開式鏈機構。典型的串聯(lián)機器人有坐標式機器人和關節(jié)式機器人。

并聯(lián)機構(parallel mechanism)是動平臺和靜平臺通過至少兩條獨立的運動鏈相連接，以并聯(lián)方式驅動的一種閉鏈機構。典型的并聯(lián)機器人有Delta機器人、Stewart機器人和五桿機器人。

串并混聯(lián)機構則是以上兩種機構的結合。

圖2 工業(yè)機器人結構分類

串聯(lián)機器人分為坐標式機器人和關節(jié)式機器人。坐標式機器人通過線性軸和旋轉軸的組合來定義工作空間，適用于固定路徑的精確操作；而關節(jié)式機器人通過多關節(jié)的靈活運動來實現(xiàn)大范圍和復雜軌跡的操作，更適合需要高靈活性和多自由度的任務。

坐標式機器人按照運動坐標形式劃分，可分為柱面坐標型機器人、球面坐標機器人和直角坐標機器人。其中，直角坐標機器人與其他兩類機器人相比，結構更簡單，應用更廣泛。

直角坐標機器人

直角坐標機器人，也被稱為笛卡爾機器人，是一種相對簡單的工業(yè)機器人。其通常由三個互相垂直的直線運動軸（X、Y、Z軸）組成，其工作空間為一長方體，能夠提供較高的運動精度和良好的機械剛性，適合在不同高度的二維平面內定位、平移操作，例如，涂膠、點膠、鉆孔以及上下料等。

圖3 直角坐標機器人（來源于ENGEL官網）

除了以上結構最簡單的笛卡爾機器人，還有龍門式直角坐標機器人，也稱桁架式機器人。其結構包括兩根 X 軸水平固定梁、橫跨在兩根 X 軸水平梁之間的 Y 軸水平移動梁、Z 軸的垂直移動臂。由于有龍門結構的加持，該類型的直角坐標機器人能提供更大的負載、更好的剛性和精度，適用于體積大、重量重物品的搬運，例如集裝箱出入庫、車輪搬運、變壓器堆芯等。

圖4 桁架式機器人（來源于GÜDEL官網）

總之，直角坐標型機器人的位置精度高，避障性好，但無法調節(jié)工具姿態(tài)，靈活性差，難以與其他機器人協(xié)調。

柱面坐標機器人

柱面坐標機器人主要由旋轉基座、垂直移動和水平移動軸構成，具有一個回轉和兩個平移自由度，其動作空間呈圓柱形。

圖5 柱面坐標機器人（來源于《星期日泰晤士報》）

柱面坐標型機器人的位置精度僅次于直角坐標型，控制簡單，剛性好、避障性好，但結構也較龐大，空間利用率低，難與其他機器人協(xié)調工作，兩個移動軸的設計較為復雜，適用于在圓柱形工作空間內進行精確的物料搬運、噴涂等操作。

球面坐標機器人

球面坐標機器人，又稱極坐標機器人，空間位置分別由回轉、擺動和平移3個自由度確定，動作空間形成球面的一部分。

圖6 球面坐標機器人（來源于《星期日泰晤士報》）

球面坐標機器人占地面積較小、結構緊湊，所占空間體積小于直角坐標和柱面坐標機器人但通常大于關節(jié)式機器人，位置精度尚可，能與其他機器人協(xié)調工作，但避障性差，有平衡問題，位置誤差與臂長有關，常用于大范圍的上下料操作，如熱壓鑄金屬件的搬運等。

四軸

四軸機器人能進行工作空間內平面的定位與Z軸方向的上下運動，還能進行繞Z軸方向的旋轉運動。

四軸機器人目前主要有兩種形式，一種是四個旋轉關節(jié)串聯(lián)而成的傳統(tǒng)四軸機器人，另一種是SCARA機器人。

圖7 傳統(tǒng)四軸機器人（來源于安川電機官網）

傳統(tǒng)四軸機器人通常在動作連桿旁增加隨動連桿，提高了機器人整體結構的剛性，加強了其承受負載的能力，就像是一個人擁有了更粗壯的手臂，能提起更重的物體。一般傳統(tǒng)四軸機器人被用于產線上箱體的碼垛、分揀和搬運。

SCARA機器人的全稱是 Selective Compliance Assembly Robot Arm，即選擇順應性裝配機器人手臂。它由3個旋轉關節(jié)（R），一個移動關節(jié)（P），4個連桿串聯(lián)而成，也稱RRRP機器人。其工作空間和柱面坐標機器人類似，為圓柱體，擅長快速、重復、連貫點位運動，適用于小件上下料、小件裝配、搬運、排序和包裝等場景。

五軸

五軸機器人通常比四軸機器人多一個末端手腕擺動軸（如圖8中Axis 5），具備在搬運途中調整物料姿態(tài)的能力。五軸機器人的主要價值體現(xiàn)在動作靈活性上的升級，但同時也降低了其最大負載，通常用于噴涂、復雜裝配、焊接等領域。

圖9 五軸垂直多關節(jié)機器人（來源于Yaskawa官網）

六軸

六軸機器人具備六個旋轉關節(jié)，每個關節(jié)都可以進行獨立運動。與五軸機器人相比，六軸機器人通常多了一個末端手腕旋轉軸（如圖9中Axis 4），能實現(xiàn)繞六個關節(jié)軸線不同程度的旋轉運動，這使得其末端執(zhí)行器可以在三維空間內以不同角度進行定位和操作，增強了它在復雜環(huán)境中的避障能力和靈活性，適用于點焊、弧焊、噴涂、碼垛、卸垛、包裝、清潔、裝配、檢測等大部分工業(yè)場景。

圖10 六軸機器人（來源于中國機器人網）

此外，市場上還出現(xiàn)了一種創(chuàng)新設計的六軸折疊機器人，能夠在閑置時折疊至緊湊形態(tài)，大幅節(jié)省空間。這種設計不僅保留了傳統(tǒng)六軸機器人的功能特性，同時，還實現(xiàn)了更優(yōu)的空間利用和更高的部署靈活性，尤其適合空間受限的作業(yè)場景。

圖11 六軸折疊機器人（來源于EPSON官網）

七軸

七軸機器人通常在傳統(tǒng)六軸機器人的基礎上增加了一個底部擺動軸（如圖11中Axis 3），具備比六軸機器人更優(yōu)秀的避障能力，能夠實現(xiàn)更為復雜的運動軌跡和更廣闊的運動范圍，常用于噴涂、焊接等。

圖12 七軸弧焊機器人（來源于Yaskawa官網）

關節(jié)式機器人除了常見的四到七軸之外，還可以根據具體的應用需求進行更多的軸數(shù)配置，這些額外的軸通常被稱為外部軸或附加軸，它們可以是機器人底座上的旋轉臺、滑軌系統(tǒng)或其他形式的運動機構，用于擴展機器人的工作范圍、靈活性或適應特定的應用需求，來實現(xiàn)更復雜的路徑規(guī)劃或增強末端執(zhí)行器的定位能力。

圖13  裝備滑軌的六軸機器人（來源于固都自動化官網）

目前，SCARA機器人和六軸機器人在工業(yè)應用中比四軸和五軸機器人更為普遍。究其原因，可以從結構和綜合使用成本兩方面分析。

從結構來看，四軸和五軸機器人的工作范圍和靈活性相對有限，難以滿足復雜多變的工業(yè)需求。四軸機器人擅長平面內的高速拾取和放置任務，但垂直方向上的運動能力較弱，不適合需要多自由度操作的復雜任務。五軸機器人雖然在靈活性上有所提升，但仍不如六軸機器人能夠提供全方位的運動能力。因此，六軸機器人在三維空間中的復雜任務處理上的能力更為突出。從綜合使用成本來看，六軸機器人在市場上呈現(xiàn)“贏者通吃”的局面，巨大的市場攤薄了其綜合成本。企業(yè)采購一臺六軸機器人的總體成本往往低于使用多臺四軸或五軸機器人。

另外，對于二維平面運動中的高節(jié)拍、高精度、高穩(wěn)定性的作業(yè)需求，則是SCARA機器人更能勝任。企業(yè)采購SCARA機器人的綜合成本也比采購傳統(tǒng)四軸機器人、通用小型六軸機器人更低。此外，SCARA機器人還能通過調整連桿臂長度來適應不同的工作范圍，以滿足企業(yè)定制化需求，從而進一步降低了綜合使用成本。

并聯(lián)機器人的結構整體比串聯(lián)機器人復雜，在工業(yè)應用上以Detla機器人最為常見。此外，被人們熟知的還有Stewart機器人和五桿機器人。這些并聯(lián)機器人因其獨特的結構，在需要高精度和高速度的操作任務中顯示出獨特的優(yōu)勢，如精密裝配、快速分揀和重載環(huán)境模擬等領域。

Delta機器人是典型的空間三自由度并聯(lián)機構，整體結構精密、緊湊，驅動部分均勻分布于固定平臺。Delta機器人與直角坐標機器人一樣適合進行二維平面內定位、平移的操作，同時其承載能力強、自重負荷比小、動態(tài)性能好。并行三自由度機械結構，穩(wěn)定性好，重復定位精度高，能實現(xiàn)超高速拾取物品，廣泛應用于食品包裝行業(yè)的物料搬運、電子高科技行業(yè)的零部件分揀等。

圖15 Stewart機器人（來源于《現(xiàn)代機器人學機構、規(guī)劃與控制》）

圖16五桿機器人（來源于AtomRobot官方網站）

串并混聯(lián)機器人（Serial-Parallel Hybrid Robot）是一種結合了串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人優(yōu)點的機器人。它通過將串聯(lián)機構的大范圍運動能力和并聯(lián)機構的高精度和高剛性特性有機地結合起來，實現(xiàn)了在三維空間內的高靈活性、高精度和高負載能力。這種機器人并沒有特定的結構形式，現(xiàn)有的串并混聯(lián)機器人通常以并聯(lián)機構為底座，提供穩(wěn)定精確的定位能力，以串聯(lián)機構作為延展，提高輔助末端執(zhí)行器的可達性和避障能力。其在精密裝配、零件加工、醫(yī)療手術輔助、物料搬運等多個領域展現(xiàn)出卓越的性能，適用于復雜運動任務。

近幾年，一種能夠讓人與機器人在同一共享空間中協(xié)同作業(yè)的協(xié)作機器人出現(xiàn)在工業(yè)場景中，它們越來越多地滲透到制造業(yè)、醫(yī)療、物流等多個行業(yè)中，并且市場對其應用需求持續(xù)升溫。

協(xié)作機器人（簡稱cobot或co-robot）是基于人機交互理念設計的智能設備，具備易用性、靈活性、安全性和共融性，使它們能夠與人類實現(xiàn)高效的協(xié)同作業(yè)。安全性作為人機協(xié)作的基石，主要通過采用輕質材料、邊緣圓滑設計以及速度或力的限制來保障，同時借助先進的傳感器和軟件技術，確保在共同的工作空間內實現(xiàn)安全、近距離的互動。

當前市面上的協(xié)作機器人大多為關節(jié)式構造，其結構與傳統(tǒng)關節(jié)式機器人類似，多以四軸和六軸形式出現(xiàn)。然而，協(xié)作機器人以其更高的軸集成度、更小的身形、更輕巧的體態(tài)脫穎而出，外部覆蓋件普遍采用光滑的曲面和圓角造型，最大程度地提升機器人的 “親和力”和與人類的友好性。

圖17 六軸協(xié)作機器人(來源于UR官網)

綜合來看，工業(yè)機器人在結構設計方面不斷取得突破，展現(xiàn)出其在制造業(yè)中的巨大潛力。串、并聯(lián)機器人在靈活性、剛度和動態(tài)性能上存在顯著差異，它們各有所長。在實際應用場景中，這兩種機器人并非相互替代，而是相互補充，共同提升整體效能。串并混聯(lián)機器人則集成了串聯(lián)機器人的大工作空間和高靈活特性，以及并聯(lián)機器人的快速響應和高剛度特性，實現(xiàn)了兩者優(yōu)勢的結合。

表1 串、并聯(lián)機器人比較

未來，工業(yè)機器人將朝著提高功率密度、實現(xiàn)輕量化、多自由度、兼容多種材料、模仿人體結構、高負重與自重比及實現(xiàn)一體化機構等方向發(fā)展，實現(xiàn)人機共融。不同工業(yè)機器人將無縫交互，適應動態(tài)工作場景，并成為云化機器人，核心控制單元遷移到云端，通過網絡連接實現(xiàn)實時計算和智能控制，使工業(yè)生產更適應市場需求，實現(xiàn)柔性生產，推動制造業(yè)向智能、高效發(fā)展！

參考資料

（來源工業(yè)自動化洞察）