一文看懂工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)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(tái)工業(yè)機(jī)器人——尤尼梅特（Unimate）。它由巨大底座連接著一根機(jī)械臂構(gòu)成，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單。六十多年后的今天，工業(yè)機(jī)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(dòng)，從僅限于在直線軌道上作業(yè)到能夠在三維空間內(nèi)靈活運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)形式日益復(fù)雜多樣，功能也更為強(qiáng)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(bào)》）

根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，工業(yè)機(jī)器人總體上可分為串聯(lián)、并聯(lián)和串并混聯(lián)機(jī)器人三大類。三者之間最大區(qū)別是機(jī)器人本體所采用的機(jī)構(gòu)不同：

串聯(lián)機(jī)構(gòu)（serial mechanism）是從基座開始由連桿和關(guān)節(jié)順序連接而構(gòu)成的開式鏈機(jī)構(gòu)。典型的串聯(lián)機(jī)器人有坐標(biāo)式機(jī)器人和關(guān)節(jié)式機(jī)器人。

并聯(lián)機(jī)構(gòu)(parallel mechanism)是動(dòng)平臺(tái)和靜平臺(tái)通過至少兩條獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈相連接，以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)的一種閉鏈機(jī)構(gòu)。典型的并聯(lián)機(jī)器人有Delta機(jī)器人、Stewart機(jī)器人和五桿機(jī)器人。

串并混聯(lián)機(jī)構(gòu)則是以上兩種機(jī)構(gòu)的結(jié)合。

圖2 工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)分類

串聯(lián)機(jī)器人分為坐標(biāo)式機(jī)器人和關(guān)節(jié)式機(jī)器人。坐標(biāo)式機(jī)器人通過線性軸和旋轉(zhuǎn)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(guān)節(jié)式機(jī)器人通過多關(guān)節(jié)的靈活運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)大范圍和復(fù)雜軌跡的操作，更適合需要高靈活性和多自由度的任務(wù)。

坐標(biāo)式機(jī)器人按照運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式劃分，可分為柱面坐標(biāo)型機(jī)器人、球面坐標(biāo)機(jī)器人和直角坐標(biāo)機(jī)器人。其中，直角坐標(biāo)機(jī)器人與其他兩類機(jī)器人相比，結(jié)構(gòu)更簡單，應(yīng)用更廣泛。

直角坐標(biāo)機(jī)器人

直角坐標(biāo)機(jī)器人，也被稱為笛卡爾機(jī)器人，是一種相對(duì)簡單的工業(yè)機(jī)器人。其通常由三個(gè)互相垂直的直線運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)精度和良好的機(jī)械剛性，適合在不同高度的二維平面內(nèi)定位、平移操作，例如，涂膠、點(diǎn)膠、鉆孔以及上下料等。

圖3 直角坐標(biāo)機(jī)器人（來源于ENGEL官網(wǎng)）

除了以上結(jié)構(gòu)最簡單的笛卡爾機(jī)器人，還有龍門式直角坐標(biāo)機(jī)器人，也稱桁架式機(jī)器人。其結(jié)構(gòu)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(dòng)梁、Z 軸的垂直移動(dòng)臂。由于有龍門結(jié)構(gòu)的加持，該類型的直角坐標(biāo)機(jī)器人能提供更大的負(fù)載、更好的剛性和精度，適用于體積大、重量重物品的搬運(yùn)，例如集裝箱出入庫、車輪搬運(yùn)、變壓器堆芯等。

圖4 桁架式機(jī)器人（來源于GÜDEL官網(wǎng)）

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

柱面坐標(biāo)機(jī)器人

柱面坐標(biāo)機(jī)器人主要由旋轉(zhuǎn)基座、垂直移動(dòng)和水平移動(dòng)軸構(gòu)成，具有一個(gè)回轉(zhuǎn)和兩個(gè)平移自由度，其動(dòng)作空間呈圓柱形。

圖5 柱面坐標(biāo)機(jī)器人（來源于《星期日泰晤士報(bào)》）

柱面坐標(biāo)型機(jī)器人的位置精度僅次于直角坐標(biāo)型，控制簡單，剛性好、避障性好，但結(jié)構(gòu)也較龐大，空間利用率低，難與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，兩個(gè)移動(dòng)軸的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，適用于在圓柱形工作空間內(nèi)進(jìn)行精確的物料搬運(yùn)、噴涂等操作。

球面坐標(biāo)機(jī)器人

球面坐標(biāo)機(jī)器人，又稱極坐標(biāo)機(jī)器人，空間位置分別由回轉(zhuǎn)、擺動(dòng)和平移3個(gè)自由度確定，動(dòng)作空間形成球面的一部分。

圖6 球面坐標(biāo)機(jī)器人（來源于《星期日泰晤士報(bào)》）

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

四軸

四軸機(jī)器人能進(jìn)行工作空間內(nèi)平面的定位與Z軸方向的上下運(yùn)動(dòng)，還能進(jìn)行繞Z軸方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

四軸機(jī)器人目前主要有兩種形式，一種是四個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成的傳統(tǒng)四軸機(jī)器人，另一種是SCARA機(jī)器人。

圖7 傳統(tǒng)四軸機(jī)器人（來源于安川電機(jī)官網(wǎng)）

傳統(tǒng)四軸機(jī)器人通常在動(dòng)作連桿旁增加隨動(dòng)連桿，提高了機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的剛性，加強(qiáng)了其承受負(fù)載的能力，就像是一個(gè)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(jī)器人被用于產(chǎn)線上箱體的碼垛、分揀和搬運(yùn)。

SCARA機(jī)器人的全稱是 Selective Compliance Assembly Robot Arm，即選擇順應(yīng)性裝配機(jī)器人手臂。它由3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（R），一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)（P），4個(gè)連桿串聯(lián)而成，也稱RRRP機(jī)器人。其工作空間和柱面坐標(biāo)機(jī)器人類似，為圓柱體，擅長快速、重復(fù)、連貫點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)，適用于小件上下料、小件裝配、搬運(yùn)、排序和包裝等場景。

五軸

五軸機(jī)器人通常比四軸機(jī)器人多一個(gè)末端手腕擺動(dòng)軸（如圖8中Axis 5），具備在搬運(yùn)途中調(diào)整物料姿態(tài)的能力。五軸機(jī)器人的主要價(jià)值體現(xiàn)在動(dòng)作靈活性上的升級(jí)，但同時(shí)也降低了其最大負(fù)載，通常用于噴涂、復(fù)雜裝配、焊接等領(lǐng)域。

圖9 五軸垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人（來源于Yaskawa官網(wǎng)）

六軸

六軸機(jī)器人具備六個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)都可以進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。與五軸機(jī)器人相比，六軸機(jī)器人通常多了一個(gè)末端手腕旋轉(zhuǎn)軸（如圖9中Axis 4），能實(shí)現(xiàn)繞六個(gè)關(guān)節(jié)軸線不同程度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這使得其末端執(zhí)行器可以在三維空間內(nèi)以不同角度進(jìn)行定位和操作，增強(qiáng)了它在復(fù)雜環(huán)境中的避障能力和靈活性，適用于點(diǎn)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(jī)器人（來源于中國機(jī)器人網(wǎng)）

此外，市場上還出現(xiàn)了一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)的六軸折疊機(jī)器人，能夠在閑置時(shí)折疊至緊湊形態(tài)，大幅節(jié)省空間。這種設(shè)計(jì)不僅保留了傳統(tǒng)六軸機(jī)器人的功能特性，同時(shí)，還實(shí)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(jī)器人（來源于EPSON官網(wǎng)）

七軸

七軸機(jī)器人通常在傳統(tǒng)六軸機(jī)器人的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)底部擺動(dòng)軸（如圖11中Axis 3），具備比六軸機(jī)器人更優(yōu)秀的避障能力，能夠?qū)崿F(xiàn)更為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡和更廣闊的運(yùn)動(dòng)范圍，常用于噴涂、焊接等。

圖12 七軸弧焊機(jī)器人（來源于Yaskawa官網(wǎng)）

關(guān)節(jié)式機(jī)器人除了常見的四到七軸之外，還可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)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(jī)器人底座上的旋轉(zhuǎn)臺(tái)、滑軌系統(tǒng)或其他形式的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于擴(kuò)展機(jī)器人的工作范圍、靈活性或適應(yīng)特定的應(yīng)用需求，來實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的路徑規(guī)劃或增強(qiáng)末端執(zhí)行器的定位能力。

圖13  裝備滑軌的六軸機(jī)器人（來源于固都自動(dòng)化官網(wǎng)）

目前，SCARA機(jī)器人和六軸機(jī)器人在工業(yè)應(yīng)用中比四軸和五軸機(jī)器人更為普遍。究其原因，可以從結(jié)構(gòu)和綜合使用成本兩方面分析。

從結(jié)構(gòu)來看，四軸和五軸機(jī)器人的工作范圍和靈活性相對(duì)有限，難以滿足復(fù)雜多變的工業(yè)需求。四軸機(jī)器人擅長平面內(nèi)的高速拾取和放置任務(wù)，但垂直方向上的運(yùn)動(dòng)能力較弱，不適合需要多自由度操作的復(fù)雜任務(wù)。五軸機(jī)器人雖然在靈活性上有所提升，但仍不如六軸機(jī)器人能夠提供全方位的運(yùn)動(dòng)能力。因此，六軸機(jī)器人在三維空間中的復(fù)雜任務(wù)處理上的能力更為突出。從綜合使用成本來看，六軸機(jī)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(tái)六軸機(jī)器人的總體成本往往低于使用多臺(tái)四軸或五軸機(jī)器人。

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

并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)整體比串聯(lián)機(jī)器人復(fù)雜，在工業(yè)應(yīng)用上以Detla機(jī)器人最為常見。此外，被人們熟知的還有Stewart機(jī)器人和五桿機(jī)器人。這些并聯(lián)機(jī)器人因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，在需要高精度和高速度的操作任務(wù)中顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如精密裝配、快速分揀和重載環(huán)境模擬等領(lǐng)域。

Delta機(jī)器人是典型的空間三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)精密、緊湊，驅(qū)動(dòng)部分均勻分布于固定平臺(tái)。Delta機(jī)器人與直角坐標(biāo)機(jī)器人一樣適合進(jìn)行二維平面內(nèi)定位、平移的操作，同時(shí)其承載能力強(qiáng)、自重負(fù)荷比小、動(dòng)態(tài)性能好。并行三自由度機(jī)械結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好，重復(fù)定位精度高，能實(shí)現(xiàn)超高速拾取物品，廣泛應(yīng)用于食品包裝行業(yè)的物料搬運(yùn)、電子高科技行業(yè)的零部件分揀等。

圖15 Stewart機(jī)器人（來源于《現(xiàn)代機(jī)器人學(xué)機(jī)構(gòu)、規(guī)劃與控制》）

圖16五桿機(jī)器人（來源于AtomRobot官方網(wǎng)站）

串并混聯(lián)機(jī)器人（Serial-Parallel Hybrid Robot）是一種結(jié)合了串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)的機(jī)器人。它通過將串聯(lián)機(jī)構(gòu)的大范圍運(yùn)動(dòng)能力和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的高精度和高剛性特性有機(jī)地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了在三維空間內(nèi)的高靈活性、高精度和高負(fù)載能力。這種機(jī)器人并沒有特定的結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)有的串并混聯(lián)機(jī)器人通常以并聯(lián)機(jī)構(gòu)為底座，提供穩(wěn)定精確的定位能力，以串聯(lián)機(jī)構(gòu)作為延展，提高輔助末端執(zhí)行器的可達(dá)性和避障能力。其在精密裝配、零件加工、醫(yī)療手術(shù)輔助、物料搬運(yùn)等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出卓越的性能，適用于復(fù)雜運(yùn)動(dòng)任務(wù)。

近幾年，一種能夠讓人與機(jī)器人在同一共享空間中協(xié)同作業(yè)的協(xié)作機(jī)器人出現(xiàn)在工業(yè)場景中，它們?cè)絹碓蕉嗟貪B透到制造業(yè)、醫(yī)療、物流等多個(gè)行業(yè)中，并且市場對(duì)其應(yīng)用需求持續(xù)升溫。

協(xié)作機(jī)器人（簡稱cobot或co-robot）是基于人機(jī)交互理念設(shè)計(jì)的智能設(shè)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(shí)現(xiàn)高效的協(xié)同作業(yè)。安全性作為人機(jī)協(xié)作的基石，主要通過采用輕質(zhì)材料、邊緣圓滑設(shè)計(jì)以及速度或力的限制來保障，同時(shí)借助先進(jìn)的傳感器和軟件技術(shù)，確保在共同的工作空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)安全、近距離的互動(dòng)。

當(dāng)前市面上的協(xié)作機(jī)器人大多為關(guān)節(jié)式構(gòu)造，其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)關(guān)節(jié)式機(jī)器人類似，多以四軸和六軸形式出現(xiàn)。然而，協(xié)作機(jī)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(jī)器人的 “親和力”和與人類的友好性。

圖17 六軸協(xié)作機(jī)器人(來源于UR官網(wǎng))

綜合來看，工業(yè)機(jī)器人在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)器人在靈活性、剛度和動(dòng)態(tài)性能上存在顯著差異，它們各有所長。在實(shí)際應(yīng)用場景中，這兩種機(jī)器人并非相互替代，而是相互補(bǔ)充，共同提升整體效能。串并混聯(lián)機(jī)器人則集成了串聯(lián)機(jī)器人的大工作空間和高靈活特性，以及并聯(lián)機(jī)器人的快速響應(yīng)和高剛度特性，實(shí)現(xiàn)了兩者優(yōu)勢(shì)的結(jié)合。

表1 串、并聯(lián)機(jī)器人比較

未來，工業(yè)機(jī)器人將朝著提高功率密度、實(shí)現(xiàn)輕量化、多自由度、兼容多種材料、模仿人體結(jié)構(gòu)、高負(fù)重與自重比及實(shí)現(xiàn)一體化機(jī)構(gòu)等方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)人機(jī)共融。不同工業(yè)機(jī)器人將無縫交互，適應(yīng)動(dòng)態(tài)工作場景，并成為云化機(jī)器人，核心控制單元遷移到云端，通過網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算和智能控制，使工業(yè)生產(chǎn)更適應(yīng)市場需求，實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)，推動(dòng)制造業(yè)向智能、高效發(fā)展！

參考資料

（來源工業(yè)自動(dòng)化洞察）