工業(yè)機(jī)器人分類的關(guān)鍵因素是什么？有哪幾類？

數(shù)百萬臺(tái)工業(yè)機(jī)器人活躍在世界各地的工業(yè) 4.0 工廠中，用于提高生產(chǎn)率、改善質(zhì)量、降低成本，以及支持更加靈活和可持續(xù)的運(yùn)營(yíng)。鑒于工業(yè)機(jī)器人的重要性，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 制定了標(biāo)準(zhǔn) 8373:2021《機(jī)器人詞匯》，以定義機(jī)器人行業(yè)使用的術(shù)語，并為討論各種類型的機(jī)器人及其應(yīng)用提供通用語言。

國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì) (IFR) 使用 ISO 8373:2021 中定義的關(guān)鍵術(shù)語，并根據(jù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)確定了六種機(jī)器人分類，包括：

· 關(guān)節(jié)
· 笛卡爾坐標(biāo)
· 圓柱坐標(biāo)
· 并聯(lián)/三角洲
· 極坐標(biāo)
· SCARA

本文回顧了 ISO 8373:2021，探討了定義機(jī)器人的四個(gè)關(guān)鍵術(shù)語，重點(diǎn)介紹了可重復(fù)編程的必要性，以及 IFR 在確定機(jī)器人分類時(shí)使用的機(jī)器人關(guān)節(jié)的類型和數(shù)量。然后，本文深入探討了各種機(jī)器人分類的細(xì)節(jié)和細(xì)微差別，并介紹了若干家制造商的典型機(jī)器人。在此過程中，本文還介紹了并不符合所有 ISO 要求但被稱為機(jī)器人的系統(tǒng)。

ISO 8373:2021 將工業(yè)機(jī)器人定義為一種“自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、多用途的操作裝置，可對(duì)三個(gè)或三個(gè)以上軸進(jìn)行編程，既可固定在原地，又可固定在移動(dòng)平臺(tái)上，用于工業(yè)環(huán)境中的自動(dòng)化應(yīng)用”。

可重復(fù)編程性是關(guān)鍵的區(qū)分因素。有些工業(yè)機(jī)器可能有操作裝置，并且可進(jìn)行多軸移動(dòng)，能夠處理特定任務(wù)，如在飲料灌裝線上拾取瓶子并將其放入箱子中。但是，如果機(jī)器只能用于單一目的，不能重復(fù)編程，那它就不是機(jī)器人。ISO 8373 對(duì)“可重復(fù)編程”的定義是“在設(shè)計(jì)上無需物理變更即可更改已編程的運(yùn)動(dòng)或輔助功能”。

機(jī)器人關(guān)節(jié)的類型和數(shù)量

ISO 8373 定義了兩種機(jī)器人關(guān)節(jié)：

· 棱柱關(guān)節(jié)，或滑動(dòng)關(guān)節(jié)，這是兩個(gè)桿件之間的組件，可使其中一個(gè)桿件相對(duì)于另一個(gè)桿件做直線運(yùn)動(dòng)。
· 回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，或旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這是連接兩個(gè)桿件的組件，可使其中一個(gè)桿件相對(duì)于另一個(gè)桿件繞固定軸旋轉(zhuǎn)。
IFR 使用這些定義和其他 ISO 8373 定義，并根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定了六種工業(yè)機(jī)器人分類。此外，不同的機(jī)器人拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有不同的軸數(shù)，因此關(guān)節(jié)數(shù)也不同。

軸數(shù)是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)關(guān)鍵特征。軸數(shù)和軸類型決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍。每個(gè)軸代表一個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)或自由度。自由度越多，機(jī)器人就越能在更大、更復(fù)雜的空間中移動(dòng)。有些機(jī)器人類型有固定的自由度數(shù)，而有些則可以有不同的自由度數(shù)。

末端執(zhí)行器，在 ISO 8373 中也稱為末端工具 (EOAT) 或“多用途操作裝置”，是大部分機(jī)器人的另一個(gè)重要組成部分。末端執(zhí)行器種類繁多，包括夾持器、專用加工工具（如螺絲刀、噴漆槍或焊槍）以及傳感器（包括攝像頭）。它們可以是氣動(dòng)、電動(dòng)或液壓的。一些末端執(zhí)行器可以旋轉(zhuǎn)，這為機(jī)器人提供了另一個(gè)自由度。

下文首先介紹每種機(jī)器人拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 IFR 定義，然后探討它們的功能和應(yīng)用。

關(guān)節(jié)機(jī)器人有三個(gè)或更多回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。

這是機(jī)器人的一個(gè)大類。關(guān)節(jié)機(jī)器人可以有十個(gè)或更多軸，最常見的是六個(gè)軸。六軸機(jī)器人可在 x、y 和 z 平面移動(dòng)并進(jìn)行俯仰、偏航和翻滾旋轉(zhuǎn)，這使其能夠模仿人類手臂的運(yùn)動(dòng)。

它們的有效載荷能力范圍也很廣，從不足 1 kg 到超過 200 kg 不等。這些機(jī)器人的可及范圍也有很大差異，從不足 1 米到數(shù)米不等。例如，KUKA 的 KR 10 R1100-2 是一款六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人，其最大可及范圍為 1,101 mm，最大有效載荷為 10.9 kg，位姿重復(fù)性為 ±0.02 mm（圖 1）。這款機(jī)器人還具有高速移動(dòng)、短循環(huán)時(shí)間的特點(diǎn)，并有集成的能源供應(yīng)系統(tǒng)。

圖 1：位姿重復(fù)性為 ±0.02 mm 的六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人

關(guān)節(jié)機(jī)器人可以永久地安裝在地面、墻壁或天花板上，還可以安裝在地面或空中的軌道上、自主移動(dòng)機(jī)器人或其他可移動(dòng)平臺(tái)的頂部，并且可以在工作站之間移動(dòng)。

它們可用于執(zhí)行各種任務(wù)，包括物料搬運(yùn)、焊接、噴漆和檢查。關(guān)節(jié)機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)與人類協(xié)同工作的協(xié)作機(jī)器人 (cobot) 的最常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)機(jī)器人是在有安全屏障的安全籠里工作，而協(xié)作機(jī)器人則是專為與人密切交互而設(shè)計(jì)。例如，Schneider Electric 的 LXMRL12S0000 協(xié)作機(jī)器人的最大可及范圍為 1,327 mm，最大有效載荷為 12 kg，位姿重復(fù)性為 ±0.03 mm。為了提高安全性，協(xié)作機(jī)器人通常具有防撞、圓角邊緣、力限制和重量輕的特點(diǎn)。

笛卡爾坐標(biāo)機(jī)器人（有時(shí)也稱為直角坐標(biāo)機(jī)器人、線性機(jī)器人或龍門機(jī)器人）的操作裝置有三個(gè)棱柱關(guān)節(jié)，其軸構(gòu)成一個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系。

改良型笛卡爾坐標(biāo)機(jī)器人有兩個(gè)棱柱關(guān)節(jié)。盡管如此，它們?nèi)圆环?ISO 8373 的要求，即必須“可對(duì)三個(gè)或三個(gè)以上軸進(jìn)行編程”，因此從技術(shù)角度來講，它們并不屬于機(jī)器人。

配置三個(gè)棱柱關(guān)節(jié)的方法不止一種，因此配置笛卡爾坐標(biāo)機(jī)器人的方法也不止一種。在基礎(chǔ)的笛卡爾拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，所有三個(gè)關(guān)節(jié)均成直角，其中一個(gè)關(guān)節(jié)沿 x 軸運(yùn)動(dòng)，與沿 y 軸運(yùn)動(dòng)的第二個(gè)關(guān)節(jié)相連，而第二個(gè)關(guān)節(jié)又與沿 z 軸運(yùn)動(dòng)的第三個(gè)關(guān)節(jié)相連。

雖然龍門拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)常被用作笛卡爾坐標(biāo)機(jī)器人的同義詞，但兩者并不完全相同。與基礎(chǔ)的笛卡爾坐標(biāo)機(jī)器人一樣，龍門機(jī)器人支持三維空間中的線性運(yùn)動(dòng)。但是，龍門機(jī)器人配置有兩個(gè)機(jī)座 x 軸導(dǎo)軌、一個(gè)橫跨兩個(gè) x 軸的支撐 y 軸導(dǎo)軌，以及一個(gè)與 y 軸相連的懸臂式 z 軸。例如，Igus 的 DLE-RG-0012-AC-800-800-500 是一款龍門機(jī)器人，工作區(qū)域?yàn)?800 mm x 800 mm x 500 mm，最多可承載 5 kg，移動(dòng)速度可達(dá) 1.0 m/s，重復(fù)性為 ±0.5 mm（圖 2）。

圖 2：工作空間為 800 mm x 800 mm x 500 mm 的龍門機(jī)器人

圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的操作裝置具有至少一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和至少一個(gè)棱柱關(guān)節(jié)，其軸構(gòu)成一個(gè)圓柱坐標(biāo)系。

圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單且緊湊，運(yùn)動(dòng)范圍有限，因此易于編程。與更復(fù)雜的同類產(chǎn)品相比，它們并不常見。不過，它們特別適用于磨削加工、碼垛、焊接（尤其是點(diǎn)焊）和物料搬運(yùn)等應(yīng)用，例如在集成電路制造操作中將半導(dǎo)體晶圓裝入晶圓匣中或從其中卸載（圖 3）。

圖 3：此圓柱坐標(biāo)機(jī)器人有一個(gè)回轉(zhuǎn)和棱柱關(guān)節(jié)

圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的移動(dòng)速度通常為 1 至 10 m/s，可設(shè)計(jì)用于搬運(yùn)重物。這種機(jī)器人可應(yīng)用于汽車、制藥、食品飲料、航空航天、電子和其他行業(yè)。

并聯(lián)/三角洲機(jī)器人是一種機(jī)械臂上的桿件構(gòu)成閉環(huán)結(jié)構(gòu)的操作裝置。

其他機(jī)器人（如圓柱或笛卡爾拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）以其運(yùn)動(dòng)方式而命名，而三角洲機(jī)器人則是以其倒三角形狀而命名。三角洲機(jī)器人有 2 至 6 個(gè)軸，其中 2 軸和 3 軸設(shè)計(jì)最為常見。與 2 軸笛卡爾坐標(biāo)機(jī)器人一樣，2 軸三角洲機(jī)器人從技術(shù)角度來說也不符合 ISO 8373 的要求，不能稱為機(jī)器人。

三角洲機(jī)器人的設(shè)計(jì)追求的是速度，而非力量。它們安裝在工作區(qū)域上方，可執(zhí)行取放、分類、拆卸和包裝等功能。通常位于輸送機(jī)上方，用于在生產(chǎn)線上移動(dòng)部件。夾持器與細(xì)長(zhǎng)的機(jī)械連桿相連。這些連桿連接至機(jī)器人機(jī)座上的三四個(gè)大型電機(jī)。連桿的另一端連接至安裝 EOAT 的工裝板上。

Igus 的 RBTX-IGUS-0047 是 3 軸三角洲機(jī)器人的一個(gè)示例。它的工作空間直徑為 660 mm，最大負(fù)載為 5 kg。搬運(yùn) 0.5 kg 貨物時(shí)，它每分鐘可執(zhí)行 30 次拾取操作，最大速度為 0.7 m/s，加速度為 2 m/s2。其重復(fù)性為 ±0.5 mm（圖 4）。

圖 4：三軸三角洲機(jī)器人和控制器（左）

極坐標(biāo)機(jī)器人（球坐標(biāo)機(jī)器人）是一種具有兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)棱柱關(guān)節(jié)的操作裝置，其軸構(gòu)成一個(gè)極坐標(biāo)系。

其中一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可使極坐標(biāo)機(jī)器人圍繞從機(jī)座向上延伸的垂直軸旋轉(zhuǎn)。第二個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)成直角，可使機(jī)械臂上下擺動(dòng)。最后，棱柱關(guān)節(jié)可使機(jī)械臂從垂直軸伸出或縮回。

極坐標(biāo)機(jī)器人雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但與其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如關(guān)節(jié)坐標(biāo)、笛卡爾坐標(biāo)和 SCARA 機(jī)器人）相比，下述缺點(diǎn)限制了其使用：

· 球坐標(biāo)系使編程更為復(fù)雜。
· 與其他類型的機(jī)器人相比，其有效載荷能力通常更為有限。
· 它們比其他機(jī)器人慢。

極坐標(biāo)機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)是工作空間大、精度高。它們可用于機(jī)床操作、裝配作業(yè)、汽車裝配線的物料搬運(yùn)，以及氣焊和電弧焊。

SCARA 機(jī)器人的名稱取自“Selectively Compliant Arm for Robotic Assemblies（用于機(jī)器人組件的選擇性柔順機(jī)械臂）”的首字母，是一種具有兩個(gè)平行回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、能夠在所選擇的平面內(nèi)提供柔順性的操作裝置。

基礎(chǔ) SCARA 機(jī)器人有三個(gè)自由度，第三個(gè)自由度來自旋轉(zhuǎn)末端執(zhí)行器。SCARA 機(jī)器人還可額外增加一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，總共可有四個(gè)自由度，因而能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。

SCARA 機(jī)器人通常用于需要高速度和高精度的取放或裝配應(yīng)用。例如，Dobot 的 M1-PRO 是一款 4 軸 SCARA 機(jī)器人，其最大工作半徑為 400 mm，最大有效載荷為 1.5 kg，重復(fù)性為 ±0.02 mm。具有無傳感器碰撞檢測(cè)和拖動(dòng)示教編程功能，因此既可用作協(xié)作機(jī)器人，又可用作獨(dú)立機(jī)器人（圖 5）。

圖 5：重復(fù)性為 ±0.02 mm 的四軸 SCARA 機(jī)器人

總結(jié)

所有工業(yè)機(jī)器人均符合 ISO 8373 的要求，可通過可重復(fù)編程的多用途操作裝置進(jìn)行自動(dòng)控制。但是，并非每種設(shè)計(jì)都具有特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的固定軸數(shù)。三角洲和笛卡爾坐標(biāo)機(jī)器人的軸數(shù)少于規(guī)定的軸數(shù)，而有些 SCARA 機(jī)器人的軸數(shù)則多于 IFR 規(guī)定的軸數(shù)。

圖 6：CRT-DMC600M運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)