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來(lái)源：DigiKey 作者：Jeff Shepard 數百萬(wàn)臺工業(yè)機器人活躍在世界各地的工業(yè) 4.0 工廠(chǎng)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的運營(yíng)。鑒于工業(yè)機器人的重要性，國際標準化組織 (ISO) 制定了標準 8373:2021《機器人詞匯》，以定義機器人行業(yè)使用的術(shù)語(yǔ)，并為討論各種類(lèi)型的機器人及其應用提供通用語(yǔ)言。 國際機器人聯(lián)合會(huì ) (IFR) 使用 ISO 8373:2021 中定義的關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)，并根據機器人的機械結構確定了六種機器人分類(lèi)，包括： · 關(guān)節 · 笛卡爾坐標 · 圓柱坐標 · 并聯(lián)/三角洲 · 極坐標 · SCARA 本文回顧了 ISO 8373:2021，探討了定義機器人的四個(gè)關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)，重點(diǎn)介紹了可重復編程的必要性，以及 IFR 在確定機器人分類(lèi)時(shí)使用的機器人關(guān)節的類(lèi)型和數量。然后，本文深入探討了各種機器人分類(lèi)的細節和細微差別，并介紹了若干家制造商的典型機器人。在此過(guò)程中，本文還介紹了并不符合所有 ISO 要求但被稱(chēng)為機器人的系統。 ISO 8373:2021 將工業(yè)機器人定義為一種“自動(dòng)控制、可重復編程、多用途的操作裝置，可對三個(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)平臺上，用于工業(yè)環(huán)境中的自動(dòng)化應用”。 可重復編程性是關(guān)鍵的區分因素。有些工業(yè)機器可能有操作裝置，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(xiàn)上拾取瓶子并將其放入箱子中。但是，如果機器只能用于單一目的，不能重復編程，那它就不是機器人。ISO 8373 對“可重復編程”的定義是“在設計上無(wú)需物理變更即可更改已編程的運動(dòng)或輔助功能”。 機器人關(guān)節的類(lèi)型和數量 ISO 8373 定義了兩種機器人關(guān)節： · 棱柱關(guān)節，或滑動(dòng)關(guān)節，這是兩個(gè)桿件之間的組件，可使其中一個(gè)桿件相對于另一個(gè)桿件做直線(xiàn)運動(dòng)。 · 回轉關(guān)節，或旋轉關(guān)節，這是連接兩個(gè)桿件的組件，可使其中一個(gè)桿件相對于另一個(gè)桿件繞固定軸旋轉。 IFR 使用這些定義和其他 ISO 8373 定義，并根據機械結構或拓撲結構確定了六種工業(yè)機器人分類(lèi)。此外，不同的機器人拓撲結構有不同的軸數，因此關(guān)節數也不同。 軸數是工業(yè)機器人的一個(gè)關(guān)鍵特征。軸數和軸類(lèi)型決定了機器人的運動(dòng)范圍。每個(gè)軸代表一個(gè)獨立運動(dòng)或自由度。自由度越多，機器人就越能在更大、更復雜的空間中移動(dòng)。有些機器人類(lèi)型有固定的自由度數，而有些則可以有不同的自由度數。 末端執行器，在 ISO 8373 中也稱(chēng)為末端工具 (EOAT) 或“多用途操作裝置”，是大部分機器人的另一個(gè)重要組成部分。末端執行器種類(lèi)繁多，包括夾持器、專(zhuān)用加工工具（如螺絲刀、噴漆槍或焊槍?zhuān)┮约?a href="http://selenalain.com/keyword/傳感器" target="_blank" class="relatedlink">傳感器（包括攝像頭）。它們可以是氣動(dòng)、電動(dòng)或液壓的。一些末端執行器可以旋轉，這為機器人提供了另一個(gè)自由度。 下文首先介紹每種機器人拓撲結構的 IFR 定義，然后探討它們的功能和應用。 關(guān)節機器人有三個(gè)或更多回轉關(guān)節。 這是機器人的一個(gè)大類(lèi)。關(guān)節機器人可以有十個(gè)或更多軸，最常見(jiàn)的是六個(gè)軸。六軸機器人可在 x、y 和 z 平面移動(dòng)并進(jìn)行俯仰、偏航和翻滾旋轉，這使其能夠模仿人類(lèi)手臂的運動(dòng)。 它們的有效載荷能力范圍也很廣，從不足 1 kg 到超過(guò) 200 kg 不等。這些機器人的可及范圍也有很大差異，從不足 1 米到數米不等。例如，KUKA 的 KR 10 R1100-2 是一款六軸關(guān)節機器人，其最大可及范圍為 1,101 mm，最大有效載荷為 10.9 kg，位姿重復性為 ±0.02 mm（圖 1）。這款機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系統。 
圖 1：位姿重復性為 ±0.02 mm 的六軸關(guān)節機器人（圖片來(lái)源：DigiKey） 關(guān)節機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)機器人或其他可移動(dòng)平臺的頂部，并且可以在工作站之間移動(dòng)。 它們可用于執行各種任務(wù)，包括物料搬運、焊接、噴漆和檢查。關(guān)節機器人是實(shí)現與人類(lèi)協(xié)同工作的協(xié)作機器人 (cobot) 的最常見(jiàn)拓撲結構。傳統機器人是在有安全屏障的安全籠里工作，而協(xié)作機器人則是專(zhuān)為與人密切交互而設計。例如，Schneider Electric 的 LXMRL12S0000 協(xié)作機器人的最大可及范圍為 1,327 mm，最大有效載荷為 12 kg，位姿重復性為 ±0.03 mm。為了提高安全性，協(xié)作機器人通常具有防撞、圓角邊緣、力限制和重量輕的特點(diǎn)。 笛卡爾坐標機器人（有時(shí)也稱(chēng)為直角坐標機器人、線(xiàn)性機器人或龍門(mén)機器人）的操作裝置有三個(gè)棱柱關(guān)節，其軸構成一個(gè)笛卡爾坐標系。 改良型笛卡爾坐標機器人有兩個(gè)棱柱關(guān)節。盡管如此，它們仍不符合 ISO 8373 的要求，即必須“可對三個(gè)或三個(gè)以上軸進(jìn)行編程”，因此從技術(shù)角度來(lái)講，它們并不屬于機器人。 配置三個(gè)棱柱關(guān)節的方法不止一種，因此配置笛卡爾坐標機器人的方法也不止一種。在基礎的笛卡爾拓撲結構中，所有三個(gè)關(guān)節均成直角，其中一個(gè)關(guān)節沿 x 軸運動(dòng)，與沿 y 軸運動(dòng)的第二個(gè)關(guān)節相連，而第二個(gè)關(guān)節又與沿 z 軸運動(dòng)的第三個(gè)關(guān)節相連。 雖然龍門(mén)拓撲結構經(jīng)常被用作笛卡爾坐標機器人的同義詞，但兩者并不完全相同。與基礎的笛卡爾坐標機器人一樣，龍門(mén)機器人支持三維空間中的線(xiàn)性運動(dòng)。但是，龍門(mén)機器人配置有兩個(gè)機座 x 軸導軌、一個(gè)橫跨兩個(gè) x 軸的支撐 y 軸導軌，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(mén)機器人，工作區域為 800 mm x 800 mm x 500 mm，最多可承載 5 kg，移動(dòng)速度可達 1.0 m/s，重復性為 ±0.5 mm（圖 2）。
圖 2：工作空間為 800 mm x 800 mm x 500 mm 的龍門(mén)機器人。（圖片來(lái)源：Igus） 圓柱坐標機器人的操作裝置具有至少一個(gè)回轉關(guān)節和至少一個(gè)棱柱關(guān)節，其軸構成一個(gè)圓柱坐標系。 圓柱坐標機器人結構相對簡(jiǎn)單且緊湊，運動(dòng)范圍有限，因此易于編程。與更復雜的同類(lèi)產(chǎn)品相比，它們并不常見(jiàn)。不過(guò)，它們特別適用于磨削加工、碼垛、焊接（尤其是點(diǎn)焊）和物料搬運等應用，例如在集成電路制造操作中將半導體晶圓裝入晶圓匣中或從其中卸載（圖 3）。
圖 3：此圓柱坐標機器人有一個(gè)回轉和棱柱關(guān)節。（圖片來(lái)源：自動(dòng)化推進(jìn)協(xié)會(huì )） 圓柱坐標機器人的移動(dòng)速度通常為 1 至 10 m/s，可設計用于搬運重物。這種機器人可應用于汽車(chē)、制藥、食品飲料、航空航天、電子和其他行業(yè)。 并聯(lián)/三角洲機器人是一種機械臂上的桿件構成閉環(huán)結構的操作裝置。 其他機器人（如圓柱或笛卡爾拓撲結構）以其運動(dòng)方式而命名，而三角洲機器人則是以其倒三角形狀而命名。三角洲機器人有 2 至 6 個(gè)軸，其中 2 軸和 3 軸設計最為常見(jiàn)。與 2 軸笛卡爾坐標機器人一樣，2 軸三角洲機器人從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)也不符合 ISO 8373 的要求，不能稱(chēng)為機器人。 三角洲機器人的設計追求的是速度，而非力量。它們安裝在工作區域上方，可執行取放、分類(lèi)、拆卸和包裝等功能。通常位于輸送機上方，用于在生產(chǎn)線(xiàn)上移動(dòng)部件。夾持器與細長(cháng)的機械連桿相連。這些連桿連接至機器人機座上的三四個(gè)大型電機。連桿的另一端連接至安裝 EOAT 的工裝板上。 Igus 的 RBTX-IGUS-0047 是 3 軸三角洲機器人的一個(gè)示例。它的工作空間直徑為 660 mm，最大負載為 5 kg。搬運 0.5 kg 貨物時(shí)，它每分鐘可執行 30 次拾取操作，最大速度為 0.7 m/s，加速度為 2 m/s2。其重復性為 ±0.5 mm（圖 4）。
圖 4：三軸三角洲機器人和控制器（左）（圖片來(lái)源：DigiKey） 極坐標機器人（球坐標機器人）是一種具有兩個(gè)回轉關(guān)節和一個(gè)棱柱關(guān)節的操作裝置，其軸構成一個(gè)極坐標系。 其中一個(gè)回轉關(guān)節可使極坐標機器人圍繞從機座向上延伸的垂直軸旋轉。第二個(gè)回轉關(guān)節與第一個(gè)回轉關(guān)節成直角，可使機械臂上下擺動(dòng)。最后，棱柱關(guān)節可使機械臂從垂直軸伸出或縮回。 極坐標機器人雖然結構簡(jiǎn)單，但與其他拓撲結構（如關(guān)節坐標、笛卡爾坐標和 SCARA 機器人）相比，下述缺點(diǎn)限制了其使用： · 球坐標系使編程更為復雜。 · 與其他類(lèi)型的機器人相比，其有效載荷能力通常更為有限。 · 它們比其他機器人慢。 極坐標機器人的主要優(yōu)點(diǎn)是工作空間大、精度高。它們可用于機床操作、裝配作業(yè)、汽車(chē)裝配線(xiàn)的物料搬運，以及氣焊和電弧焊。 SCARA 機器人的名稱(chēng)取自“Selectively Compliant Arm for Robotic Assemblies（用于機器人組件的選擇性柔順機械臂）”的首字母，是一種具有兩個(gè)平行回轉關(guān)節、能夠在所選擇的平面內提供柔順性的操作裝置。 基礎 SCARA 機器人有三個(gè)自由度，第三個(gè)自由度來(lái)自旋轉末端執行器。SCARA 機器人還可額外增加一個(gè)回轉關(guān)節，總共可有四個(gè)自由度，因而能夠實(shí)現更復雜的運動(dòng)。 SCARA 機器人通常用于需要高速度和高精度的取放或裝配應用。例如，Dobot 的 M1-PRO 是一款 4 軸 SCARA 機器人，其最大工作半徑為 400 mm，最大有效載荷為 1.5 kg，重復性為 ±0.02 mm。具有無(wú)傳感器碰撞檢測和拖動(dòng)示教編程功能，因此既可用作協(xié)作機器人，又可用作獨立機器人（圖 5）。
圖 5：重復性為 ±0.02 mm 的四軸 SCARA 機器人（圖片來(lái)源：DigiKey） 總結 所有工業(yè)機器人均符合 ISO 8373 的要求，可通過(guò)可重復編程的多用途操作裝置進(jìn)行自動(dòng)控制。但是，并非每種設計都具有特定拓撲結構的固定軸數。三角洲和笛卡爾坐標機器人的軸數少于規定的軸數，而有些 SCARA 機器人的軸數則多于 IFR 規定的軸數。 |
