數(shù)百萬臺工業(yè)機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)的運營。鑒于工業(yè)機器人的重要性，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 制定了標(biāo)準(zhǔn) 8373:2021《機器人詞匯》，以定義機器人行業(yè)使用的術(shù)語，并為討論各種類型的機器人及其應(yīng)用提供通用語言。

國際機器人聯(lián)合會 (IFR) 使用 ISO 8373:2021 中定義的關(guān)鍵術(shù)語，并根據(jù)機器人的機械結(jié)構(gòu)確定了六種機器人分類，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，探討了定義機器人的四個關(guān)鍵術(shù)語，重點介紹了可重復(fù)編程的必要性，以及 IFR 在確定機器人分類時使用的機器人關(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 要求但被稱為機器人的系統(tǒng)。

ISO 8373:2021 將工業(yè)機器人定義為一種“自動控制、可重復(fù)編程、多用途的操作裝置，可對三個或三個以上軸進行編程，既可固定在原地，又可固定在移動平臺上，用于工業(yè)環(huán)境中的自動化應(yīng)用”。

可重復(fù)編程性是關(guān)鍵的區(qū)分因素。有些工業(yè)機器可能有操作裝置，并且可進行多軸移動，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，如果機器只能用于單一目的，不能重復(fù)編程，那它就不是機器人。ISO 8373 對“可重復(fù)編程”的定義是“在設(shè)計上無需物理變更即可更改已編程的運動或輔助功能”。

機器人關(guān)節(jié)的類型和數(shù)量

ISO 8373 定義了兩種機器人關(guān)節(jié)：

· 棱柱關(guān)節(jié)，或滑動關(guān)節(jié)，這是兩個桿件之間的組件，可使其中一個桿件相對于另一個桿件做直線運動。
· 回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，或旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這是連接兩個桿件的組件，可使其中一個桿件相對于另一個桿件繞固定軸旋轉(zhuǎn)。
IFR 使用這些定義和其他 ISO 8373 定義，并根據(jù)機械結(jié)構(gòu)或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)確定了六種工業(yè)機器人分類。此外，不同的機器人拓?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)機器人的一個關(guān)鍵特征。軸數(shù)和軸類型決定了機器人的運動范圍。每個軸代表一個獨立運動或自由度。自由度越多，機器人就越能在更大、更復(fù)雜的空間中移動。有些機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”，是大部分機器人的另一個重要組成部分。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、電動或液壓的。一些末端執(zhí)行器可以旋轉(zhuǎn)，這為機器人提供了另一個自由度。

下文首先介紹每種機器人拓?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)機器人有三個或更多回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。

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

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）。這款機器人還具有高速移動、短循環(huán)時間的特點，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)機器人

關(guān)節(jié)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、自主移動機器人或其他可移動平臺的頂部，并且可以在工作站之間移動。

它們可用于執(zhí)行各種任務(wù)，包括物料搬運、焊接、噴漆和檢查。關(guān)節(jié)機器人是實現(xiàn)與人類協(xié)同工作的協(xié)作機器人 (cobot) 的最常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)機器人是在有安全屏障的安全籠里工作，而協(xié)作機器人則是專為與人密切交互而設(shè)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(fù)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。

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

改良型笛卡爾坐標(biāo)機器人有兩個棱柱關(guān)節(jié)。盡管如此，它們?nèi)圆环?ISO 8373 的要求，即必須“可對三個或三個以上軸進行編程”，因此從技術(shù)角度來講，它們并不屬于機器人。

配置三個棱柱關(guān)節(jié)的方法不止一種，因此配置笛卡爾坐標(biāo)機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，所有三個關(guān)節(jié)均成直角，其中一個關(guān)節(jié)沿 x 軸運動，與沿 y 軸運動的第二個關(guān)節(jié)相連，而第二個關(guān)節(jié)又與沿 z 軸運動的第三個關(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)機器人一樣，龍門機器人支持三維空間中的線性運動。但是，龍門機器人配置有兩個機座 x 軸導(dǎo)軌、一個橫跨兩個 x 軸的支撐 y 軸導(dǎo)軌，以及一個與 y 軸相連的懸臂式 z 軸。例如，Igus 的 DLE-RG-0012-AC-800-800-500 是一款龍門機器人，工作區(qū)域為 800 mm x 800 mm x 500 mm，最多可承載 5 kg，移動速度可達 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 的龍門機器人

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

圓柱坐標(biāo)機器人結(jié)構(gòu)相對簡單且緊湊，運動范圍有限，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（尤其是點焊）和物料搬運等應(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)機器人有一個回轉(zhuǎn)和棱柱關(guān)節(jié)

圓柱坐標(biāo)機器人的移動速度通常為 1 至 10 m/s，可設(shè)計用于搬運重物。這種機器人可應(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)/三角洲機器人是一種機械臂上的桿件構(gòu)成閉環(huán)結(jié)構(gòu)的操作裝置。

其他機器人（如圓柱或笛卡爾拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）以其運動方式而命名，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 個軸，其中 2 軸和 3 軸設(shè)計最為常見。與 2 軸笛卡爾坐標(biāo)機器人一樣，2 軸三角洲機器人從技術(shù)角度來說也不符合 ISO 8373 的要求，不能稱為機器人。

三角洲機器人的設(shè)計追求的是速度，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。通常位于輸送機上方，用于在生產(chǎn)線上移動部件。夾持器與細(xì)長的機械連桿相連。這些連桿連接至機器人機座上的三四個大型電機。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示例。它的工作空間直徑為 660 mm，最大負(fù)載為 5 kg。搬運 0.5 kg 貨物時，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 4：三軸三角洲機器人和控制器（左）

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

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

極坐標(biāo)機器人雖然結(jié)構(gòu)簡單，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 機器人）相比，下述缺點限制了其使用：

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

SCARA 機器人的名稱取自“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 機器人有三個自由度，第三個自由度來自旋轉(zhuǎn)末端執(zhí)行器。SCARA 機器人還可額外增加一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，總共可有四個自由度，因而能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的運動。

SCARA 機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和拖動示教編程功能，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(fù)性為 ±0.02 mm 的四軸 SCARA 機器人

總結(jié)

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

圖 6：CRT-DMC600M運動控制系統(tǒng)