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)使用的術語，并為討論各種類型的機器人及其應用提供通用語言。

　　國際機器人聯(lián)合會 (IFR) 使用 ISO 8373:2021 中定義的關鍵術語，并根據(jù)機器人的機械結構確定了六種機器人分類，包括：

　　· 關節(jié)

　　· 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關鍵術語，重點介紹了可重復編程的必要性，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節(jié)和細微差別，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)境中的自動化應用”。

　　可重復編程性是關鍵的區(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，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“在設計上無需物理變更即可更改已編程的運動或輔助功能”。

　　機器人關節(jié)的類型和數(shù)量

　　ISO 8373 定義了兩種機器人關節(jié)：

　　· 棱柱關節(jié)，或滑動關節(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)關節(jié)，或旋轉(zhuǎn)關節(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)機械結構或拓撲結構確定了六種工業(yè)機器人分類。此外，不同的機器人拓撲結構有不同的軸數(shù)，因此關節(jié)數(shù)也不同。

　　軸數(shù)是工業(yè)機器人的一個關鍵特征。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撲結構的 IFR 定義，然后探討它們的功能和應用。

　　關節(jié)機器人有三個或更多回轉(zhuǎn)關節(jié)。

　　這是機器人的一個大類。關節(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系統(tǒng)。

　　圖 1：位姿重復性為 ±0.02 mm 的六軸關節(jié)機器人

　　關節(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，包括物料搬運、焊接、噴漆和檢查。關節(jié)機器人是實現(xiàn)與人類協(xié)同工作的協(xié)作機器人 (cobot) 的最常見拓撲結構。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。

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

　　改良型笛卡爾坐標機器人有兩個棱柱關節(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”，因此從技術角度來講，它們并不屬于機器人。

　　配置三個棱柱關節(jié)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，所有三個關節(jié)均成直角，其中一個關節(jié)沿 x 軸運動，與沿 y 軸運動的第二個關節(jié)相連，而第二個關節(jié)又與沿 z 軸運動的第三個關節(jié)相連。

　　雖然龍門拓撲結構經(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 軸導軌、一個橫跨兩個 x 軸的支撐 y 軸導軌，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

　　圓柱坐標機器人的操作裝置具有至少一個回轉(zhuǎn)關節(jié)和至少一個棱柱關節(jié)，其軸構成一個圓柱坐標系。

　　圓柱坐標機器人結構相對簡單且緊湊，運動范圍有限，因此易于編程。與更復雜的同類產(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回轉(zhuǎn)和棱柱關節(jié)

　　圓柱坐標機器人的移動速度通常為 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、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 軸設計最為常見。與 2 軸笛卡爾坐標機器人一樣，2 軸三角洲機器人從技術角度來說也不符合 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)

　　極坐標機器人(球坐標機器人)是一種具有兩個回轉(zhuǎn)關節(jié)和一個棱柱關節(jié)的操作裝置，其軸構成一個極坐標系。

　　其中一個回轉(zhuǎn)關節(jié)可使極坐標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)關節(jié)與第一個回轉(zhuǎn)關節(jié)成直角，可使機械臂上下擺動。最后，棱柱關節(jié)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單，但與其他拓撲結構(如關節(jié)坐標、笛卡爾坐標和 SCARA 機器人)相比，下述缺點限制了其使用：

　　· 球坐標系使編程更為復雜。

　　· 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 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)關節(jié)，總共可有四個自由度，因而能夠?qū)崿F(xiàn)更復雜的運動。

　　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：重復性為 ±0.02 mm 的四軸 SCARA 機器人

　　總結

　　所有工業(yè)機器人均符合 ISO 8373 的要求，可通過可重復編程的多用途操作裝置進行自動控制。但是，并非每種設計都具有特定拓撲結構的固定軸數(shù)。三角洲和笛卡爾坐標機器人的軸數(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)