《制造业中的机器人、自动化和系统集成》—— 第2章 工业机器人 2.1 机器人的结构

    本节书摘来自华章出版社《制造业中的机器人、自动化和系统集成》一书中的第2章，第2.1节，作者［英］ 麦克·威尔逊（Mike Wilson），更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

第2章

    工业机器人

摘要

    从工业机器人的定义开始，本章更详细地讲述工业机器人，介绍不同的构型，包括关节臂型、SCARA型、直角坐标型、并联型（或三角型），讨论每一种构型的典型应用和市场份额。在选择机器人时，需要考虑机器人性能等关键问题，包括工作空间和重复性。本章回顾机器人数据表的主要内容，讨论机器人给系统集成商和终端用户带来的好处，还介绍了使用机器人为制造业带来的10个主要好处。

关键词：

    机器人构型，关节臂型，SCARA型，直角坐标型，并联型，三角型，工作空间，重复性
按照ISO 8373（IFR，2013），工业机器人定义如下：
机器人具备自动控制及可再编程、多用途功能，机器人操作机具有3个或3个以上的可编程轴，在工业自动化应用中，机器人的底座可固定也可移动。
对于这个定义，具体的阐述如下：
    ●可再编程——在物理结构不变的情况下，可改变运动和辅助功能。
    ●多用途——通过物理结构的改变能够适应不同的应用环境。
    ●轴——机器人结构的一个独立的运动要素，可以是旋转运动或直线移动。
    除了这些通用工业机器人外，还有许多专用工业机器人不在这个定义范围内。例如，用于机床上下料和印刷电路板组装的机器人不满足这个定义，因为这些机器人是专用的，用来完成特定的工作，不是多用途的。
    正如第1章所提到的，第一台工业机器人于1961年应用于通用汽车。从那时起，机器人技术得到了飞速发展，现在所用的机器人与最早的机器人相比较，在性能、功能和成本上都有了很大的不同。各种结构型式都被设计出来，以便满足各种应用需求。
    这些不同的构型来自机器人设计师的奇思妙想，并结合了技术进步，使得机械设计有了新的方法。最值得一提的是，电机驱动替代了液压驱动，以及随着电机驱动性能的提高，提供了更大的负载能力，具备更高的速度和精度。
    在最初的工业机器人上，液压是主要的动力来源。液压能够提供较大的负载能力，早期用于汽车工业的点焊应用。然而，它的响应慢并且重复性和轨迹跟随能力受到限制。最开始安装的那些机器人，在生产开始前就需要预热，以便确保机器人能够达到汽车车身的焊接一致性。
    气动也是一种低成本的动力来源。然而，由于缺少精确控制，它不能达到较高的重复性。液压也用于早期的喷涂机器人，因为当时电机驱动还不能用于带有爆炸性环境的喷涂车间。喷涂的本质是用一个带有12英寸宽扇面的喷枪，离工件表面大约12英寸，并不要求重复性和其他应用控制。因此，实践证明液压驱动是成功的机器人应用。
    各种不同形式的电机驱动已经广泛使用。最初，直流伺服电机最普遍。直流伺服电机的负载能力有限，由于焊枪的重量较大，所以最开始在点焊行业应用局限性较大。步进电机用于高精度、低负载的环境中。交流伺服电机商业化批量生产之后，替代了其他驱动方式，成为主流。其性能持续改进，控制更加容易，具有更高的重复性和精度，以及更大的负载能力。交流伺服电机现在应用于几乎所有的机器人设计中。

2.1 机器人的结构

    工业机器人通常是某种由各种不同构型构成的铰接结构形式。业界把最常见的工业机器人分为：
    ●关节臂型
    ●SCARA型
    ●直角坐标型
    ●并联型（或三角型）
    ●圆柱坐标型
    其结构和好处将在下面具体介绍。这些结构是通过一定数量的旋转和直线运动或关节连接而成的。每个关节所提供的运动的共同作用使机器人的结构或手臂可以处于一个特定的位置。工具一般安装在机器人的末端，为了实现工具定位和空间任意定向功能，需要6个关节，或者6个自由度，即通常所说的6根轴。
    工作空间是机器人运动所能操作的范围。典型的工作空间如图2-1所示，工作空间是第5轴中心可达到的范围。因此，在工作空间的任意位置，机器人把工具定位在任意角度。工作空间由机器人手臂的结构、手臂每一部分的长度、每个关节的运动类型和运动范围等因素决定。工作空间通常为侧视图，展示了由轴2～6组成的工作空间的横断面。俯视图说明了当轴1（基轴）运动时横断面是如何变化的。值得注意的是，在机器人上安装不同的工具，也会对实际可达工作空间产生影响。

    第一台机器人Unimate是极坐标型机器。这种设计特别适用于液压驱动的机器人。该机器人（如图2-2所示）提供5个运动的轴。移动5个关节来定位机器人所夹持的工具到达一个确定的位置，包括底座旋转、肩部旋转、手臂的前进和后退以及两个腕部旋转关节。仅有5个轴的运动限制了机器人的定向能力。但在早期，控制技术还不能控制6轴机器。

2.1.1关节臂型

    最常见的构型是关节臂型或铰接型（如图2-3所示）。该结构类似于人的手臂，非常灵活。通常为6轴机器人，也有7轴机器人，提供了冗余的自由度，因此可以到达一般机器人难以到达的位置。这种结构包含6个旋转关节，每个关节安装在前一个关节的输出端。这类机器人具有到达工作空间内某一点的能力，通常能够以多个位形到达该点或者把工具以不同的姿态定位在某一位置。

    关节臂型机器人的关节运动较为复杂，因此想从直观上发现关节运动规律比较困难。臂的结构决定了每一个关节需要承受后面所有关节的重量，也就是说，关节3承受关节4、5、6的重量。这将影响机器人的负载能力，即所能提起的重量，以及重复性和精度（见2.2节）。该结构刚度不大，总的重复性由所有轴的重复性累积而成。然而，交流伺服电机性能的提升和机械性能的改进为大多数应用提供了很好的性能。
    如上所述，关节臂型机器人是最常见的工业机器人结构，大约占全球范围内安装量的60%，在美国和欧洲的比例更高（IFR，2013）。这种类型的机器人应用在许多工业领域中，包括焊接和喷涂，还有一些搬运操作，包括机床上下料、金属铸造和常见的材料搬运。典型的机器人作业半径为0.5～3.5m，负载能力为3～1000kg。
    也有许多4轴关节臂型机器人，主要用于特殊的用途，如码垛、包装和拣选等。这些地方不需要调整工具的姿态，因此腕部的两个轴是不需要的。与同等的6轴机器人相比，这种类型的机器人能够实现更高的速度，具有更大的负载。
    双臂机器人也得到了发展，两个关节臂安装在同一个结构上。在装配任务中，需要两只手一起工作将各部分装配在一起。这两个手臂能够协同工作，因此可以模仿人来完成装配任务。

2.1.2SCARA型

    SCARA构型（如图2-4所示）与关节臂型机器人有不同的特征。该构型起源于装配应用，因而得名选择顺应性装配机器手臂（Selective Compliance Assembly Robot Arm,SCARA）。这种4轴机械臂包括底座旋转、在同一垂直面的两个转动和一个垂直方向的直线移动。由于该构型的特点，所以机械臂在垂直方向的刚度很大，而在水平方向具有一定的顺应性。它不仅能够实现加速度很大的高速度运动，并且能够在公差要求很严的场合下工作。

    SCARA机器一般都比较小，最大负载能力大约为2kg，作业半径大约为1m。它们主要用于装配，也可以用于包装、小型压力机喂料、涂胶和其他应用。SCARA的应用主要受限于其尺寸和仅有的4根轴。
人们定义了机器人标准循环时间来比较机器人之间的性能。这就是所谓的门型测试（goalpost test），它由25mm垂直向上的运动，后跟300mm水平方向的移动和25mm垂直向下的运动组成，模拟装配过程的典型运动，SCARA机器人实现这一运动（包括往返）最慢为0.3s。这个循环时间25比同等的6轴关节臂型机器人快很多。
    SCARA机器人占据了全球大约12%的销量，在亚洲更受欢迎，这是由亚洲的电子行业规模决定的。亚洲大约占据了SCARA机器人销量的50%（IFR，2013）。

2.1.3直角坐标型

    直角坐标型机器人包括所有由3根直线运动轴组成的工业机器人（如图2-5所示），各轴的运动与直角坐标系重合。这种机器人通常限定为3根轴，但也有一些特殊的形式，在最后一根直线轴上再安装一根旋转轴。这类直角坐标型机器人包括龙门架和线性取放装置。这些构型多种多样，也可以采用模块化方式构建，为满足某一特定需求的机器人设计提供了便利。龙门架可以是门柱型，由一边结构支撑；或者是门框型，由两边结构支撑。长度范围可以从1米以内到几十米。龙门架能够承受较大载荷，可以携带3000kg的重量。龙门架的另一个好处是可以使占地面积最小化，便于操作人员接近机器人，因为其大部分结构在头顶上方。但其造价通常比同等的关节臂型机器人高。

    直角坐标型机器人的应用是各种各样的，典型应用包括搬运、码垛、注塑、装配和机床上下料。直角坐标型机器人也用于其他制造工艺，例如焊接和涂胶，尤其用于比较大的部件。直角坐标型机器人是第二受欢迎的构型，大约占全球机器人销量的22%（IFR，2013）。

2.1.4并联型

    并联型或称为三角形机器人（如图2-6所示）是最近发展起来的构型。这种机器人的手臂由并行的移动或旋转关节组成。其机械部分安装在上方，驱动手臂的电机装在底座结构上。这种构型的好处在于减小了手臂的重量，因而具有较高的加速度和速度。但其负载能力较弱，一般不超过8kg。

    因此，其主要应用于拣选，尤其是在食品工业的包装线上，也可用于装配。这种机器人能够实现与SCARA机器人相似的循环时间，门型测试（25,300,25mm）在0.3s内完成。这种机器人的销量相对较小，大约只占全球市场的1%（IFR，2013）。

2.1.5圆柱坐标型

    这种类型的机器人把旋转轴和直线轴组合在一起。典型结构为一个基座的旋转轴、一个垂直移动轴、一个水平移动轴，以及腕部的旋转轴。其结构刚度大，较容易进入内腔，并且便于编程和可视化。但在手臂的后部需要预留一定的空间。它们特别适用于机床上下料和一般的取放应用。
圆柱坐标型机器人主要用于电子行业，尤其是洁净室应用，大约占全球市场的2%。与SCARA机器人类似，它主要应用在亚洲，这是由这一地区电子行业的优势决定的。亚洲占据了全球圆柱坐标型机器人销量的90%（IFR，2013）。