原創(chuàng) | 文 BFT機(jī)器人

工程師如何選擇合適的機(jī)械臂進(jìn)入龐大的自動(dòng)化制造設(shè)施？所有的機(jī)械臂看起來(lái)都像爪子抓手嗎？機(jī)械臂有哪些不同類(lèi)型？

這些都是選擇機(jī)械臂時(shí)要問(wèn)的好問(wèn)題。隨著自動(dòng)化的爆炸式普及，如今比以往任何時(shí)候都有更多令人難以置信的機(jī)器人。找到合適的機(jī)器人就是要了解機(jī)械臂的主要特征以及各種類(lèi)型的區(qū)別。

01

選擇機(jī)械臂時(shí)要考慮什么

當(dāng)今市場(chǎng)上有數(shù)千種獨(dú)特的機(jī)械臂，其中大部分屬于六個(gè)主要類(lèi)別。選擇具有如此多選擇的正確機(jī)械臂可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。

選擇機(jī)械臂時(shí)首先要考慮的是機(jī)器人的目標(biāo)。它需要做什么？它將執(zhí)行什么任務(wù)？這一目標(biāo)將決定技術(shù)需求。一些機(jī)械臂不像其他機(jī)器人那樣靈活或精確，因此清楚地了解機(jī)器人需要做什么對(duì)于選擇正確的類(lèi)型至關(guān)重要。

考慮到這個(gè)目標(biāo)，下一步是估計(jì)機(jī)械臂需要多少個(gè)運(yùn)動(dòng)軸。有時(shí)被稱(chēng)為“自由度”，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軸決定了它的靈活性和可操作性。想象笛卡爾平面中的運(yùn)動(dòng)軸可能會(huì)有所幫助。具有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的機(jī)器人可以沿 x 軸和 y 軸移動(dòng)，但不能沿 z 軸移動(dòng)。機(jī)器人可以有一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸到七個(gè)或更多軸的任何地方。

接下來(lái)，考慮機(jī)器人可能需要什么末端執(zhí)行器。末端執(zhí)行器是機(jī)器人手臂末端的工具，通常是某種類(lèi)型的抓手。正確的末端執(zhí)行器對(duì)于任何機(jī)械臂的成功都至關(guān)重要。替代類(lèi)型的末端執(zhí)行器與不同類(lèi)型的機(jī)械臂一起工作。例如，平行連桿臂使用的末端執(zhí)行器與六軸關(guān)節(jié)臂上使用的末端執(zhí)行器非常不同。

確定機(jī)械臂需要什么末端執(zhí)行器的一部分是評(píng)估機(jī)器人需要多靈巧。它需要拿起、移動(dòng)或與之交互？末端執(zhí)行器必須移動(dòng)的一個(gè)或多個(gè)物體有多重？這些在任何方面都很微妙嗎？記下機(jī)器人必須與之交互的組件的需求 - 這將有助于縮小最佳類(lèi)型的機(jī)械臂。

最后，考慮是否存在任何編程限制。某些類(lèi)型或特定型號(hào)的機(jī)械臂比其他機(jī)器人手臂需要更多的編程。例如，對(duì)只有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的機(jī)器人進(jìn)行編程通常比對(duì)一個(gè)有六個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的機(jī)器人進(jìn)行編程更容易。同樣，協(xié)作機(jī)器人通常被設(shè)計(jì)為比其他類(lèi)型的機(jī)器人更容易編程。如果那些最常使用機(jī)器人的人編程能力有限，那么最好使用協(xié)作機(jī)器人或具有簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人。

02

6種主要類(lèi)型的機(jī)械臂及其應(yīng)用

如今，市場(chǎng)上的機(jī)器人手臂市場(chǎng)上的任何人都有數(shù)千種型號(hào)可供選擇。找到合適機(jī)器人的最簡(jiǎn)單方法是首先選擇最適合手頭任務(wù)的特定類(lèi)型的機(jī)械臂?，F(xiàn)如今有六種主要類(lèi)型。

1. 鉸接式

鉸接式機(jī)械臂是最常見(jiàn)的類(lèi)型。

六軸關(guān)節(jié)臂特別受歡迎，在工業(yè)環(huán)境中有許多應(yīng)用。它們也可以很容易地通過(guò)各種運(yùn)動(dòng)軸找到。關(guān)節(jié)臂的主要缺點(diǎn)是定位精度，這比機(jī)器人的主要旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)一步降低。盡管如此，這些機(jī)械臂仍然可以精確到毫米，這對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠精確了。關(guān)節(jié)的數(shù)量也會(huì)影響定位精度，因?yàn)楦嗟倪\(yùn)動(dòng)軸允許更多的運(yùn)動(dòng)自由度。

關(guān)節(jié)式機(jī)械臂的一個(gè)眾所周知的應(yīng)用是制造。這些機(jī)器人常見(jiàn)于汽車(chē)制造設(shè)施中，在裝配線上自主制造車(chē)輛。鉸接式機(jī)器人通常是與任何其他類(lèi)型的機(jī)械臂不匹配的應(yīng)用的好方法。由于關(guān)節(jié)臂的普及，總會(huì)有很多末端執(zhí)行器可供選擇，以及更廣泛的機(jī)器人社區(qū)的技術(shù)支持。

關(guān)節(jié)式機(jī)械臂還有許多其他應(yīng)用。在醫(yī)療領(lǐng)域，它們可以用于手術(shù)和康復(fù)治療，因?yàn)樗鼈兛梢跃_地控制運(yùn)動(dòng)，并且不需要人類(lèi)的直接干預(yù)。

此外，它們還可以在危險(xiǎn)或難以到達(dá)的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，例如在核電站或深海中進(jìn)行維修和清理工作。關(guān)節(jié)式機(jī)械臂同樣也可用于物流和倉(cāng)儲(chǔ)操作，以及軍事和安全應(yīng)用中的偵察和拆除任務(wù)。關(guān)節(jié)式機(jī)械臂的多樣性和靈活性使其成為各種行業(yè)中的重要工具，創(chuàng)造了更高效和安全的工作環(huán)境。

除了關(guān)節(jié)式機(jī)械臂，鉸接式機(jī)器人也有許多其他的應(yīng)用。在建筑和施工行業(yè)中，它們可以用于在高空或狹窄空間進(jìn)行施工和維修工作。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，鉸接式機(jī)器人可以用于植物育種和收獲。鉸接式機(jī)器人還可用于危險(xiǎn)或不穩(wěn)定的地形上，如山區(qū)、森林和沙漠等環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。

2. 并行鏈路或增量

平行連桿機(jī)械臂采用獨(dú)特的設(shè)計(jì)，三個(gè)或更多臂連接到一個(gè)末端執(zhí)行器。

形狀類(lèi)似于倒置的金字塔，關(guān)節(jié)在角落，末端執(zhí)行器在頂部。平行連桿臂也稱(chēng)為“三角形”機(jī)械臂，非常適合具有精密物體或精密工藝的應(yīng)用。平行鏈接機(jī)器人常見(jiàn)于電子或制藥等行業(yè)，在這些行業(yè)中，小而精確的運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要。

并聯(lián)機(jī)械臂可以控制三個(gè)臂的關(guān)節(jié)和所連接單元的底座中的電機(jī)。平行連桿機(jī)械臂單元中的單個(gè)臂可以有三個(gè)單獨(dú)的關(guān)節(jié)來(lái)控制。這意味著運(yùn)動(dòng)可能更復(fù)雜，但它們可能比其他機(jī)械臂精確得多。

此外，由于其結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性強(qiáng)以及高度可控的特點(diǎn)，平行連桿機(jī)械臂還被廣泛應(yīng)用于航空和航天領(lǐng)域。

在飛機(jī)制造過(guò)程中，平行連桿機(jī)械臂可以應(yīng)用于精密鉆孔、打磨和噴漆等工藝。

在航天器制造中，平行連桿機(jī)械臂也可以用于組裝和檢測(cè)衛(wèi)星等任務(wù)。與其他機(jī)械臂相比，平行連桿機(jī)械臂在高精度、高速度和高加速度等方面表現(xiàn)更為出色，因此在需要進(jìn)行高精度操作的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

3. 笛卡爾

笛卡爾機(jī)械臂正好沿著三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸移動(dòng)——笛卡爾坐標(biāo)系的 x、y 和 z 軸。

它們?cè)谥圃鞓I(yè)中很受歡迎，其簡(jiǎn)單的線性運(yùn)動(dòng)可提供一致、可靠的性能。也稱(chēng)為線性或龍門(mén)機(jī)器人，笛卡爾機(jī)械臂通常安裝在框架狀結(jié)構(gòu)中。兩個(gè)側(cè)導(dǎo)軌控制 x 軸運(yùn)動(dòng)。橋接側(cè)軌的一個(gè)導(dǎo)軌控制 y 軸運(yùn)動(dòng)。最后，安裝在 y 軸上的第三個(gè)較小導(dǎo)軌控制 z 軸運(yùn)動(dòng)。不需要復(fù)雜的連接，只需沿直線滑動(dòng)即可。

對(duì)于笛卡爾機(jī)器人來(lái)說(shuō)，一個(gè)好任務(wù)的簡(jiǎn)單例子是將食品移動(dòng)到包裝中。機(jī)器人沿著x軸和y軸滑行到食物堆放的地方。它沿著 z 軸流動(dòng)以拾取物品，從其他物品中提取它，然后滑回容器沿著相鄰傳送帶移動(dòng)的位置。

再次使用 z 軸，機(jī)器人將產(chǎn)品放入包裝中。由于笛卡爾機(jī)械臂的簡(jiǎn)單性和可靠性，它們?cè)谄渌I(lǐng)域也被廣泛應(yīng)用。

在醫(yī)療設(shè)備制造中，笛卡爾機(jī)械臂可以用于定位和安裝各種醫(yī)療設(shè)備組件。在半導(dǎo)體行業(yè)中，它們可以用于精確地處理硅片和其他電子元件。

在3D打印領(lǐng)域中，笛卡爾機(jī)器人可以控制打印頭的位置和方向，從而實(shí)現(xiàn)高精度的3D打印任務(wù)。總的來(lái)說(shuō)，笛卡爾機(jī)械臂是一種非常靈活、功能強(qiáng)大的機(jī)器人，可以在許多不同的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮作用。

4. 圓柱形

圓柱形機(jī)器人手臂可以旋轉(zhuǎn)以圓周運(yùn)動(dòng)滑行，類(lèi)似于辦公椅在其底座上旋轉(zhuǎn)的方式。

這些機(jī)器人通常圍繞z軸進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)以及水平和垂直運(yùn)動(dòng)。它們?cè)谄湫D(zhuǎn)底座上呈圓柱形移動(dòng)，而連接的臂可以水平伸入和向外延伸，并沿 z 軸垂直移動(dòng)。

圓柱形機(jī)器人的移動(dòng)方式與笛卡爾機(jī)器人類(lèi)似，但以更節(jié)省空間的方式進(jìn)行。它們不需要龍門(mén)架來(lái)安裝，更像一個(gè)鉸接式機(jī)器人。這使得它們能夠比笛卡爾機(jī)器人更靈活地在物體上方和周?chē)苿?dòng)。

因此，圓柱形機(jī)器人在空間有限的制造環(huán)境中很受歡迎。例如，他們可能操作機(jī)械、進(jìn)行焊接或涂覆涂層和飾面。焊接可能是圓柱形機(jī)器人越來(lái)越受歡迎的應(yīng)用。據(jù)估計(jì)，全球機(jī)器人支出的15.6%（價(jià)值超過(guò)240億美元）僅歸因于焊接機(jī)器人。

涂覆涂層和飾面是圓柱形機(jī)器人的另一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域。由于其靈活性和精度，圓柱形機(jī)器人可以用于對(duì)汽車(chē)、飛機(jī)、建筑物等大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行噴涂和覆蓋。圓柱形機(jī)器人還可以用于在電路板和其他微小元件上涂覆精細(xì)的涂層，這需要高精度和穩(wěn)定性。

在醫(yī)療行業(yè)中，圓柱形機(jī)器人可以用于手術(shù)和病房?jī)?nèi)的各種任務(wù)。

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，它們可以用于自動(dòng)化收獲和植物處理?？傊瑘A柱形機(jī)器人是一種非常有前途的機(jī)器人類(lèi)型，可以在許多不同的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮作用。

5.SCARE

選定的合規(guī)性關(guān)節(jié)式機(jī)器人手臂（或SCARA機(jī)器人）類(lèi)似于圓柱形機(jī)器人，但具有多個(gè)圓柱形關(guān)節(jié)，而不僅僅是一個(gè)。

雖然圓柱形機(jī)器人在其旋轉(zhuǎn)底座上只有圓柱形運(yùn)動(dòng)，但 SCARA 機(jī)械臂可以沿所有三個(gè)軸（x、y 和 z）圓柱形移動(dòng)。它們通常用于代替鉸接式機(jī)器人，提供更簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)，但占地面積更小，用途更廣。

雖然SCARA機(jī)器人僅占當(dāng)今使用的工業(yè)機(jī)器人的13%，但它們很快成為工業(yè)領(lǐng)域的有利選擇。SCARA機(jī)器人最常見(jiàn)于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，例如灌裝或移動(dòng)小瓶。它們還用于其他行業(yè)的碼垛、點(diǎn)膠或裝配線應(yīng)用，如焊接電路板。

除了上述的應(yīng)用，SCARA機(jī)器人還在電子制造業(yè)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。由于其高精度和速度，它們被廣泛用于制造半導(dǎo)體和電路板。在這些應(yīng)用中，SCARA機(jī)器人可以快速而準(zhǔn)確地放置和焊接微小元件，從而提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

在食品和飲料行業(yè)，SCARA機(jī)器人也被廣泛應(yīng)用于包裝、裝瓶和灌裝等任務(wù)。由于其高速度和準(zhǔn)確性，SCARA機(jī)器人可以快速而精確地完成這些任務(wù)，從而提高生產(chǎn)效率并減少錯(cuò)誤率。雖然SCARA機(jī)器人目前僅占工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的一小部分，但它們?cè)谠S多應(yīng)用領(lǐng)域中都表現(xiàn)出了出色的性能和靈活性。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和需求的增加，SCARA機(jī)器人的市場(chǎng)份額有望繼續(xù)擴(kuò)大。

6. 協(xié)作

協(xié)作機(jī)器人是機(jī)器人手臂的終極主要類(lèi)型。

這些機(jī)器人幾乎可以是任何其他類(lèi)型的機(jī)器人，但有一個(gè)關(guān)鍵的區(qū)別——它們是專(zhuān)門(mén)為與人類(lèi)一起工作而設(shè)計(jì)的。安全隱患是將機(jī)器人帶入工作場(chǎng)所的主要挑戰(zhàn)之一，因?yàn)榈湫偷墓I(yè)機(jī)器人無(wú)法分辨員工何時(shí)經(jīng)過(guò)。他們沒(méi)有感官告訴他們?cè)谝馔庾驳侥橙酥巴Ｏ聛?lái)。

協(xié)作機(jī)械臂是下一代機(jī)器人，它使用傳感器甚至人工智能來(lái)模仿人類(lèi)的感官和行為。例如，協(xié)作機(jī)械臂可能具有接近傳感器，可以檢測(cè)工人何時(shí)站在附近，防止手臂意外擺動(dòng)并撞到他們。

這些機(jī)器人也更容易編程和維護(hù)。他們使用智能傳感器來(lái)檢測(cè)零件何時(shí)未對(duì)準(zhǔn)或何時(shí)需要維護(hù)。這也使協(xié)作機(jī)器人更安全地工作，因?yàn)闄C(jī)器人會(huì)知道在發(fā)生故障時(shí)停止運(yùn)行。相比之下，傳統(tǒng)機(jī)器人可能會(huì)在受損的情況下繼續(xù)嘗試工作。

協(xié)作機(jī)器人并非適用于所有應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兊某杀就ǔ８哂趥鹘y(tǒng)的機(jī)械臂。然而，它們是機(jī)器人必須增加人類(lèi)員工的應(yīng)用的完美選擇，例如裝配線設(shè)置或部分自動(dòng)化的制造設(shè)施。

03

選擇完美的機(jī)械臂

六個(gè)主要機(jī)械臂中的每一個(gè)都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。有些是靈活的，而另一些則更容易編程或投資成本更低。這些機(jī)械臂可以執(zhí)行的任務(wù)類(lèi)型存在一些重疊。因此，為特定應(yīng)用選擇完美的機(jī)械臂就是要確定關(guān)鍵性能標(biāo)準(zhǔn)，并將其與一種機(jī)械臂的優(yōu)勢(shì)相匹配。

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