關(guān)鍵詞：協(xié)作機器人、并聯(lián)機器人、工業(yè)機器人

工博士機器人配圖

一、協(xié)作機器人技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域詳解

協(xié)作型機器人作為一種新型的工業(yè)機器人，掃除了人機協(xié)作的障礙，讓機器人徹底擺脫護欄或圍籠的束縛，其開創(chuàng)性的產(chǎn)品性能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，為工業(yè)機器人的發(fā)展開啟了新時代。

協(xié)作機器人因為具備高安全性、高靈活性和高精度，且滿足即插即用、編程簡單直觀、操作簡單，讓非專業(yè)人員也能快速掌握并使用的特征，因此也成為成為推動工業(yè)機器人市場高速發(fā)展的重要驅(qū)動力。那么協(xié)作機器人主要應(yīng)用在哪些領(lǐng)域呢？

1、傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用

許多傳統(tǒng)應(yīng)用都因能夠重復(fù)作業(yè)、完成繁重體力勞動的協(xié)作機器人而受益無窮，例如：裝配、裝載/卸載、包裝、分揀、分發(fā)、打磨和拋光應(yīng)用。隨著機器人在各種規(guī)模的企業(yè)中的采用率日漸增加，機器人不再僅為大型工業(yè)制造商所用。

2、遠程安全和監(jiān)控

協(xié)作機器人將在遠程安全和監(jiān)控領(lǐng)域帶來一個振奮人心的機遇。此應(yīng)用結(jié)合了各種不同的技術(shù)，包括移動機器人、傳感和視頻監(jiān)控。協(xié)作機器人無需外部安全屏障，隨著此類機器人的部署數(shù)目不斷增加，從中受益的應(yīng)用也日漸增多。如今，我們已看到了協(xié)作機器人給工業(yè)設(shè)置、復(fù)雜/危險應(yīng)用、倉儲和物流，以及安全和監(jiān)控領(lǐng)域帶來的明顯益處。

3、復(fù)雜且危險的應(yīng)用

協(xié)作型、復(fù)雜感測機器人不僅能夠在操作員身邊協(xié)作，還支持在難以部署傳統(tǒng)機器人的復(fù)雜、危險應(yīng)用場合中作業(yè)。在諸如噴涂或去除大型艦船的油漆等應(yīng)用中，通常操作員通常面臨各種危險，包括化學(xué)品和高空墜落。而現(xiàn)在，可以部署機器人完成此工作，而無需執(zhí)行在艦船上安裝導(dǎo)桿、軌道或傳感器這樣過于復(fù)雜的任務(wù)。另一個應(yīng)用是災(zāi)難恢復(fù)機器人，即部署機器人在陌生且險峻的地形中執(zhí)行任務(wù)。

4、外科手術(shù)應(yīng)用

降低風(fēng)險、縮短手術(shù)時間和恢復(fù)時間依然是外科手術(shù)機器人的關(guān)注焦點。通過改善常規(guī)腹腔鏡檢查和關(guān)節(jié)鏡檢查技術(shù)，外科手術(shù)機器人在手術(shù)室人員身邊以及對患者進行安全作業(yè)的同時，能夠為外科醫(yī)生提供更高的可見性、敏捷度、準確性和舒適度。

如今的外科手術(shù)機器人能夠減少手術(shù)創(chuàng)傷，改善患者療效，縮短接受前列腺、心臟、婦科手術(shù)和其他手術(shù)的患者的術(shù)后住院時間。隨著新外科手術(shù)的開發(fā)、全球需求的增加，以及協(xié)作技術(shù)繼續(xù)創(chuàng)新，外科手術(shù)機器人發(fā)展?jié)摿�無限。

二、工業(yè)自由度并聯(lián)機器人的特點和應(yīng)用領(lǐng)域介紹

工業(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器裝置，它能自動執(zhí)行工作，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運行，現(xiàn)代的工業(yè)機器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。

主體即機座和執(zhí)行機構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機器人有3～6個運動自由度，其中腕部通常有1～3個運動自由度;驅(qū)動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構(gòu)，用以使執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作;控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令信號，并進行控制。

自由度并聯(lián)機構(gòu)種類較多，形式較復(fù)雜，主要有三自由度和六自由度并聯(lián)結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用在飛行模擬器、6維力與力矩傳感器和并聯(lián)機床等領(lǐng)域。其特點有：（1）結(jié)構(gòu)緊湊，剛度高，承載能力大；（2）無累計誤差，精度高；（3）占用空間小；（4）速度快，運動性能佳；（5）部件磨損小，壽命長。

工業(yè)自由度并聯(lián)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域

并聯(lián)機構(gòu)多用于需要高剛度、高精度、高速度，無需大空間的場合，具體應(yīng)用包括：

1、食品、醫(yī)藥、電子、化工行業(yè)的分揀、搬運、裝箱等。

2、模擬運動;如飛行員三維空間訓(xùn)練模擬器;工程模擬器，如船用搖擺臺等;檢測產(chǎn)品在模擬的反復(fù)沖擊、振動下的運行可靠性;娛樂運動模擬臺。

3、并聯(lián)機床

4、對接動作;如宇宙飛船的空間對接;汽車裝配線上的車輪安裝;醫(yī)院中的假肢接骨。

5、承載運動;如大扭矩螺栓緊固;短距離重物搬運。

6、金屬切削加工;可應(yīng)用于各類銑床、磨床鉆床或點焊機、切割機。

7、可用于測量機，用來作為其他機構(gòu)的誤差補償器

8、微操作機器人;用于微動機構(gòu)或者微型機構(gòu)

9、機器人關(guān)節(jié);可用作機器人的關(guān)節(jié)，爬行機構(gòu)、食品、醫(yī)藥包裝和移載機械手等

隨著近年國內(nèi)各行業(yè)的發(fā)展，涌現(xiàn)大量并聯(lián)機器人企業(yè)，在市場和人才的共同作用下，國內(nèi)并聯(lián)機器人也大有趕超國外之勢，并且國內(nèi)擁有國外很多無法具備的先天優(yōu)勢，產(chǎn)業(yè)鏈、價格成本、技術(shù)更新以及市場促進都在激勵這個行業(yè)的發(fā)展。

三、協(xié)作機器人的主要特點有哪些？

協(xié)作機器人是為與人直接交互而設(shè)計的機器人，即一種被設(shè)計成能與人類在共同工作空間中進行近距離互動的機器人，近幾年協(xié)作機器人開始獲得廣泛關(guān)注。

傳統(tǒng)工業(yè)機器人是在安全圍欄或其他保護措施之下，完成諸如焊接、噴涂、搬運碼垛、拋光打磨等高精度、高速度的操作。而協(xié)作機器人打破了傳統(tǒng)的全手動和全自動的生產(chǎn)模式，能夠直接與操作人員在同一條生產(chǎn)線上工作，卻不需要使用安全圍欄與人隔離。

協(xié)作機器人的主要特點有：

（1）輕量化：使機器人更易于控制，提高安全性。

（2）友好性：保證機器人的表面和關(guān)節(jié)是光滑且平整的，無尖銳的轉(zhuǎn)角或者易夾傷操作人員的縫隙。

（3）部署靈活：機身能夠縮小到可放置在工作臺上的尺寸，可安裝于任何地方。

（4）感知能力：可感知周圍的環(huán)境，并根據(jù)環(huán)境的變化改變自身的動作行為。

（5）人機協(xié)作：具有敏感的力反饋特性，當達到已設(shè)定的力時會立即停止，在風(fēng)險評估后可不需要安裝保護欄，使人和機器人能協(xié)同工作。

（6）編程方便：對于一些普通操作者和非技術(shù)背景的人員來說，都非常容易進行編程與調(diào)試。

（7）使用成本低：基本上不需要維護保養(yǎng)的成本投入，機器人本體功耗較低。

協(xié)作型機器人作為一種新型的工業(yè)機器人，掃除了人機協(xié)作的障礙，讓機器人徹底擺脫護欄或圍籠的束縛，其開創(chuàng)性的產(chǎn)品性能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，為工業(yè)機器人的發(fā)展開啟了新時代。

四、并聯(lián)機器人按并聯(lián)機構(gòu)的自由度數(shù)分類

從運動形式來看，并聯(lián)機構(gòu)可分為平面機構(gòu)和空間機構(gòu)；細分可分為平面移動機構(gòu)、平面移動轉(zhuǎn)動機構(gòu)、空間純移動機構(gòu)、空間純轉(zhuǎn)動機構(gòu)和空間混合運動機構(gòu),另可按并聯(lián)機構(gòu)的自由度數(shù)分類：

（1）、2 自由度并聯(lián)機構(gòu)。

2 自由度并聯(lián)機構(gòu)，如5-R、3-R-2-P（R 表示轉(zhuǎn)動副，P 表示移動副）平面5桿機構(gòu)是最典型的2自由度并聯(lián)機構(gòu)，這類機構(gòu)一般具有2 個移動運動。

（2）、3 自由度并聯(lián)機構(gòu)。

3 自由度并聯(lián)機構(gòu)各類較多，形式較復(fù)雜，一般有以下形式：平面3自由度并聯(lián)機構(gòu)，如3-RRR 機構(gòu)、3-RPR 機構(gòu)，它們具有2個移動和一個轉(zhuǎn)動；球面3自由度并聯(lián)機構(gòu)，如3-RRR 球面機構(gòu)、3-UPS-1-S 球面機構(gòu)，3-RRR 球面機構(gòu)所有運動副的軸線匯交空間一點，這點稱為機構(gòu)的中心，而3-UPS-1-S 球面機構(gòu)則以S的中心點為機構(gòu)的中心，機構(gòu)上的所有點的運動都是繞該點的轉(zhuǎn)動運動；

3 維純移動機構(gòu)，如Star Like 并聯(lián)機構(gòu)、Tsai 并聯(lián)機構(gòu)和DELTA 機構(gòu)，該類機構(gòu)的運動學(xué)正反解都很簡單，是一種應(yīng)用很廣泛的3維移動空間機構(gòu)；空間3自由度并聯(lián)機構(gòu)，如典型的3-RPS 機構(gòu)，這類機構(gòu)屬于欠秩機構(gòu)，在工作空間內(nèi)不同的點其運動形式不同是其最顯著的特點，由于這種特殊的運動特性，阻礙了該類機構(gòu)在實際中的廣泛應(yīng)用；還有一類是增加輔助桿件和運動副的空間機構(gòu)，如德國漢諾威大學(xué)研制的并聯(lián)機床采用的3-UPS-1-PU 球坐標式3 自由度并聯(lián)機構(gòu)，由于輔助桿件和運動副的制約，使得該機構(gòu)的運動平臺具有1 個移動和2 個轉(zhuǎn)動的運動（也可以說是3個移動運動）。

（3）、4 自由度并聯(lián)機構(gòu)。

4 自由度并聯(lián)機構(gòu)大多不是完全并聯(lián)機構(gòu)，如2-UPS-1-RRRR 機構(gòu)，運動平臺通過3 個支鏈與定平臺相連，有2個運動鏈是相同的，各具有1 個虎克鉸U ，1 個移動副P ，其中P 和1 個R 是驅(qū)動副，因此這種機構(gòu)不是完全并聯(lián)機構(gòu)。

（4）、5 自由度并聯(lián)機構(gòu)。

現(xiàn)有的5 自由度并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如韓國Lee的5自由度并聯(lián)機構(gòu)具有雙層結(jié)構(gòu)（2 個并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)合）。

（5）、6 自由度并聯(lián)機構(gòu)。

6 自由度并聯(lián)機構(gòu)是并聯(lián)機器人機構(gòu)中的一大類，是國內(nèi)外學(xué)者研究得最多的并聯(lián)機構(gòu)，廣泛應(yīng)用在飛行模擬器、6維力與力矩傳感器和并聯(lián)機床等領(lǐng)域。但這類機構(gòu)有很多關(guān)鍵性技術(shù)沒有或沒有完全得到解決，比如其運動學(xué)正解、動力學(xué)模型的建立以及并聯(lián)機床的精度標定等。從完全并聯(lián)的角度出發(fā)，這類機構(gòu)必須具有6個運動鏈。但現(xiàn)有的并聯(lián)機構(gòu)中，也有擁有3 個運動鏈的6 自由度并聯(lián)機構(gòu)，如3-PRPS 和3-URS 等機構(gòu)，還有在3 個分支的每個分支上附加1個5桿機構(gòu)作這驅(qū)動機構(gòu)的6自由度并聯(lián)機構(gòu)等。

五、并聯(lián)機器人與串聯(lián)機器人相比的優(yōu)缺點是什么？

機器人從機構(gòu)學(xué)的角度可以分為串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人兩大類。串聯(lián)機器人以開環(huán)機構(gòu)為機器人機構(gòu)原型；并聯(lián)機器人為有一個或幾個閉環(huán)組成的關(guān)節(jié)點坐標相互關(guān)聯(lián)的機器人。

什么是串聯(lián)機器人？

串聯(lián)機器人是一種開式運動鏈機器人，它是由一系列連桿通過轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)或移動關(guān)節(jié)串聯(lián)形成的。采用驅(qū)動器驅(qū)動各個關(guān)節(jié)的運動從而帶動連桿的相對運動，使末端焊槍達到合適的位姿。

什么是并聯(lián)機器人？

并聯(lián)機器人是指動平臺和定平臺，通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，機構(gòu)具有兩個或者兩個以上的自由度，以并聯(lián)方式驅(qū)動的一種閉環(huán)的機器人。

并聯(lián)機器人和傳統(tǒng)工業(yè)用串聯(lián)機器人在應(yīng)用上構(gòu)成互補關(guān)系，它是一個封閉的運動鏈，和串聯(lián)機器人相比較，一般由上下運動平臺和兩條或者兩條以上運動支鏈構(gòu)成，運動平臺和運動支鏈之間構(gòu)成一個或多個閉環(huán)機構(gòu)，通過改變各個支鏈的運動狀態(tài)，使整個機構(gòu)具有多個可以操作的自由度。

并聯(lián)機器人與串聯(lián)機器人相比的優(yōu)缺點是什么？

1、簡單點說，串聯(lián)機器人就像人的一個手拿東西，而并聯(lián)機器人就相當于兩個手一起端東西。

2、串聯(lián)機器人研究得較為成熟，具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，控制簡單，運動空間大等優(yōu)點，已成功應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如各種機床，裝配車間等。

3、并聯(lián)機器人的研究與串聯(lián)機器人相比起步較晚，還有很多理論問題沒有解決。

4、并聯(lián)機器人具有剛度大，承載能力強，精度高，末端件慣性小等優(yōu)點，在高速，大承載能力的場合，與串聯(lián)機器人相比具有明顯優(yōu)勢。已有很多成功應(yīng)用的案例。比如運動模擬器，delta機器人等。

機器人應(yīng)用

機器人、立體倉儲等自動化設(shè)備系統(tǒng)的工作精度、工作效率有時是人工操作所達不到的。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，世界機器人水平越來越高，越來越智能，它既可以接受人類指揮，又可以運行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。

那么機器人主要用于哪些行業(yè)和領(lǐng)域呢？機器人同立體倉儲、智能控制系統(tǒng)、機器視覺、智能識別等系統(tǒng)一樣，其任務(wù)是協(xié)助或取代人類工作的工作。

機器人在鐵路公路隧道、礦山巷道、地下洞庫、油田防波堤護坡工程等生產(chǎn)、建筑領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，而在世界各國也正積極研發(fā)，嘗試機器人在戰(zhàn)爭軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用。

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