關鍵詞：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)作機器人技術及其應用領域詳解

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)品性能和廣泛的應用領域，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)展的重要驅動力。那么協(xié)作機器人主要應用在哪些領域呢？

1、傳統(tǒng)工業(yè)應用

許多傳統(tǒng)應用都因能夠重復作業(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)控領域帶來一個振奮人心的機遇。此應用結合了各種不同的技術，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)設置、復雜/危險應用、倉儲和物流，以及安全和監(jiān)控領域帶來的明顯益處。

3、復雜且危險的應用

協(xié)作型、復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)機器人的復雜、危險應用場合中作業(yè)。在諸如噴涂或去除大型艦船的油漆等應用中，通常操作員通常面臨各種危險，包括化學品和高空墜落。而現(xiàn)在，可以部署機器人完成此工作，而無需執(zhí)行在艦船上安裝導桿、軌道或傳感器這樣過于復雜的任務。另一個應用是災難恢復機器人，即部署機器人在陌生且險峻的地形中執(zhí)行任務。

4、外科手術應用

降低風險、縮短手術時間和恢復時間依然是外科手術機器人的關注焦點。通過改善常規(guī)腹腔鏡檢查和關節(jié)鏡檢查技術，外科手術機器人在手術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。

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

二、工業(yè)自由度并聯(lián)機器人的特點和應用領域介紹

工業(yè)機器人是面向工業(yè)領域的多關節(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)人工智能技術制定的原則綱領行動。

主體即機座和執(zhí)行機構，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構。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;驅動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構，用以使執(zhí)行機構產(chǎn)生相應的動作;控制系統(tǒng)是按照輸入的程序對驅動系統(tǒng)和執(zhí)行機構發(fā)出指令信號，并進行控制。

自由度并聯(lián)機構種類較多，形式較復雜，主要有三自由度和六自由度并聯(lián)結構，廣泛應用在飛行模擬器、6維力與力矩傳感器和并聯(lián)機床等領域。其特點有：（1）結構緊湊，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)機器人的應用領域

并聯(lián)機構多用于需要高剛度、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，用來作為其他機構的誤差補償器

8、微操作機器人;用于微動機構或者微型機構

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

隨著近年國內各行業(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，國內并聯(lián)機器人也大有趕超國外之勢，并且國內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計的機器人，即一種被設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節(jié)是光滑且平整的，無尖銳的轉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，當達到已設定的力時會立即停止，在風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背景的人員來說，都非常容易進行編程與調試。

（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)品性能和廣泛的應用領域，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)機構的自由度數(shù)分類

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

（1）、2 自由度并聯(lián)機構。

2 自由度并聯(lián)機構，如5-R、3-R-2-P（R 表示轉動副，P 表示移動副）平面5桿機構是最典型的2自由度并聯(lián)機構，這類機構一般具有2 個移動運動。

（2）、3 自由度并聯(lián)機構。

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

3 維純移動機構，如Star Like 并聯(lián)機構、Tsai 并聯(lián)機構和DELTA 機構，該類機構的運動學正反解都很簡單，是一種應用很廣泛的3維移動空間機構；空間3自由度并聯(lián)機構，如典型的3-RPS 機構，這類機構屬于欠秩機構，在工作空間內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，阻礙了該類機構在實際中的廣泛應用；還有一類是增加輔助桿件和運動副的空間機構，如德國漢諾威大學研制的并聯(lián)機床采用的3-UPS-1-PU 球坐標式3 自由度并聯(lián)機構，由于輔助桿件和運動副的制約，使得該機構的運動平臺具有1 個移動和2 個轉動的運動（也可以說是3個移動運動）。

（3）、4 自由度并聯(lián)機構。

4 自由度并聯(lián)機構大多不是完全并聯(lián)機構，如2-UPS-1-RRRR 機構，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 是驅動副，因此這種機構不是完全并聯(lián)機構。

（4）、5 自由度并聯(lián)機構。

現(xiàn)有的5 自由度并聯(lián)機構結構復雜，如韓國Lee的5自由度并聯(lián)機構具有雙層結構（2 個并聯(lián)機構的結合）。

（5）、6 自由度并聯(lián)機構。

6 自由度并聯(lián)機構是并聯(lián)機器人機構中的一大類，是國內外學者研究得最多的并聯(lián)機構，廣泛應用在飛行模擬器、6維力與力矩傳感器和并聯(lián)機床等領域。但這類機構有很多關鍵性技術沒有或沒有完全得到解決，比如其運動學正解、動力學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)，這類機構必須具有6個運動鏈。但現(xiàn)有的并聯(lián)機構中，也有擁有3 個運動鏈的6 自由度并聯(lián)機構，如3-PRPS 和3-URS 等機構，還有在3 個分支的每個分支上附加1個5桿機構作這驅動機構的6自由度并聯(lián)機構等。

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

機器人從機構學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)機構為機器人機構原型；并聯(lián)機器人為有一個或幾個閉環(huán)組成的關節(jié)點坐標相互關聯(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動關節(jié)或移動關節(jié)串聯(lián)形成的。采用驅動器驅動各個關節(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，機構具有兩個或者兩個以上的自由度，以并聯(lián)方式驅動的一種閉環(huán)的機器人。

并聯(lián)機器人和傳統(tǒng)工業(yè)用串聯(lián)機器人在應用上構成互補關系，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成，運動平臺和運動支鏈之間構成一個或多個閉環(huán)機構，通過改變各個支鏈的運動狀態(tài)，使整個機構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，具有結構簡單，成本低，控制簡單，運動空間大等優(yōu)點，已成功應用于很多領域，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。已有很多成功應用的案例。比如運動模擬器，delta機器人等。

機器人應用

機器人、立體倉儲等自動化設備系統(tǒng)的工作精度、工作效率有時是人工操作所達不到的。 隨著科學技術的不斷進步，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，又可以運行預先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術制定的原則綱領行動。

那么機器人主要用于哪些行業(yè)和領域呢？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)、建筑領域的應用非常廣泛，而在世界各國也正積極研發(fā)，嘗試機器人在戰(zhàn)爭軍事等領域的應用。

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