- 已发布 2024年4月3日
- 最后修改 2024年4月3日
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什么是机器人手臂？机器人手臂类型、作用和产品介绍
本指南是我们工业自动化中心的一部分，您可以在其中了解更多关于人工智能、自动化和控制的信息。
在本指南中，我们将详细介绍机械臂的工作原理，市场上各种不同类型的可编程机械臂，以及它们适合使用哪些配件或附加件扮演的角色。
什么是机械臂？
机械臂是被程序设计来快速、高效、极其精确地执行特定任务或工作的机器。通常由电动驱动，它们通常用于快速、一致地执行重复性程序，长时间持续工作，特别受到工业生产、制造、加工和装配行业的重视。
典型的工业机械臂包括一系列关节、接头和操作器，它们共同工作，密切类似于人类手臂的运动和功能（至少从纯机械角度来看）。可编程机械臂可以是独立的完整机器，也可以作为更大更复杂设备的一个独立机器人零件。
如今在无数行业和工作场所应用中使用的许多较小的机械臂是台座安装的，并通过电子控制。更大型的版本可能是地面安装的，但不管怎样，它们往往是由坚固耐用的金属制成（通常是钢或铸铁），大多数都有4-6个关节。再次强调，从机械角度来看，机械臂的关键关节被设计得与人体等同部位非常相似，包括肩膀、肘部、前臂和腕部。
由于工业机械臂能够以极高的速度和力量工作，因此在对其进行编程和使用时需要非常注重安全。然而，当适当部署时，它们可以大大提高生产率和放置、拾取任务的准确性，还能执行重物搬运和重新定位功能，这些任务即使是多名人工工人组一起进行也难以在任何速度上完成。
随着技术的进步和机器人元件的制造成本多年来的降低，过去的十年左右看到了机器人和机械臂在各行各业可用性和价格方面的非常迅速扩展。这意味着它们在小规模操作中比以往更常见，因为它们不再仅是经济上适用于大规模生产线输出非常高产量产品的选项。
有哪些类型的机械臂？
当今市场上有许多不同类型的机械臂可供选择，每种设计都具有重要的核心能力和功能，使各种特定类型特别适合于特定角色或工业环境。大多数机械臂有多达六个关节连接七个部分，其中大多数或全部由各种形式的步进电机驱动并由计算机控制。这允许对机械臂的“手”或末端执行器部分进行非常精确的定位，在大多数工业用途中，这通常是某种专门工具或附件，设计用于执行高度特定的动作或可重复的关节系列。
在很大程度上，不同类型的机械臂之间的关键区别在于它们的关节设计如何进行关节活动 - 以及随后它们能够执行的运动范围和功能 - 以及它们所支持的框架类型以及安装和操作所需的占地面积。
在这一部分中，我们将探讨在世界各行各业中广泛部署的一些常见类型的可编程机械臂。
Cartesian（门架）机械臂
Cartesian机械臂 - 通常称为直角或门架机械臂 - 是以17世纪由Cartesian开发的Cartesian坐标系命名的，这是一种通过代数方程将几何曲线映射到图表上的方法。
如果所有这些听起来都非常复杂，那么实际情况实际上对大多数人在日常工作场所使用来说相当熟悉：Cartesian坐标系基本上是给我们提供了广泛使用的X、Y和（不太常见的）Z轴系统，我们几乎总是在任何典型图表上看到它们映射。
在机械臂的术语中，机电一体化的笛卡尔或门式机器人往往由三个关节组成，使用X、Y和Z坐标进行编程，以指定沿这三个轴的三维线性运动。手腕关节通常提供进一步的旋转功能。
Cartesian机械臂使用各种马达和线性执行器将工具或附件定位在三维空间中的某个位置，并通过一系列线性运动来操纵它以在不同位置之间切换。它们可以水平、垂直或架空安装，并广泛应用于机械加工零件或沿着传送带拾取和放置等各种应用中。
圆柱形机械臂
与上述Cartesian版本相比，圆柱形机机械臂的轴线形成一个圆柱坐标系，简言之，它们的编程移动发生在一个圆柱形空间内（上下和周围）。这种类型的机器人手臂更常用于装配操作、点焊和机床处理，其中旋转关节和滑动关节使其具有旋转和直线运动。
极坐标/球坐标机械臂
再次，就像上面描述的圆柱形机械臂一样，极坐标或球坐标机器人是在球形’工作空间’或运动潜在轨迹内操作的机器人。通过一个组合的旋转关节、两个旋转关节和一个直线关节实现这一目标。极坐标机械臂通过一个扭转关节连接到其基座，随后的球形工作空间使其适用于执行类似圆柱形机械臂的角色 - 处理机床、点焊、压铸和弧焊等任务。
SCARA机械臂
SCARA机械臂在装配和拾取放置应用中被广泛使用。SCARA的首字母代表选择性顺应装配机械臂（有时是选择性顺应性铰接式机械臂），这是指它们能够在某些轴上容忍有限程度的“顺应性”（在机器人学的背景下是指灵活性），同时在其他轴上保持刚性。
SCARA机械臂可能是你在想象高科技生产线时首先会想到的经典类型，正是它们的选择性服从能力使它们在这些目的上非常理想。对于某些装配和定位任务，特定方向上具有一定的可接受灵活性但在其他方向上没有则是非常有利的，可以允许在狭窄空间中插入组件而不会卡住或损坏任何零件。
机械臂用于什么？
机械臂可用于各种工业生产、加工和制造角色 - 实际上，在任何需要极其精确、快速和可重复的动作的任务中。
各种机械臂如今在各种规模的制造业中被使用，从微观细节的电路板组装到大型重工业，比如汽车生产线，以及大量的“拾取和放置”（传送带）应用。这意味着在开始规划购买之前，重要的是要知道哪种类型的可编程机械臂更适合哪种环境和任务。
在每种情况下，选择适合特定角色或任务的正确类型的可编程机械臂应该考虑到预期应用的精确性质和要求。这些通常包括：
- 负荷
- 所有类型的机械臂都有特定的负荷能力，这个由制造商规定的数值总是需要超过机械臂预计执行的任何任务中涉及的有效载荷的总重量（包括工具和附件）。
- 不同类型的机械臂由不同设计的框架支持，这可能增加或减少总体负载能力 - 这必须与物理布局和占地面积的考虑相平衡。
- 方向
- 这一标准通常由机械臂的占地面积和安装位置以及它与生产线上其他设备的搭配情况来定义，以及它为了预期执行的一系列运动和操作而需要的移动范围有多好地适配。这将进而影响机械臂相对于将要移动的对象的实际位置。
- 某些类型的机械臂需要更大的底座或更多的物理空间来执行其预定的一系列运动，这些因素必须考虑到周围其他设备或工作人员。
- 速度
- 特别是在选择用于拾取和放置应用的机械臂时，重要的是要注意制造商对速度的评级，尤其是在长距离上的加速方面。
- 通过改变使用的皮带、电机或执行器的选择，可以实现对某些类型的机械臂的速度评级进行更改和升级。
- 行程
- 由于机械臂的挠曲和支撑框架设计的差异，在某些类型的机械臂中，跨度较大时容差和准确性可能会降低。
- 如果应用需要在载荷或工作区之间具有更长的行程距离，这可能会决定哪种机械臂适合或不适合执行该任务，具体取决于所需公差的严格程度。
- 精度
- 某些类型的可编程机械臂在其运动范围和关节方面天生设计得比其他机械臂更精确。这可能会以更复杂的机器成本为代价，并且需要在占地面积、速度、潜在行程距离和方向等其他因素之间取得平衡。
- 对于许多工业应用，如拾取和放置，能够进行极其精确的可重复运动的机械臂可能是一笔不必要的费用。然而，对于模具应用，精度将是在考虑其他因素之前的关键考虑因素。同样，可以对某些类型的机械臂进行更改和升级以改善精度，但并非所有类型的机械臂都可以做到这一点。
- 环境
- 在选择适合特定位置的机械臂时，考虑工作环境中的大气条件和潜在危险因素（包括灰尘、污垢和湿度水平）将是重要的。
- 物理占地面积、方向和运动范围也将影响特定型号或机械臂类型在特定环境中的适用性，需考虑其他设备和工人。
- 工作循环
- 这主要是评估机械臂预计要执行工作的强度以及在‘休息’或维护期间要操作多长时间。显然，对于连续运行的机械臂来说，磨损问题会更早出现，而对于只在标准班次中操作的机械臂来说，磨损问题会较晚出现。
- 不同型号或臂类型的机械臂将需要不同的维护制度，如润滑间隔和零件更换 - 在任何最小化停机时间至关重要的情况下，这些都是购买特定生产角色的机械臂时需要考虑的重要因素。
综合上述标准有时被称为机器人的LOSTPED参数。
