关键词：协作机器人、并联机器人、工业机器人

工博士机器人配图

一、协作机器人技术及其应用领域详解

协作型机器人作为一种新型的工业机器人，扫除了人机协作的障碍，让机器人彻底摆脱护栏或围笼的束缚，其开创性的产品性能和广泛的应用领域，为工业机器人的发展开启了新时代。

协作机器人因为具备高安全性、高灵活性和高精度，且满足即插即用、编程简单直观、操作简单，让非专业人员也能快速掌握并使用的特征，因此也成为成为推动工业机器人市场高速发展的重要驱动力。那么协作机器人主要应用在哪些领域呢？

1、传统工业应用

许多传统应用都因能够重复作业、完成繁重体力劳动的协作机器人而受益无穷，例如：装配、装载/卸载、包装、分拣、分发、打磨和抛光应用。随着机器人在各种规模的企业中的采用率日渐增加，机器人不再仅为大型工业制造商所用。

2、远程安全和监控

协作机器人将在远程安全和监控领域带来一个振奋人心的机遇。此应用结合了各种不同的技术，包括移动机器人、传感和视频监控。协作机器人无需外部安全屏障，随着此类机器人的部署数目不断增加，从中受益的应用也日渐增多。如今，我们已看到了协作机器人给工业设置、复杂/危险应用、仓储和物流，以及安全和监控领域带来的明显益处。

3、复杂且危险的应用

协作型、复杂感测机器人不仅能够在操作员身边协作，还支持在难以部署传统机器人的复杂、危险应用场合中作业。在诸如喷涂或去除大型舰船的油漆等应用中，通常操作员通常面临各种危险，包括化学品和高空坠落。而现在，可以部署机器人完成此工作，而无需执行在舰船上安装导杆、轨道或传感器这样过于复杂的任务。另一个应用是灾难恢复机器人，即部署机器人在陌生且险峻的地形中执行任务。

4、外科手术应用

降低风险、缩短手术时间和恢复时间依然是外科手术机器人的关注焦点。通过改善常规腹腔镜检查和关节镜检查技术，外科手术机器人在手术室人员身边以及对患者进行安全作业的同时，能够为外科医生提供更高的可见性、敏捷度、准确性和舒适度。

如今的外科手术机器人能够减少手术创伤，改善患者疗效，缩短接受前列腺、心脏、妇科手术和其他手术的患者的术后住院时间。随着新外科手术的开发、全球需求的增加，以及协作技术继续创新，外科手术机器人发展潜力无限。

二、工业自由度并联机器人的特点和应用领域介绍

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。

主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度;驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作;控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。

自由度并联机构种类较多，形式较复杂，主要有三自由度和六自由度并联结构，广泛应用在飞行模拟器、6维力与力矩传感器和并联机床等领域。其特点有：（1）结构紧凑，刚度高，承载能力大；（2）无累计误差，精度高；（3）占用空间小；（4）速度快，运动性能佳；（5）部件磨损小，寿命长。

工业自由度并联机器人的应用领域

并联机构多用于需要高刚度、高精度、高速度，无需大空间的场合，具体应用包括：

1、食品、医药、电子、化工行业的分拣、搬运、装箱等。

2、模拟运动;如飞行员三维空间训练模拟器;工程模拟器，如船用摇摆台等;检测产品在模拟的反复冲击、振动下的运行可靠性;娱乐运动模拟台。

3、并联机床

4、对接动作;如宇宙飞船的空间对接;汽车装配线上的车轮安装;医院中的假肢接骨。

5、承载运动;如大扭矩螺栓紧固;短距离重物搬运。

6、金属切削加工;可应用于各类铣床、磨床钻床或点焊机、切割机。

7、可用于测量机，用来作为其他机构的误差补偿器

8、微操作机器人;用于微动机构或者微型机构

9、机器人关节;可用作机器人的关节，爬行机构、食品、医药包装和移载机械手等

随着近年国内各行业的发展，涌现大量并联机器人企业，在市场和人才的共同作用下，国内并联机器人也大有赶超国外之势，并且国内拥有国外很多无法具备的先天优势，产业链、价格成本、技术更新以及市场促进都在激励这个行业的发展。

三、协作机器人的主要特点有哪些？

协作机器人是为与人直接交互而设计的机器人，即一种被设计成能与人类在共同工作空间中进行近距离互动的机器人，近几年协作机器人开始获得广泛关注。

传统工业机器人是在安全围栏或其他保护措施之下，完成诸如焊接、喷涂、搬运码垛、抛光打磨等高精度、高速度的操作。而协作机器人打破了传统的全手动和全自动的生产模式，能够直接与操作人员在同一条生产线上工作，却不需要使用安全围栏与人隔离。

协作机器人的主要特点有：

（1）轻量化：使机器人更易于控制，提高安全性。

（2）友好性：保证机器人的表面和关节是光滑且平整的，无尖锐的转角或者易夹伤操作人员的缝隙。

（3）部署灵活：机身能够缩小到可放置在工作台上的尺寸，可安装于任何地方。

（4）感知能力：可感知周围的环境，并根据环境的变化改变自身的动作行为。

（5）人机协作：具有敏感的力反馈特性，当达到已设定的力时会立即停止，在风险评估后可不需要安装保护栏，使人和机器人能协同工作。

（6）编程方便：对于一些普通操作者和非技术背景的人员来说，都非常容易进行编程与调试。

（7）使用成本低：基本上不需要维护保养的成本投入，机器人本体功耗较低。

协作型机器人作为一种新型的工业机器人，扫除了人机协作的障碍，让机器人彻底摆脱护栏或围笼的束缚，其开创性的产品性能和广泛的应用领域，为工业机器人的发展开启了新时代。

四、并联机器人按并联机构的自由度数分类

从运动形式来看，并联机构可分为平面机构和空间机构；细分可分为平面移动机构、平面移动转动机构、空间纯移动机构、空间纯转动机构和空间混合运动机构,另可按并联机构的自由度数分类：

（1）、2 自由度并联机构。

2 自由度并联机构，如5-R、3-R-2-P（R 表示转动副，P 表示移动副）平面5杆机构是最典型的2自由度并联机构，这类机构一般具有2 个移动运动。

（2）、3 自由度并联机构。

3 自由度并联机构各类较多，形式较复杂，一般有以下形式：平面3自由度并联机构，如3-RRR 机构、3-RPR 机构，它们具有2个移动和一个转动；球面3自由度并联机构，如3-RRR 球面机构、3-UPS-1-S 球面机构，3-RRR 球面机构所有运动副的轴线汇交空间一点，这点称为机构的中心，而3-UPS-1-S 球面机构则以S的中心点为机构的中心，机构上的所有点的运动都是绕该点的转动运动；

3 维纯移动机构，如Star Like 并联机构、Tsai 并联机构和DELTA 机构，该类机构的运动学正反解都很简单，是一种应用很广泛的3维移动空间机构；空间3自由度并联机构，如典型的3-RPS 机构，这类机构属于欠秩机构，在工作空间内不同的点其运动形式不同是其最显着的特点，由于这种特殊的运动特性，阻碍了该类机构在实际中的广泛应用；还有一类是增加辅助杆件和运动副的空间机构，如德国汉诺威大学研制的并联机床采用的3-UPS-1-PU 球坐标式3 自由度并联机构，由于辅助杆件和运动副的制约，使得该机构的运动平台具有1 个移动和2 个转动的运动（也可以说是3个移动运动）。

（3）、4 自由度并联机构。

4 自由度并联机构大多不是完全并联机构，如2-UPS-1-RRRR 机构，运动平台通过3 个支链与定平台相连，有2个运动链是相同的，各具有1 个虎克铰U ，1 个移动副P ，其中P 和1 个R 是驱动副，因此这种机构不是完全并联机构。

（4）、5 自由度并联机构。

现有的5 自由度并联机构结构复杂，如韩国Lee的5自由度并联机构具有双层结构（2 个并联机构的结合）。

（5）、6 自由度并联机构。

6 自由度并联机构是并联机器人机构中的一大类，是国内外学者研究得最多的并联机构，广泛应用在飞行模拟器、6维力与力矩传感器和并联机床等领域。但这类机构有很多关键性技术没有或没有完全得到解决，比如其运动学正解、动力学模型的建立以及并联机床的精度标定等。从完全并联的角度出发，这类机构必须具有6个运动链。但现有的并联机构中，也有拥有3 个运动链的6 自由度并联机构，如3-PRPS 和3-URS 等机构，还有在3 个分支的每个分支上附加1个5杆机构作这驱动机构的6自由度并联机构等。

五、并联机器人与串联机器人相比的优缺点是什么？

机器人从机构学的角度可以分为串联机器人和并联机器人两大类。串联机器人以开环机构为机器人机构原型；并联机器人为有一个或几个闭环组成的关节点坐标相互关联的机器人。

什么是串联机器人？

串联机器人是一种开式运动链机器人，它是由一系列连杆通过转动关节或移动关节串联形成的。采用驱动器驱动各个关节的运动从而带动连杆的相对运动，使末端焊枪达到合适的位姿。

什么是并联机器人？

并联机器人是指动平台和定平台，通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或者两个以上的自由度，以并联方式驱动的一种闭环的机器人。

并联机器人和传统工业用串联机器人在应用上构成互补关系，它是一个封闭的运动链，和串联机器人相比较，一般由上下运动平台和两条或者两条以上运动支链构成，运动平台和运动支链之间构成一个或多个闭环机构，通过改变各个支链的运动状态，使整个机构具有多个可以操作的自由度。

并联机器人与串联机器人相比的优缺点是什么？

1、简单点说，串联机器人就像人的一个手拿东西，而并联机器人就相当于两个手一起端东西。

2、串联机器人研究得较为成熟，具有结构简单，成本低，控制简单，运动空间大等优点，已成功应用于很多领域，如各种机床，装配车间等。

3、并联机器人的研究与串联机器人相比起步较晚，还有很多理论问题没有解决。

4、并联机器人具有刚度大，承载能力强，精度高，末端件惯性小等优点，在高速，大承载能力的场合，与串联机器人相比具有明显优势。已有很多成功应用的案例。比如运动模拟器，delta机器人等。

机器人应用

机器人、立体仓储等自动化设备系统的工作精度、工作效率有时是人工操作所达不到的。 随着科学技术的不断进步，世界机器人水平越来越高，越来越智能，它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。

那么机器人主要用于哪些行业和领域呢？机器人同立体仓储、智能控制系统、机器视觉、智能识别等系统一样，其任务是协助或取代人类工作的工作。

机器人在铁路公路隧道、矿山巷道、地下洞库、油田防波堤护坡工程等生产、建筑领域的应用非常广泛，而在世界各国也正积极研发，尝试机器人在战争军事等领域的应用。

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