机器人手臂的种类、应用与选择标准
机器人手臂指南
本指南将介绍机器人手臂的工作原理、可编程机器人手臂的种类，以及如何通过各种配件和附加模块扩展其功能。
什么是机器人手臂？
机器人手臂是一种被编程用于快速、高效且精确地执行特定任务或操作的机械设备。它们通常由电机驱动，广泛应用于需要长时间持续进行重负载或高重复性工作的场景，在工业生产、制造、机械加工和装配领域尤为常见。
典型的工业机器人手臂包含一系列关节、联动机构和机械手，其运动和功能（至少从纯机械角度）模仿人类手臂的结构。可编程机器人手臂既可以作为独立设备运行，也可以作为更大型复杂设备的组成部分。
如今，许多工业和商业环境中使用的小型机器人手臂多为桌面式安装并通过电子控制，大型设备则多为落地式。无论哪种类型，它们通常都由坚固耐用的金属材料制成，并配备4到6个关节。从机械结构上看，机器人手臂的主要关节（如肩、肘、前臂和腕部）的设计都对应并模仿了人类手臂的关键部位。
机器人手臂的类型
目前存在多种不同类型的机器人手臂，每种都针对特定的核心能力或功能进行设计，因此某些类型特别适合特定的应用场景或工业环境。大多数机器人手臂通过最多6个关节连接7个部分，由各种步进电机驱动并通过计算机控制，从而实现其“手”或末端执行器的高精度定位。在大多数工业应用中，通常会配备专用工具或附件，以执行高度特定的动作或可重复的关节运动序列。
区分不同类型机器人手臂的关键在于其关节的设计方式、运动范围以及能够执行的功能。本节将介绍几种全球广泛使用的可编程机器人手臂。
直角坐标型机器人手臂
直角坐标系是一个由X、Y、Z轴构成的空间坐标系，在普通图表中广泛使用。在机器人技术中，直角坐标机器人（或龙门式机器人）由三个关节组成，通过X、Y、Z三个坐标轴进行编程，控制其在三维空间中的直线运动。这类机器人手臂使用各种电机和线性执行器来定位工具或附件，并通过一系列直线运动改变位置进行操作。它们可以水平、垂直或顶置安装，广泛应用于零件加工、传送带上的拾放操作等场景。
极坐标/球坐标型机器人手臂
与圆柱坐标型机器人类似，极坐标或球坐标机器人是指在球形“工作范围”或潜在运动轨迹内操作的机器人。这是通过一个复合旋转关节、两个旋转关节和一个线性关节实现的。极坐标型机器人手臂通过扭转关节与基座连接，能够访问球形工作空间，适用于机床上下料、点焊、压铸和弧焊等类似应用。
SCARA型机器人手臂
SCARA机器人手臂在装配和拾放应用中应用最为广泛。SCARA是“选择性合规装配机器人手臂”（或“选择性合规关节机器人手臂”）的缩写，这意味着该机器人的某些轴可以保持刚性，而其他轴则允许有限的“柔性”（在机器人学中称为合规性）。
SCARA机器人手臂是高科技生产线中最典型的类型，其选择性合规能力使其成为理想选择。在特定装配或放置任务中，特定方向上的可控柔性非常有利，它可以在不卡住或损坏零件的情况下，将零件插入狭窄的空间。
机器人手臂的应用选择
机器人手臂可用于任何工业生产、加工和制造环节。如今，从精密电路板组装到汽车生产线等大规模重工业，各种规模的制造业都在使用各类机器人手臂。因此，了解哪种可编程机器人手臂适合何种环境和任务至关重要。
在任何情况下，为给定角色或任务选择合适的可编程机器人手臂类型时，都需要考虑目标应用的具体性质和要求。主要考虑因素包括：
负载能力
每种机器人手臂都有其额定负载容量，制造商指定的这一数值必须始终超过手臂预期承载的工具、附件和工件的总重量。不同类型的机器人手臂采用不同的框架设计，这会影响其整体负载能力。
安装空间
该标准通常由机器人手臂的安装占地面积、安装位置以及其预期动作范围与生产线上其他设备的配合程度来定义。某些类型的机器人手臂需要更大的基座或物理间隙来执行编程动作，这些因素需要从周边其他设备和操作人员的角度进行综合考虑。
运行速度
特别是在拾放应用中选择机器人手臂时，必须密切关注制造商标定的速度，尤其是在长距离运动时的加速度。对于某些类型的机器人手臂，可以通过更换皮带、电机和执行器来改变或升级速度评级。
移动范围
由于手臂挠度或支撑框架设计的差异，某些类型的机器人手臂在更大范围内的公差或精度可能会降低。如果应用需要负载在工作区域之间进行长距离移动，所要求的公差严格程度将决定哪种类型的机器人手臂适合（或不适合）执行该任务。
精度
某些可编程机器人手臂的设计使其运动范围或关节比其他类型更精确。这通常意味着更复杂的机械结构带来更高成本，并且可能需要在地面空间、速度、潜在移动距离和方向等其他因素之间进行权衡。对于许多工业应用（如拾放），极高精度的重复定位可能并非必需；但在加工应用中，精度则是优先于其他因素的关键考虑。同样，某些类型的手臂可以进行修改或升级以提高精度，但并非所有型号都支持。
工作环境
为特定地点选择合适类型的机器人手臂时，考虑工作环境的大气条件和潜在危险（包括灰尘、污垢和湿度水平）至关重要。物理安装空间、方向和运动范围也会影响特定型号或手臂类型是否适合特定环境的使用，需综合考虑其他设备和操作人员。
工作周期
这基本上评估的是机器人手臂的工作强度，以及所需的“休息”或维护间隔时间。不同型号和手臂类型需要不同的维护制度，包括润滑间隔和部件更换。在停机时间至关重要的环境中，为特定生产流程选择机器人手臂时必须考虑这一点。
上述标准通常统称为机器人的LOSTPED参数（负载、方位、速度、行程、精度、环境、工作周期）。
总结
机器人手臂非常适合需要重复性、一致性和极高精度的任务，以及人类难以安全操作的应用场景。它们速度快、精度高、可靠性强，几乎可以被编程无限次地执行各种任务。过去十年中，工业机器人手臂的购置成本大幅下降，使其应用范围比以前广泛得多。
无论是桌面型还是作为大规模生产线的一部分，机器人手臂目前普遍应用于以下广泛领域：
实验室研究
产品制造
工业自动化
自动装配
机器上下料
机器人手臂套件通常配备各种用于执行任务的附件，从夹爪和吸盘到提供复杂环境响应功能的多种传感器和机器人控制器。
