【AI教我学工业机器人】第二章：工业机器人的分类及专业名词解析

回顾第一章，我们了解了工业机器人的发展历程，工业机器人的定义以及行业的发展情况。在本章中，我们对工业机器人进行分类，并探索一些在工业机器人领域常见的专业名词。这将有助于我们对工业机器人有进一步的认识，便于与业内人士进行交流。

由于机器人的分类有多种区分方法，笔者在这里主要通过比较普遍的三种方式进行分类：根据拓扑结构进行分类、根据坐标系进行分类、根据控制方式进行分类。

第一关：根据拓扑结构，工业机器人可以如何分类？

根据拓扑结构，工业机器人可以分为以下几类：

1. 串联机器人：串联机器人是由多个连续的关节组成，沿着一个或多个连续的轴进行运动。它们的关节之间通过链式传动方式连接，常见的形式有SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm，选择性合作装配机械手臂）和PUMA（Programmable Universal Machine for Assembly，可编程通用装配机）等[1][6]。

2. 并联机器人：并联机器人由多个平行的连杆和执行器组成，这些连杆和执行器通过连接机构固定在基座和末端执行器之间。并联机器人的特点是具有较高的刚性和精度，并可以在末端执行器上实现多自由度运动。常见的并联机器人有Delta机器人和Stewart平台等[1][6]。

3. 混合机器人：混合机器人是将串联和并联结构有机结合起来的一种机构。它在结构上既具有串联机器人的机械臂特点，也具备并联机器人的高刚性和精度。混合机器人的结构形式多样，可以根据具体的应用需求进行设计和优化[7]。

需要注意的是，以上分类是根据拓扑结构进行划分的。不同的分类方式可能会有不同的细分和命名方式，具体的分类标准和命名方式会因厂商、行业和研究领域的不同而有所差异。工业机器人领域的发展也在不断推动着新的机器人结构和分类方法的出现[1][3][4]。

为了进一步了解串联机器人、并联机器人、混合机器人，我们需要进行进一步的了解，完成以下支线任务。

支线任务一：串联结构机器人的结构形式是怎么样的？特点是什么？有哪些应用？

串联结构机器人是一种常见的工业机器人结构形式，其基本结构是由多个连续的关节组成，形成一个机械臂的链式结构。常见的串联结构机器人包括SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm，选择性合作装配机械手臂）和PUMA（Programmable Universal Machine for Assembly，可编程通用装配机）等[1][3]。

串联结构机器人的特点如下：
- 灵活性高：串联机器人具有较高的自由度，可以实现复杂的运动轨迹和姿态控制。
- 自由度大：串联机器人的关节数量决定了其自由度的多少，可以进行更加灵活的运动。
- 工作空间广：串联机器人的链式结构使得其工作空间相对较大，可以适应不同的工作场景。
- 结构简单：串联机器人由多个关节组成，结构相对简单，易于控制和维护。

串联结构机器人在许多领域有广泛的应用：
1. 汽车制造：串联机器人可以用于汽车装配线上的焊接、涂装、旋转等工艺。
2. 电子制造：串联机器人可以实现电子元件的精确组装和测试。
3. 物流和仓储：串联机器人可以用于货物的搬运、分类和堆垛等任务。
4. 精密加工：串联机器人可以完成精密加工工艺，如雕刻、打磨和抛光等。

需要注意的是，以上特点和应用是一般性的描述，具体的串联机器人结构形式和应用场景还会因不同的厂商和行业而有所差异[1][3][4]。

支线任务二：并联结构机器人的结构形式是怎么样的？特点是什么？有哪些应用？

并联结构机器人是一种常见的工业机器人结构形式，其基本结构是由动平台和静平台通过至少两个独立的运动链相连接而成的闭环机构。并联机器人的特点包括以下几点：

1. 高刚性：并联机器人采用平行连杆结构，具有较高的刚性，能够保持姿态的稳定性和精确性。

2. 高精度：由于使用平行连杆结构，使得并联机器人的误差不会累积，具有较高的定位精度和重复定位精度。

3. 多自由度：并联机器人通常具有多个自由度，可以实现复杂的运动和灵活的姿态控制，适用于需要多轴协同工作的任务。

4. 快速响应：并联机器人的运动部件较轻，惯性较小，能够快速响应运动指令，适合高速运动和快速操作的应用场景。

5. 大负载能力：并联机器人具有较高的负载能力，能够承受较大的力和重量，适用于需要进行大型物体搬运或加工的任务。

并联结构机器人在许多领域有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：

1. 航空航天：并联机器人可用于航空航天领域的装配、维修和测试等任务，能够完成对航天器件的高精度组装和检测。

2. 汽车制造：并联机器人可以应用于汽车生产线上的焊接、涂装、装配和零部件测试等工艺环节，提高生产效率和产品质量。

3. 医疗领域：并联机器人在手术机器人系统中有广泛应用，可以进行精确的手术操作，提高手术的安全性和准确性。

4. 电子制造：并联机器人能够实现对电子元件的高精度组装和测试，提高电子产品的制造质量和生产效率。

5. 教育和科研：并联机器人可以用于教育培训和科学研究，帮助学生和科研人员学习和研究机器人控制、运动规划和智能算法等相关领域的知识。

需要注意的是，并联机器人的特点和应用会因不同的厂商和行业而有所差异，具体的机器人型号和应用场景可能会有所不同[2][3][4]。

支线任务三：混合结构机器人的结构形式是怎么样的？特点是什么？有哪些应用？

混合结构机器人是一种将串联结构和并联结构相结合的机器人形式。它的结构由多个串联式机械臂与一个并联式机械臂相连接而成，形成一个复杂的机器人系统。混合结构机器人的特点和优势如下：

1. 结构复杂多样：混合结构机器人由不同类型的机械臂组成，可以灵活地进行多种运动和任务。
2. 高刚性和精度：混合结构机器人采用并联结构的部分具有较高的刚性和精度，可以实现精确控制和稳定性。
3. 多自由度和灵活性：混合结构机器人通常具有较多的自由度，能够实现复杂的运动轨迹和灵活的姿态控制。
4. 适应性广：混合结构机器人可以适应不同的工作场景和任务需求，具有较大的工作空间和负载能力。
5. 应用丰富多样：混合结构机器人可用于工业制造、物流和仓储、医疗手术、航空航天等多个领域。例如，混合结构机器人可以在工厂中完成装配、焊接和搬运等工艺，也可以在医院的手术室中进行精确的手术操作。

需要注意的是，混合结构机器人的具体形式和应用场景会因厂商和行业的差异而有所不同。因此，在实际应用中，具体的混合结构机器人可能会有不同的设计和功能特点。

以上三个支线任务从拓扑结构分别了解三种结构机器人的结构形式、特点及应用场景。除此之外，我们还应该对他们之间的差别进行比较。

支线任务四：串联结构机器人、并联结构机器人、混合结构机器人之间有什么不同，有什么优劣？

串联结构机器人、并联结构机器人和混合结构机器人是三种常见的工业机器人结构形式，它们在结构和特点上有所不同，各自具有一定的优势和劣势。

1. 串联结构机器人：
- 基本结构：串联结构机器人由一系列连接在一起的关节和连杆组成，形成一个连续的链状结构，末端装有执行器或工具。
- 特点：
  - 结构相对简单，成本较低。
  - 较小的惯性和较高的运动精度，适用于精密定位和操作。
  - 可以实现较大的工作范围和轨迹规划。
- 应用：
  - 适用于需要精确定位和操作的任务，如装配、焊接、零件搬运等。

2. 并联结构机器人：
- 基本结构：并联结构机器人由动平台和静平台通过两个或多个独立的运动链连接而成的闭环机构。
- 特点：
  - 高刚性和高精度，能够保持姿态的稳定性和精确性。
  - 多自由度，可以实现复杂的运动和灵活的姿态控制。
  - 快速响应能力，适用于高速运动和快速操作。
  - 较高的负载能力，适用于需要搬运或加工大型物体的任务。
- 应用：
  - 航空航天、汽车制造、医疗、电子制造、教育和科研等领域。

3. 混合结构机器人：
- 基本结构：混合结构机器人是将串联结构和并联结构相结合的机器人形式。它由多个串联式机械臂与一个并联式机械臂相连接而成，形成一个复杂的机器人系统。
- 特点：
  - 结构复杂多样，能够灵活地进行多种运动和任务。
  - 具有较高的刚性和精度，并能实现复杂的运动轨迹和灵活的姿态控制。
  - 适应性广，能够适应不同的工作场景和任务需求。
- 应用：
  - 工业制造、物流和仓储、医疗手术、航空航天等多个领域。

各种结构的机器人具有不同的特点和适用领域。选择合适的机器人结构要根据具体任务和要求进行评估和选择，以实现最佳的性能和效果。

在这里，我们可以看出，AI之前问题的“记忆”对当前回答产生了一定的影响

第二关：根据坐标系，工业机器人可以如何分类？

根据搜索结果，工业机器人可以根据其坐标系进行分类。常见的工业机器人坐标系包括大地坐标系、基坐标系、工具坐标系、工件坐标系和用户坐标系。具体分类如下：

1. 大地坐标系：也称为世界坐标系，以地面平面作为参考，通常用于多个机器人在车间内定位到同一个位置点，提高协同工作效率。

2. 基坐标系：基坐标系是指机器人的底盘作为参考平面。通过基坐标系可以实现机器人的整体定位和运动控制。

3. 工具坐标系：工具坐标系是指装在机器人末端的工具或执行器的坐标系，用于描述工具相对于机器人整体的位置和姿态。

4. 工件坐标系：工件坐标系是指机器人操作的目标工件的坐标系。通过工件坐标系可以确定工件的位置和姿态，以实现精确的操作和加工。

5. 用户坐标系：用户坐标系是根据用户需求设定的坐标系，用于满足特定的操作和控制要求。

工业机器人的分类按照不同的坐标系主要是为了实现对机器人的动作和位置的精确定位和控制。不同坐标系的选择和使用，依赖于具体的应用场景和任务需求。

我们可以看出，AI主要是通过对整个环境进行分类。此外，我们还可以继续在“工具坐标系、工件坐标系”中继续向内探讨。包括直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、球坐标机器人、关节机器人、平面关节机器人。我们可以采用和第一关支线任务中类似的思路进行探索。在这里，为了精简，我们笼统来了解下他们之间的异同。

支线任务一：直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、球坐标机器人、关节机器人、平面关节机器人分别有什么特点，有什么异同？

直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、球坐标机器人、关节机器人和平面关节机器人是工业机器人根据其坐标形式进行分类的几种常见类型。它们各具特点，同时也存在一些异同之处。

1. 直角坐标机器人：
- 特点：直角坐标机器人的空间运动是通过三个相互垂直的直线运动来实现的。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，因此直角坐标机器人可以实现较高的位置精度。然而，相对于机器人的结构尺寸来说，其运动空间相对较小。
- 应用：直角坐标机器人主要用于装配和搬运作业，例如悬臂式、龙门式和天车式等。

2. 圆柱坐标机器人：
- 特点：圆柱坐标机器人的空间运动是通过一个回转运动和两个直线运动来实现的。具有较大的工作范围和运动自由度。
- 应用：圆柱坐标机器人常用于需要进行旋转和轨迹运动的任务，如自动装配、焊接和喷涂等。

3. 球坐标机器人：
- 特点：球坐标机器人的空间运动是通过一个回转运动、一个旋转运动和一个直线运动来实现的。具有较大的工作范围和灵活的运动能力。
- 应用：球坐标机器人常用于需要进行球面运动或在球面上操作的任务，如喷涂、切割和抛光等。

4. 关节机器人：
- 特点：关节机器人的空间运动是由多个关节连接而成，每个关节可以实现独立的旋转或转动运动。具有较高的灵活性和自由度。
- 应用：关节机器人广泛应用于装配、搬运、焊接、雕刻等多种任务，是工业机器人中最常见的类型。

5. 平面关节机器人：
- 特点：平面关节机器人的运动是通过两个垂直于工作平面的旋转关节和一个平移关节来实现的。适用于进行平面内的定位和运动。
- 应用：平面关节机器人常用于需要进行平面内操作的任务，如电子零件组装、贴装等。

这些机器人的特点主要体现在其坐标形式和运动方式上。直角坐标机器人适用于需要高精度定位的任务，圆柱坐标机器人适用于需要旋转和轨迹运动的任务，球坐标机器人适用于球面运动或在球面上操作的任务，关节机器人适用于需要灵活性和自由度的任务，平面关节机器人适用于平面内的定位和运动的任务[1][3][4][5][8]。

根据上面已有的经验，我们丰富一下我们的问题

第三关：根据控制方式，工业机器人可以如何分类？各种分类的特点是什么？有什么异同？

根据控制方式，工业机器人可以按照不同的方式进行分类。常见的分类方式包括点位控制、连续轨迹控制、力（力矩）控制和智能控制四种。

1. 点位控制：该控制方式通过控制机器人末端执行器在作业空间中的离散点上的准确定位来实现。主要要求机器人能够快速、准确地在不同的点位之间运动。这种控制方式适用于需要精确定位的任务，如机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业[2][6]。

2. 连续轨迹控制：这种控制方式可以实现机器人按照给定轨迹进行连续运动。相对于点位控制，连续轨迹控制要求机器人末端执行器能够沿着规定的轨迹运动。这种控制方式适用于需要连续焊接和喷涂等作业[2][5][6]。

3. 力（力矩）控制：力控制是指机器人能够根据感知到的外部力或力矩进行动态调整和控制。通过力控可以实现对机器人在与环境、工件等接触过程中产生的力的控制和调节。这种控制方式适用于对力和力矩敏感的任务，如装配、抓取和拧紧等[1]。

4. 智能控制：智能控制是基于人工智能和机器学习等技术的控制方式。通过对环境、工件、传感器数据等的感知和分析，机器人能够根据实时情况调整自身的动作和决策。智能控制能够使机器人更加灵活、智能地适应不同的任务需求，提高工作效率和质量[6]。

这些控制方式在工业机器人中具有不同的特点和应用范围。点位控制适用于精确定位的任务，连续轨迹控制适用于沿规定轨迹运动的任务，力控制适用于对外部力敏感的任务，智能控制则可以实现对环境的即时感知和自适应控制[1][2][5][6]。

在这里，笔者不得不提的是，作者之所以说AI成为人类的第六个感觉器官（详见本系列文章的前言部分，点击链接可跳转），是因为我们可以发现AI搜索相比于普通的搜索能够串联起之前回答的“记忆”，回答多个问题，并将多个问题的答案进行整合输出。这三点是普通浏览器所不能比拟的。AIGC时代，信息将变得冗余、繁杂，人们真正需要的是结构化的信息、清晰的思考路径。

第四关：专业名词

在这个关卡中，读者需要了解专业名词的概念和意义。由于机器人是一个实战性、图形化的领域，所以如果你想要进一步了解这些名词，笔者建议与实物或图片进行对应

支线任务一：自由度

工业机器人的自由度是指机器人机构能够独立运动的关节数目。根据设计和控制的方式不同，工业机器人的自由度可以有不同的数量。

目前工业机器人的自由度一般分为4个或者6个。 关节机器人是最常见的一种类型，它的自由度通常为6个，模仿人的手臂进行设计。其他类型的工业机器人如直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、球坐标机器人和平面关节机器人等，其自由度的数量根据设计和控制的特点而有所不同。

自由度的数量直接影响机器人的灵活性和可执行的动作类型。较高的自由度意味着机器人具有更大的灵活性和多样化的运动能力，可以自由地在多个方向上进行运动和定位。较低的自由度则限制了机器人的运动范围和可执行的动作类型。

工业机器人的自由度是衡量其动作灵活性的重要指标，对于不同的应用领域和任务需求，可以选择适合的自由度数量的机器人来完成工作。

支线任务二：定位精度

工业机器人领域的定位精度是指机器人实际达到目标位置时与期望位置之间的偏差。根据网络搜索结果，工业机器人的定位精度通常包括两个指标：绝对定位精度和重复定位精度[1][2][4][7][8]。

1. 绝对定位精度：指机器人实际位置与指令位置之间的偏差。这个指标衡量了机器人在一次运动中到达目标位置的准确度。绝对定位精度与所使用的传感器、运动控制算法等因素有关。较高的绝对定位精度意味着机器人能够更准确地到达目标位置[2][4]。

2. 重复定位精度：指机器人多次运动后到达相同目标位置的位置偏差。这个指标反映了机器人的稳定性和重复性能力。通过多次运动，检查机器人到达相同目标位置时的位置偏差，可以评估机器人的重复定位精度。较小的重复定位精度意味着机器人能够稳定地重复到达同一个位置[2][3][7][8]。

定位精度在工业机器人领域非常重要，它直接影响着机器人在各种任务中的准确性和稳定性。较高的定位精度可以提高工业机器人的工作效率和质量。

支线任务三：重复定位精度

在工业机器人领域，重复定位精度是指机器人多次运动后到达相同目标位置时的位置偏差。重复定位精度是工业机器人的重要性能指标之一，它反映了机器人的稳定性和重复性能力。

根据网络搜索结果，重复定位精度通常受到伺服系统特性、进给系统的间隙与刚性以及摩擦特性等因素的影响。它是一个非常重要的精度指标，一般呈正态分布的偶然性误差，影响一批零件加工的一致性。

通过多次运动，检查机器人到达相同目标位置时的位置偏差，可以评估机器人的重复定位精度。较小的重复定位精度意味着机器人能够稳定地重复到达同一个位置[2][3][7][8]。

工业机器人的重复定位精度是非常重要的，它直接影响着机器人在各种任务中的准确性和稳定性。较高的重复定位精度可以提高工业机器人的工作效率和质量。

支线任务四：工作空间

在工业机器人领域，工作空间是指机器人末端执行器在运动过程中可以到达的空间范围，也可以理解为机器人可以操作的可达区域。工业机器人的工作空间的形状和大小是非常重要的，它直接影响着机器人能够执行的任务和操作的范围。

机器人的工作空间通常由机械结构和关节角度的限制决定。具体形状和尺寸取决于机器人的设计和构造。在规划机器人任务时，了解工作空间可以帮助我们确定机器人能够到达的位置和姿态，从而决定其适用的工作场景和任务。

工业机器人的工作空间常用于衡量机器人的活动范围，机器人无法到达超出工作空间的目标。工作空间的种类有三种，分别是全工作空间、可达工作空间和灵巧工作空间。全工作空间指的是机器人给定所有位姿时，末端可以到达的所有目标点的集合；可达工作空间指的是未安装末端执行器的情况下机器人可以到达的空间；灵巧工作空间指的是机器人可以自由运动和灵活操作的空间范围。

在工业机器人的设计和应用过程中，了解和合理利用工作空间可以提高工业机器人的工作效率和灵活性，满足不同任务的要求。

支线任务五：最大速度

在工业机器人领域，最大速度是指机器人在执行任务时，末端执行器能够达到的最大运动速度。最大速度是工业机器人的一个重要性能指标，它直接关系到机器人在工作过程中的效率和生产能力。

根据搜索结果，工业机器人的最大速度通常由关节转速和末端执行器的线速度（或角速度）共同决定。在机器人的说明书中，会明确列出各个关节的最大转速。而末端执行器的最大线速度通常较少给出具体数值，需要根据具体机器人型号和设计参数进行判断。

工业机器人的最大速度在实际应用中具有一定的差异。一般来说，通用工业机器人的最大直线运动速度大多在1000mm/s以下，最大回转速度一般不超过120°/s[4]。当然，具体的最大速度还会受到机器人关节类型、负载要求、安全性考虑以及任务特点等因素的影响，因此不同机器人品牌和型号之间的最大速度也会有所差异。

工业机器人的最大速度直接影响其在生产线上的工作效率和响应能力。较高的最大速度可以使机器人快速完成各种任务，提高生产效率和适应复杂工艺要求。但在实际使用中，也要考虑安全性、稳定性和准确性等因素，以确保机器人在高速运动时能够保持稳定和准确。

支线任务六：承载能力

在工业机器人领域，承载能力是指机器人在进行操作时能够承受的负载大小。承载能力是工业机器人的一个重要性能指标，对于机器人的工作能力和应用范围有很大的影响。

根据搜索结果，工业机器人的承载能力通常指机器人能够携带的负载的重量或惯性力矩。具体的承载能力参数会因机器人的设计和结构而有所不同。一般来说，工业机器人的承载能力会在其技术参数中明确列出。

承载能力的大小对于机器人的应用范围至关重要。较大的承载能力可以使机器人能够处理较重的物体或执行需要较大力矩的任务。而较小的承载能力可能限制了机器人的应用场景和操作能力。

需要注意的是，承载能力不仅与机器人自身的设计和结构有关，还受到使用情况、安全性等因素的影响。在实际应用中，需要根据具体任务和工作环境来评估机器人的承载能力，以确保操作的安全性和稳定性。

综上所述，工业机器人领域中的承载能力是指机器人能够承受的负载大小，它是机器人重要的性能指标之一，对于机器人的应用范围和工作能力具有重要影响。

附录

最后，附上提问附录：第二章：工业机器人的分类及专业名词解析