任务一 根据拓扑结构分类
【任务描述】
根据工业机器人机械结构对应的运动链的拓扑结构，可以将工业机器人的结构分为3类：串联结构、并联结构和混合结构。本任务分别讲解3种结构的工业机器人的结构形式、特点、应用等。
【任务学习】
一、串联结构机器人
当各连杆组成一开式机构链时，所获得的机器人结构称为串联结构，如安川MH6型工业机器人。串联结构机器人（简称串联机器人）如图2-1所示，包括以底座为开始，以末端执行器为结束的一系列连杆和关节。它的连杆和关节常常被设计成可以提供独立平移和定方向的结构。由单一的一系列连杆和关节组成的机器人，就定义为串联机器人。当前工业机器人大多采用串联结构。
串联机器人的自由度较并联机器人多，要使串联机器人成为运动的机构，就需要更多的驱动器。一般来说，串联机器人每个连杆上都要安装驱动器，通过减速器来驱动下一个连杆，后续连杆的驱动器和减速器变成前面驱动系统的负载，因此，前端连杆强度和驱动功率要大，这决定了这种结构的能量效率不高。但其末端构件的运动与并联机器人中任何构件的运动相比，更为任意和复杂多样，有时可绕过障碍到达一定的位置。串联机器人采用计算机控制系统，可实现复杂的空间作业运动。串联机器人具有结构简单、成本低、控制简单、运动空间大等优点，有的已经具备快速、高精度和多功能化等特点。
经过近50年的发展，国内外的串联机器人技术已经较为成熟，尤其国外的串联机器人技术与应用已达到较高的成熟度。工业中，串联机器人的数量最多，应用领域也最广，比如喷漆、装配、搬运、焊接等。汽车生产线上多台串联机器人协同工作的现场如图2-2所示，多台串联机器人各司其职，相互配合完成工作。除传统工业行业领域外，串联机器人还应用于海洋开发、太空探测、精密仪器研发等新兴工业行业领域。
图2-1 串联机器人
图2-2 串联机器人在汽车生产线上工作
二、并联结构机器人
当末端执行器通过至少两个独立运动链和基座相连，且组成一闭式机构链时，所获得的机器人结构称为并联结构，并联结构机器人（简称并联机器人）如图2-3所示。
并联机器人由两个或两个以上串联机器人来支撑末端执行器。如Stewart平台，由6个串联链将一个末端平台连接到基座，如图2-4（a）所示。在设计阶段，并联机器人结构常采用的一个共同特性是：用相同结构且对称放置的腿连接基座和动平台。每条腿是具有一个或两个主动自由度的串联运动链，其余的自由度均为被动自由度。它的运动空间也具有对称性，但不是轴对称的。对称性由腿的数目和驱动关节的类型确定。
对6个转动自由度串联组成的工业机械手来说，负载与自重的比例基本上小于0.15，而并联机构中，此比例可大于10，并联机构承载能力强。Stewart平台的另一个优点就是定位精度很高，因为每条支链本质上只受到拉力或压力而几乎不产生弯曲，所以变形很小。
此外并联机器人还具有以下特点：①与串联机构相比刚度大，结构稳定；②运动负荷小；③在位置求解上，串联机构正解容易，但反解十分困难，而并联机构正解困难，反解却非常容易。由于机器人在线实时计算时要计算反解，因此这对串联机构十分不利，而对并联机构却容易实现。但目前的并联机器人机构普遍存在工作空间小、结构尺寸偏大、传动环节过多、工作空间内可能存在奇异位形等问题。
近年来几乎所有陆基式天文望远镜都采用了并联机构，用作主镜或副镜的校准系统。1995年执行STS-63任务的航天飞机中使用了线驱动的并联机器人，同时有一个八腿并联机器人被用于从振动中分离飞船的有效载荷。并联机器人非常适合高速度（如手爪）、高精度（如用于加工）或者处理高负荷的场合。ABB机器人公司推出的Flex Picker机器人就属于并联机器人，具有很好的销售市场，被广泛用于食品加工等行业，如图2-4（b）所示。
图2-3 并联机器人
图2-4 并联机器人示例
三、混合结构机器人
将串联机器人和并联机器人有机结合起来的机器人，即为混合结构机器人，或称混联机器人。混联机器人在结构上常有3种形式。
（1）并联机构通过其他机构串联而成
以并联机构替换基于串联机构中的某个关节或杆件，例如在传统的串联机器人的执行端插入并联机构，如图2-5和图2-6所示。此类混联机器人是最常见的。
图2-5 混联式搬运机器人总体布局
图2-6 混联机器人及应用
（2）并联机构直接串联在一起
这类混联机器人是将多个并联机构以串联机器人的设计思路进行结构设计的，例如将具有多个相同或不同自由度的并联机构通过转动副或移动副等其他运动副的形式串联在一起。此类机器人往往用于构造柔性机器人。
（3）在并联机构的支链中采用不同的结构
这类混联机器人是对并联机构的支链进行变形，尤其是替换或嵌入其他的并联机构，例如将具有多个相同或不同自由度的并联机构作为并联机器人的某一个或多个支链。
混联机器人既有并联机器人刚度好的优点，又有串联机器人工作空间大的优点，能充分发挥串联机器人、并联机器人各自的优点，进一步扩大机器人的应用范围，提高机器人的性能。
【思考与练习】
1. 简述串联结构机器人的结构形式、特点和应用。
2. 简述并联结构机器人的结构形式、特点和应用。
3. 简述混合结构机器人的结构形式、特点和应用。