1959年，乔治·德沃尔（George Devol）和约瑟夫·恩格尔伯格（Joseph Engelberger）发明了世界上第一台工业机器人——尤尼梅特（Unimate）。它由巨大底座连接着一根机械臂构成，结构相对简单。六十多年后的今天，工业机器人已从单一的自由度发展至六轴甚至更多轴的联动，从仅限于在直线轨道上作业到能够在三维空间内灵活运动，其结构形式日益复杂多样，功能也更为强大。
图1 恩格尔伯格和尤尼梅特（图片来源于《星期日泰晤士报》）
根据机械结构形式，工业机器人总体上可分为串联、并联和串并混联机器人三大类。三者之间最大区别是机器人本体所采用的机构不同：
🔵 串联机构（serial mechanism）是从基座开始由连杆和关节顺序连接而构成的开式链机构。典型的串联机器人有坐标式机器人和关节式机器人。
🔵 并联机构(parallel mechanism)是动平台和静平台通过至少两条独立的运动链相连接，以并联方式驱动的一种闭链机构。典型的并联机器人有Delta机器人、Stewart机器人和五杆机器人。
🔵 串并混联机构则是以上两种机构的结合。
图2 工业机器人结构分类
串联机器人分类
串联机器人分为坐标式机器人和关节式机器人。坐标式机器人通过线性轴和旋转轴的组合来定义工作空间，适用于固定路径的精确操作；而关节式机器人通过多关节的灵活运动来实现大范围和复杂轨迹的操作，更适合需要高灵活性和多自由度的任务。
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坐标式机器人分类
坐标式机器人按照运动坐标形式划分，可分为柱面坐标型机器人、球面坐标机器人和直角坐标机器人。其中，直角坐标机器人与其他两类机器人相比，结构更简单，应用更广泛。
🔵 直角坐标机器人
直角坐标机器人，也被称为笛卡尔机器人，是一种相对简单的工业机器人。其通常由三个互相垂直的直线运动轴（X、Y、Z轴）组成，其工作空间为一长方体，能够提供较高的运动精度和良好的机械刚性，适合在不同高度的二维平面内定位、平移操作，例如，涂胶、点胶、钻孔以及上下料等。
图3 直角坐标机器人（来源于ENGEL官网）除了以上结构最简单的笛卡尔机器人，还有龙门式直角坐标机器人，也称桁架式机器人。其结构包括两根 X 轴水平固定梁、横跨在两根 X 轴水平梁之间的 Y 轴水平移动梁、Z 轴的垂直移动臂。由于有龙门结构的加持，该类型的直角坐标机器人能提供更大的负载、更好的刚性和精度，适用于体积大、重量重物品的搬运，例如集装箱出入库、车轮搬运、变压器堆芯等。
图4 桁架式机器人（来源于GÜDEL官网）总之，直角坐标型机器人的位置精度高，避障性好，但无法调节工具姿态，灵活性差，难以与其他机器人协调。
🔵 柱面坐标机器人
柱面坐标机器人主要由旋转基座、垂直移动和水平移动轴构成，具有一个回转和两个平移自由度，其动作空间呈圆柱形。
图5 柱面坐标机器人（来源于《星期日泰晤士报》）柱面坐标型机器人的位置精度仅次于直角坐标型，控制简单，刚性好、避障性好，但结构也较庞大，空间利用率低，难与其他机器人协调工作，两个移动轴的设计较为复杂，适用于在圆柱形工作空间内进行精确的物料搬运、喷涂等操作。
🔵 球面坐标机器人
球面坐标机器人，又称极坐标机器人，空间位置分别由回转、摆动和平移3个自由度确定，动作空间形成球面的一部分。
图6 球面坐标机器人（来源于《星期日泰晤士报》）球面坐标机器人占地面积较小、结构紧凑，所占空间体积小于直角坐标和柱面坐标机器人但通常大于关节式机器人，位置精度尚可，能与其他机器人协调工作，但避障性差，有平衡问题，位置误差与臂长有关，常用于大范围的上下料操作，如热压铸金属件的搬运等。
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关节式机器人分类
关节式机器人是由一系列关节和连杆串联而成的机械臂。其特点在于，每个关节的运动均会对后续关节的位置产生影响，能够模拟人类手臂的灵活运动，实现精准而复杂的运动轨迹和动作执行。关节式机器人通常以轴数进行区分，而“轴”指的是机器人关节内置的驱动轴。每个“轴”都能提供一个特定方向的独立运动，如水平旋转、垂直摆动或直线推进等。因此，“轴”的数量越多，表示该机器人越灵活。
🔵 四轴
四轴机器人能进行工作空间内平面的定位与Z轴方向的上下运动，还能进行绕Z轴方向的旋转运动。
四轴机器人目前主要有两种形式，一种是四个旋转关节串联而成的传统四轴机器人，另一种是SCARA机器人。
图7 传统四轴机器人（来源于安川电机官网）传统四轴机器人通常在动作连杆旁增加随动连杆，提高了机器人整体结构的刚性，加强了其承受负载的能力，就像是一个人拥有了更粗壮的手臂，能提起更重的物体。一般传统四轴机器人被用于产线上箱体的码垛、分拣和搬运。
图8 SCARA机器人（来源于ABB官网、《现代机器人学机构、规划与控制》）
SCARA机器人的全称是 Selective Compliance Assembly Robot Arm，即选择顺应性装配机器人手臂。它由3个旋转关节（R），一个移动关节（P），4个连杆串联而成，也称RRRP机器人。其工作空间和柱面坐标机器人类似，为圆柱体，擅长快速、重复、连贯点位运动，适用于小件上下料、小件装配、搬运、排序和包装等场景。
🔵 五轴
五轴机器人通常比四轴机器人多一个末端手腕摆动轴（如图8中Axis 5），具备在搬运途中调整物料姿态的能力。五轴机器人的主要价值体现在动作灵活性上的升级，但同时也降低了其最大负载，通常用于喷涂、复杂装配、焊接等领域。
图9 五轴垂直多关节机器人（来源于Yaskawa官网）🔵 六轴
六轴机器人具备六个旋转关节，每个关节都可以进行独立运动。与五轴机器人相比，六轴机器人通常多了一个末端手腕旋转轴（如图9中Axis 4），能实现绕六个关节轴线不同程度的旋转运动，这使得其末端执行器可以在三维空间内以不同角度进行定位和操作，增强了它在复杂环境中的避障能力和灵活性，适用于点焊、弧焊、喷涂、码垛、卸垛、包装、清洁、装配、检测等大部分工业场景。
图10 六轴机器人（来源于中国机器人网）此外，市场上还出现了一种创新设计的六轴折叠机器人，能够在闲置时折叠至紧凑形态，大幅节省空间。这种设计不仅保留了传统六轴机器人的功能特性，同时，还实现了更优的空间利用和更高的部署灵活性，尤其适合空间受限的作业场景。
图11 六轴折叠机器人（来源于EPSON官网）🔵 七轴
七轴机器人通常在传统六轴机器人的基础上增加了一个底部摆动轴（如图11中Axis 3），具备比六轴机器人更优秀的避障能力，能够实现更为复杂的运动轨迹和更广阔的运动范围，常用于喷涂、焊接等。
图12 七轴弧焊机器人（来源于Yaskawa官网）关节式机器人除了常见的四到七轴之外，还可以根据具体的应用需求进行更多的轴数配置，这些额外的轴通常被称为外部轴或附加轴，它们可以是机器人底座上的旋转台、滑轨系统或其他形式的运动机构，用于扩展机器人的工作范围、灵活性或适应特定的应用需求，来实现更复杂的路径规划或增强末端执行器的定位能力。
图13 装备滑轨的六轴机器人（来源于固都自动化官网）目前，SCARA机器人和六轴机器人在工业应用中比四轴和五轴机器人更为普遍。究其原因，可以从结构和综合使用成本两方面分析。
从结构来看，四轴和五轴机器人的工作范围和灵活性相对有限，难以满足复杂多变的工业需求。四轴机器人擅长平面内的高速拾取和放置任务，但垂直方向上的运动能力较弱，不适合需要多自由度操作的复杂任务。五轴机器人虽然在灵活性上有所提升，但仍不如六轴机器人能够提供全方位的运动能力。因此，六轴机器人在三维空间中的复杂任务处理上的能力更为突出。从综合使用成本来看，六轴机器人在市场上呈现“赢者通吃”的局面，巨大的市场摊薄了其综合成本。企业采购一台六轴机器人的总体成本往往低于使用多台四轴或五轴机器人。
另外，对于二维平面运动中的高节拍、高精度、高稳定性的作业需求，则是SCARA机器人更能胜任。企业采购SCARA机器人的综合成本也比采购传统四轴机器人、通用小型六轴机器人更低。此外，SCARA机器人还能通过调整连杆臂长度来适应不同的工作范围，以满足企业定制化需求，从而进一步降低了综合使用成本。
并联机器人
并联机器人的结构整体比串联机器人复杂，在工业应用上以Detla机器人最为常见。此外，被人们熟知的还有Stewart机器人和五杆机器人。这些并联机器人因其独特的结构，在需要高精度和高速度的操作任务中显示出独特的优势，如精密装配、快速分拣和重载环境模拟等领域。
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Delta机器人
Delta机器人是典型的空间三自由度并联机构，整体结构精密、紧凑，驱动部分均匀分布于固定平台。Delta机器人与直角坐标机器人一样适合进行二维平面内定位、平移的操作，同时其承载能力强、自重负荷比小、动态性能好。并行三自由度机械结构，稳定性好，重复定位精度高，能实现超高速拾取物品，广泛应用于食品包装行业的物料搬运、电子高科技行业的零部件分拣等。
图14 Delta机器人（来源于ABB官网）0
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Stewart机器人
Stewart机器人是经典的六自由度并联机器人，也是世界上出现的第一种并联机器人。该机器人为六自由度，有六条支链，每条支链的两端为球副，中间由一移动副联接两杆。由于其刚度高和重负载的优点，Stewart机器人常被用于各种重载的模拟台，例如飞行模拟器、地震模拟台、零部件测试台、航天对接装置等。
图15 Stewart机器人（来源于《现代机器人学机构、规划与控制》）
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五杆机器人
五杆机器人是结构最简单的并联机器人，具有两个自由度，可以在平面上做二维移动，通常与平行四边形机构配合使用，以保证末端执行器的姿态不变。它主要应用于食品、医药、3C等领域的高速短程搬运。
图16五杆机器人（来源于AtomRobot官方网站）
串并混联机器人
串并混联机器人（Serial-Parallel Hybrid Robot）是一种结合了串联机器人和并联机器人优点的机器人。它通过将串联机构的大范围运动能力和并联机构的高精度和高刚性特性有机地结合起来，实现了在三维空间内的高灵活性、高精度和高负载能力。这种机器人并没有特定的结构形式，现有的串并混联机器人通常以并联机构为底座，提供稳定精确的定位能力，以串联机构作为延展，提高辅助末端执行器的可达性和避障能力。其在精密装配、零件加工、医疗手术辅助、物料搬运等多个领域展现出卓越的性能，适用于复杂运动任务。
近几年，一种能够让人与机器人在同一共享空间中协同作业的协作机器人出现在工业场景中，它们越来越多地渗透到制造业、医疗、物流等多个行业中，并且市场对其应用需求持续升温。
协作机器人（简称cobot或co-robot）是基于人机交互理念设计的智能设备，具备易用性、灵活性、安全性和共融性，使它们能够与人类实现高效的协同作业。安全性作为人机协作的基石，主要通过采用轻质材料、边缘圆滑设计以及速度或力的限制来保障，同时借助先进的传感器和软件技术，确保在共同的工作空间内实现安全、近距离的互动。
当前市面上的协作机器人大多为关节式构造，其结构与传统关节式机器人类似，多以四轴和六轴形式出现。然而，协作机器人以其更高的轴集成度、更小的身形、更轻巧的体态脱颖而出，外部覆盖件普遍采用光滑的曲面和圆角造型，最大程度地提升机器人的 “亲和力”和与人类的友好性。
图17 六轴协作机器人(来源于UR官网)综合来看，工业机器人在结构设计方面不断取得突破，展现出其在制造业中的巨大潜力。串、并联机器人在灵活性、刚度和动态性能上存在显著差异，它们各有所长。在实际应用场景中，这两种机器人并非相互替代，而是相互补充，共同提升整体效能。串并混联机器人则集成了串联机器人的大工作空间和高灵活特性，以及并联机器人的快速响应和高刚度特性，实现了两者优势的结合。
表1 串、并联机器人比较
未来，工业机器人将朝着提高功率密度、实现轻量化、多自由度、兼容多种材料、模仿人体结构、高负重与自重比及实现一体化机构等方向发展，实现人机共融。不同工业机器人将无缝交互，适应动态工作场景，并成为云化机器人，核心控制单元迁移到云端，通过网络连接实现实时计算和智能控制，使工业生产更适应市场需求，实现柔性生产，推动制造业向智能、高效发展！
