并联与串联机器人，哪种更优？

核心定义与比喻

想象一下你如何去拿桌上的一个杯子。

• 串联机器人: 就像你用你的手臂去拿杯子，你的肩膀、肘部、手腕依次运动，手（末端执行器）的运动是所有关节运动的叠加，你的基座（身体）是固定的,运动从根部传递到末端。

• 并联机器人: 就像你用你的手掌去拿杯子，你的手掌（末端执行器）同时被五根手指支撑着，每根手指都直接连接到手掌和你的手腕（基座），手掌的运动是所有手指协同作用的结果，多个“支链”同时连接基座和末端执行器。

这个比喻抓住了两者最核心的区别：运动传递的方式。

结构对比

优缺点总结

串联机器人

优点:

1. 工作空间大： 能够到达广阔的区域,适合执行大范围任务。
2. 灵活性高： 结构简单，易于设计和扩展,可以轻松实现6自由度甚至更多自由度。
3. 运动学简单： 正运动学求解容易,控制相对直观。
4. 成本相对较低： 结构和制造工艺成熟,成本可控。

缺点:

1. 精度低： 误差累积效应严重,不适合对精度要求极高的应用。
2. 刚度低，承载小： 负载时易变形,不适合重载或高刚性要求的场合。
3. 速度慢： 受大惯量影响,难以实现高速运动。
4. 动力学性能差： 末端执行器的动态响应慢,振动较大。

并联机器人

优点:

1. 精度高： 误差不累积,定位精度非常高。
2. 刚度高，承载大： 结构稳定，能承受大负载和切削力,变形小。
3. 速度快，加速度高： 动平台质量轻,动态响应极快。
4. 动力学性能好： 运动平稳,振动小。

缺点:

1. 工作空间小： 运动范围受限，像在一个“笼子”里工作。
2. 结构复杂： 设计和制造难度大,特别是关节和驱动器的布置。
3. 运动学复杂： 正运动学求解困难,实时控制计算量大。
4. 成本较高： 精密部件多,制造成本高。

典型应用场景

基于各自的优缺点,它们的应用领域有明显的区分。

串联机器人的应用：

• 工业领域：
  • 弧焊、点焊： 汽车制造业的典型应用，工作空间大,能覆盖整个车身。
  • 喷涂、涂胶： 如飞机、汽车的喷涂,需要大范围覆盖。
  • 搬运、码垛： 仓库物流中,需要将货物在不同位置之间移动。
  • 装配： 电子产品、家电等产品的组装。
• 服务领域：
  • 协作机器人： 与人类在共享空间安全协作，如KUKA LBR iiwa, UR系列。
  • 医疗手术机器人： 如达芬奇手术机器人,需要灵巧的操作和较大的工作范围。
  • 教育、科研： 作为教学和研究的平台。

并联机器人的应用：

• 高速分拣与包装：
  • Delta机器人（并联机器人最经典的代表）：在食品、医药、电子等行业，用于高速抓取和放置物体,每分钟可达数百次。
• 高精度加工：
  • 并联机床： 将刀具安装在动平台上，进行高速铣削、钻孔等加工,精度和刚性远超传统串联机床。
• 模拟器：
  • 飞行/驾驶模拟器： 动平台可以模拟飞机、汽车的加速、转向、俯仰等各种运动,提供逼真的体感。
• 精密测量与定位：

  作为高精度的定位平台，用于光学仪器校准、半导体制造等。

• 医疗领域：
  • 放射治疗： 如CyberKnife（射波刀），利用并联机器人精确定位肿瘤,进行放射治疗。

串联机器人是“全能选手”，擅长做大范围、中等精度的通用任务；而并联机器人是“专项冠军”，在需要极致精度、速度和刚度的特定领域表现卓越。 两者并非相互替代，而是互补的关系,共同构成了现代机器人技术的重要组成部分。

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