Шестиосевой робот-манипулятор: устройство, грузоподъёмность и применение

ГОСТ Р 60.0.0.4-2023 называет промышленным роботом автоматически управляемый перепрограммируемый манипулятор, который программируется по трём или более степеням подвижности. Шестиосевой манипулятор собран из шести вращательных шарниров, которые идут один за другим. Манипулятор с тремя и более вращательными шарнирами стандарт относит к шарнирным роботам, поэтому в каталогах ту же машину называют шарнирным роботом-манипулятором, 6-осевым манипулятором или антропоморфным роботом.

Так выглядит привычный по фотографиям цехов промышленный робот: поворотное основание, плечо, локоть и кисть. Остальные кинематические схемы (SCARA, дельта-робот, портал) разобраны в обзоре всех видов роботов-манипуляторов.

В паспортах пишут «ось», в ГОСТ «степень подвижности». Это одно и то же: направление вращательного или поступательного движения робота, а в обиходе и сам механический шарнир.

Чтобы задать, где находится тело и как оно повёрнуто, нужно не больше шести переменных: три координаты и три угла. ГОСТ так и определяет пространственное расположение манипулятора: позиция плюс ориентация рабочего органа. Шесть независимых осей дают роботу ровно этот набор. Он может привести захват, горелку или шпиндель в любую точку рабочей зоны и развернуть инструмент под нужным углом.

Если осей меньше, часть ориентаций недоступна: инструмент смотрит, например, только вниз. Если больше, появляется запас. Тогда одну и ту же позу робот может принять несколькими способами.

Первые три оси образуют руку. По ГОСТ рука объединяет звенья и приводные шарниры между основанием и запястьем, её оси называют главными степенями подвижности. Последние три оси образуют запястье: оно стоит между рукой и инструментом и поддерживает, позиционирует и ориентирует рабочий орган. Рука приносит фланец в нужную область пространства. Запястье поворачивает инструмент.

Первая ось поворачивает всю машину на основании, вторая качает плечо, третья сгибает локоть. Четвёртая вращает предплечье, пятая наклоняет кисть, шестая крутит фланец с инструментом. FANUC обозначает оси J1–J6, и у лёгкого LR Mate 200iD на 7 кг и у тяжёлого M-2000iA/2300 на 2300 кг схема одна. Разница видна в диапазонах и скоростях.

У шести последовательных осей есть слабое место: сингулярные конфигурации. ГОСТ предупреждает, что движения, заданные в декартовых координатах рядом с точками сингулярности, могут вызывать высокие скорости шарниров, неожиданные для оператора. Типичный случай для такой схемы: ось вращения предплечья и ось фланца выстраиваются в одну линию, и контроллер не может однозначно решить, какую из них поворачивать. Программист обходит такие позы, слегка наклоняя инструмент или меняя траекторию.

Первым роботом с шестью осями на электромеханическом приводе IFR называет Famulus, которого KUKA построила в 1973 году, перейдя от роботов Unimate к собственным. Годом позже ASEA показала IRB 6, первый полностью электрический робот с микропроцессорным управлением. Он повторял движения человеческой руки, но осей у него было пять, а груз составлял 6 кг.

В 1978 году Unimation/Vicarm при поддержке General Motors сделала PUMA, программируемую универсальную машину для сборки. В 1979 году Reis выпустила RE 15, первый шестиосевой робот с собственной системой управления, а Nachi перевела роботов точечной сварки с гидропривода на электродвигатели. Дальше схема росла в обе стороны: в 2008 году FANUC выпустила M-2000iA с грузоподъёмностью почти 1200 кг, а в 2016 году появился Meca500 массой 4,6 кг вместе с контроллером и грузом 0,5 кг.

Номинальная нагрузка по ГОСТ: максимальная нагрузка на механический интерфейс робота при нормальных условиях эксплуатации без ухудшения характеристик. На фланец ставят захват, поэтому его масса входит в ту же цифру, что и деталь: чем тяжелее захват, тем меньше остаётся на груз.

Грузы у шестиосевых роботов отличаются на порядки. LR Mate 200iD размером примерно с руку человека несёт 7 кг на 717 мм и повторяет точку с точностью ±0,01 мм. ESTUN ER20B-1760 рассчитан на 20 кг и 1760 мм, ER220-3100 на 220 кг и 3100 мм. FANUC M-2000iA/2300 весит 11 т, поднимает 2300 кг на 3734 мм и, по словам производителя, легко переносит целый автомобиль. Чем тяжелее робот, тем медленнее оси: шестая ось LR Mate крутится со скоростью 1000°/с, у M-2000iA/2300 только 40°/с.

Промышленный робот-манипулятор с грузоподъёмностью 1000 кг в серии есть: KUKA KR 1000 titan несёт 1000 кг на 3202 мм, ставится на пол и работает от контроллера KR C5. Вся серия перекрывает 750–1300 кг, а исполнение для паллетирования берёт до 1,3 т. Производитель перечисляет блоки двигателей, камень, стекло, стальные балки и бетонные изделия, которые робот переносит на расстояние до 6,5 м. Ещё больше поднимает FANUC M-2000iA/2300, и производитель сравнивает его с кранами, подъёмниками и челноками.

Лёгкий шестиосевой робот не обязательно стоит на полу. LR Mate 200iD допускает монтаж на пол, под углом и в перевёрнутом положении, причём вверх ногами, по данным FANUC, он сохраняет полную рабочую зону. Так робот вешают над столом или над станком и освобождают место внизу.

Тяжёлые M-2000iA/2300 и KR 1000 titan в паспортах допускают только напольный монтаж. KUKA отдельно пишет, что KR 1000 titan встраивается в существующие системы без переделки фундамента. Рабочую зону задают диапазоны осей. Первая ось LR Mate 200iD поворачивается на 340°, шестая на 720°, поэтому кабели и шланги к инструменту прокладывают с запасом на полный ход фланца.

Число осей у одной и той же руки бывает разным. ESTUN выпускает ER10B-900-MI в шести-, трёх- и четырёхосевом исполнении с одинаковыми 900 мм и 10 кг. Каждая лишняя ось стоит денег и усложняет программу, поэтому шестиосевой робот берут тогда, когда без поворота инструмента не обойтись.

Трёхосевой манипулятор переносит деталь, но управлять её ориентацией почти не может. Среди трёхосевых машин есть свой класс, декартов робот: у него три поступательных шарнира, которые образуют прямоугольную систему координат. Четырёх осей хватает, когда деталь кладут сверху вниз: так работают SCARA на сборке и тяжёлые укладчики вроде четырёхосевого ESTUN ER500-3200-PL на 500 кг. Пятиосевые модели тоже есть, например ESTUN ER350-3300-5 на 350 кг. У семиосевого робота седьмая ось лишняя: с ней он обходит препятствия, а инструмент остаётся на месте.

Сварочный шов идёт по сложной траектории, и горелку на всём пути нужно держать под заданным углом. Для этого нужны оси запястья, поэтому сварочный робот обычно и выглядит как шестиосевая рука.

Шестиосевые роботы-манипуляторы при станках с ЧПУ загружают заготовки и снимают готовые детали. Российский RusRobot RR 120-2900 предназначен для обслуживания станков с ЧПУ, транспортировки деталей и паллетирования. Компактный LR Mate 200iD в герметичном исполнении IP67 FANUC предлагает встраивать прямо в станок.

Тяжёлые грузы перекладывает и паллетирует KR 1000 titan: его выпускают в исполнении паллетайзера, а для большей зоны ставят на линейные оси. Для простой укладки мешков и коробок чаще хватает четырёх осей, этот класс разобран на странице «паллетайзер».

Рядом с людьми правила другие. Коботы устроены похоже, но ограничивают силу и скорость, поэтому клетка им не нужна. ГОСТ допускает установку промышленного робота и на мобильную платформу. Так получается автономный робот-манипулятор, иногда на колёсах всенаправленного движения: мобильный манипулятор сам подъезжает к станку или стеллажу.

Шесть осей нужны стационарной руке, которая ориентирует инструмент. Мобильные машины решают другую задачу: робот-доставщик возит посылки по маршруту, промышленный робот-уборщик моет полы в цехе и торговом зале. Человекоподобный робот (гуманоид) несёт две руки на подвижном корпусе и относится к отдельному классу машин. Промышленный экзоскелет вообще не работает сам: он разгружает спину и руки человека, который поднимает груз.

Серийные российские модели выпускает челябинский «Завод Роботов». В ноябре 2024 года он представил шестиосевые RusRobot RR 120-2900 и RR 60-2100 грузоподъёмностью 120 и 60 кг. С открытия в феврале 2024 года до ноября завод поставил заказчикам более 200 манипуляторов. Партнёр завода, компания «Русский Робот», написала собственное программное обеспечение для всей линейки от 6 до 150 кг. В мае 2025 года RR 120-2900 вошёл в реестр российской промышленной продукции.

Из импортных линеек широкий выбор шестиосевых моделей у ESTUN: в каталоге есть роботы и на 4 кг, и на 700 кг.

Начинают с детали: её массы вместе с захватом, самой дальней точки, до которой нужно дотянуться, и такта. Эти три числа отсекают лишние модели ещё до запроса цен.

• Груз на вылете. Паспортная грузоподъёмность включает захват, а допустимый момент на запястье падает с вылетом. Для тяжёлой детали на длинном захвате нагрузку считают, а не верят одной цифре в каталоге.
• Скорость тяжёлых моделей. У M-2000iA/2300 оси поворачиваются со скоростью 14–40°/с. Быстро перекладывать лёгкие детали таким гигантом бессмысленно: нужен робот своего класса или дельта-робот.
• Сингулярности. Рядом с особыми позами скорости шарниров резко растут. Траекторию сначала гоняют в симуляции, потом на медленном ходу.
• Лишние оси стоят денег. Если деталь кладут только сверху вниз, четырёхосевой робот или портал справится дешевле и проще в программировании.
• Безопасность. Обычный шестиосевой робот работает в ограждённой ячейке. Без клетки рядом с людьми работают только коботы со своими ограничениями силы и скорости.