很多人在設(shè)計(jì)一款新機(jī)器人的時(shí)候，第一件事就是去“調(diào)研”，除了市場(chǎng)調(diào)研之外，機(jī)械工程師很多時(shí)候是去查某一家有什么專利，怎么設(shè)計(jì)的，用的什么電機(jī)、減速機(jī)、多少減速比之類。而對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，很可能會(huì)去買圖紙，可能是淘寶、可能是一些專業(yè)抄數(shù)的，也可能是有些人把自己設(shè)計(jì)過(guò)的機(jī)器人圖紙拿出來(lái)賣。
你是不是以為我要講從道德上如何譴責(zé)這樣種行為？Too young too simple！“抄”絕對(duì)是一門藝術(shù)，抄到超越原作的例子多了去了。而且咱們這不打口水戰(zhàn)，只談技術(shù)。
我這篇文章要講的是，但凡你在網(wǎng)上能找到的圖紙其實(shí)都是沒(méi)有用的，專業(yè)抄數(shù)的圖紙又是你買不起的，我自己也找到幾份圖紙模型，都是很粗糙的作品。大部分可能是畢業(yè)設(shè)計(jì)或者業(yè)余愛(ài)好者的作品，也有了解過(guò)抄數(shù)或者專業(yè)賣圖紙的，這種當(dāng)然比你去淘寶或者網(wǎng)上免費(fèi)下載的好一些，但如果你想靠這些圖紙去做出一個(gè)好產(chǎn)品，那你就要三思了。
你能拿到的圖紙絕對(duì)不會(huì)是什么大公司的產(chǎn)品圖紙，大公司對(duì)圖紙保密都比較嚴(yán)格，不會(huì)輕易流出來(lái)，別人輕易不敢賣，大多數(shù)是一些拿著一份圖紙?zhí)竭@家小公司做一做，再跳到另一家小公司改一改，你想這要真的是一份好產(chǎn)品的圖紙，好的機(jī)器人公司就不會(huì)這么少了，大家都不需要做研發(fā)，去買圖紙就好了。
這是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。即使你拿到抄數(shù)的圖紙，外觀、結(jié)構(gòu)都可以抄，但工藝是很難抄的。哪怕你拿到了四大家族的機(jī)器人圖紙，你也做不到人家的水平，因?yàn)楣に嚹悴恢?。我曾?jīng)曾經(jīng)去參觀過(guò)四大家之一的機(jī)器人裝配線，只能走專門的參觀路線，走馬觀花，快速走過(guò)，而且還有專人盯著你，防止你拿出手機(jī)拍攝，可見(jiàn)人家對(duì)裝配工藝的保密程度。
裝配順序、裝配手法、檢測(cè)手段、裝配工具這些都是圖紙里看不到的工藝，有些工藝甚至都無(wú)法形成文檔。所以，有一個(gè)很老的梗是，國(guó)內(nèi)抄國(guó)外的某個(gè)設(shè)備，看到國(guó)外圖紙上多了一個(gè)孔，也不知道有什么用，但既然國(guó)外加這個(gè)孔，那我也加。工藝這種東西就是一層紙，捅破了就是那回事，不捅破就是那么神秘。也有一個(gè)在日本很常見(jiàn)的現(xiàn)象，某個(gè)簡(jiǎn)單的工位，一個(gè)老頭可以干幾十年。各位，不管什么事情，你要是能明日復(fù)一日年復(fù)一年干上十年，你就是這方面的專家。所以呢，做機(jī)器人也是一樣，別總想著彎道超車，該踩的坑一個(gè)也繞不過(guò)，把坑一個(gè)一個(gè)填平了，產(chǎn)品就出來(lái)了?！?/div>
第二
劃重點(diǎn)
今天到底講什么干貨
廢話這么多，我們今天要講的呢？很簡(jiǎn)單就是把現(xiàn)在市場(chǎng)上比較常見(jiàn)的SCARA結(jié)構(gòu)介紹給大家。圖紙呢，沒(méi)有，爛的圖紙我也不好意思給你，我設(shè)計(jì)過(guò)的圖紙呢，我也不敢給你，也給不了，都在公司電腦里，層層把關(guān)保管著。但是呢，我把現(xiàn)在市場(chǎng)上常見(jiàn)的SCARA結(jié)構(gòu)分了一下類，把每一類的結(jié)構(gòu)都給大家介紹一下，有哪些優(yōu)點(diǎn)，哪些缺點(diǎn)，這比你去淘一份圖紙要好多了。特別說(shuō)明，這些知識(shí)比較適合新手，大神請(qǐng)繞道?。?/strong>另外呢，我后面也會(huì)整理一下設(shè)計(jì)SCARA的時(shí)候要注意的地方。你要設(shè)計(jì)SCARA，哪些坑是你可能會(huì)遇到的，雖然我不太方便告訴你我們是怎么繞過(guò)去，但至少你知道前面有坑可以先把憋口氣再準(zhǔn)備一下再跳下去是吧。
4 H/ j- k0 m$ }) a4 \( |' _. j4 p; W 重點(diǎn)說(shuō)明：下面所講的結(jié)構(gòu)都根據(jù)各個(gè)廠家給出的公開(kāi)資料做的合理猜測(cè)，文中所說(shuō)的“類似”“相同”等字眼是指廠家之間的理念相似，沒(méi)有誰(shuí)挑誰(shuí)的說(shuō)法，我也不知道哪個(gè)產(chǎn)品在前哪個(gè)產(chǎn)品在后。文章也僅供交流學(xué)習(xí)。
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5 m/ i. {9 d: S) ~$ I# HEpson G系列
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產(chǎn)品特征
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J2、J3、J4電機(jī)呈直線排列
從上圖可以看到，G系列的2、3、4軸電機(jī)呈直接排列，而且J3軸電機(jī)比J4軸的電機(jī)要大，原因是J3軸是絲桿的上下運(yùn)動(dòng)，力較大，而且是一級(jí)同步帶減速（絲桿本身也有減速作用），所以J3軸電機(jī)還是在帶剎車的，為的是斷電的時(shí)候負(fù)載不會(huì)輕易下降（這是對(duì)小負(fù)載來(lái)說(shuō)，大負(fù)載的話，J3、J4都會(huì)加剎車）。J4軸電機(jī)則使用兩級(jí)同步帶減速，控制絲桿的旋轉(zhuǎn)。
電機(jī)呈直線排列的好處是，整個(gè)關(guān)節(jié)可以收窄，變得比較細(xì)長(zhǎng)，但是缺點(diǎn)也是比較明顯的，由于J3軸電機(jī)離J2軸旋轉(zhuǎn)中心比較遠(yuǎn)，又是稍大的電機(jī)，整個(gè)二關(guān)節(jié)的慣量會(huì)增大很多，這對(duì)機(jī)器人的性能是有非常大的影響的。高中物理老師告訴我們，慣量乘以角加速度等于扭矩。在扭矩一定的情況下，慣量增加了，角加速度自然就下來(lái)了。" n2 `/ @) m. V# s
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J3、J4軸耦合設(shè)計(jì)
不僅是G系列，Epson的所有SCARA都是采用J3、J4軸耦合的設(shè)計(jì)，意思是J3、J4軸是聯(lián)動(dòng)的。想要絲桿單純上下運(yùn)動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)都需要同時(shí)運(yùn)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。耦合的原因是用了滾珠絲桿花鍵軸，簡(jiǎn)稱絲桿花鍵。就是下面這貨。
絲桿花鍵，顧名思義就是把滾珠絲桿和滾珠花鍵集成到了一起。制作工藝非常復(fù)雜。目前業(yè)界做得最好的當(dāng)然是日本的THK，很大一塊市場(chǎng)份額都在THK手里，另外，咱們的灣灣、大陸、韓國(guó)也有個(gè)別廠家在做。基本上這幾家我們都一一做過(guò)詳細(xì)的測(cè)試，THK排第一，這實(shí)至名歸，其他廠家的話，也各有優(yōu)劣，有興趣的朋友可以在留言區(qū)討論。
采用絲桿花鍵的好處是可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，但缺點(diǎn)也很明顯，就如同iphone X出來(lái)時(shí)大家朋友圈所“揭秘”的缺點(diǎn)一樣——就是貴??！不管絲桿花鍵的這種設(shè)計(jì)還是比較普遍的，大部分廠家都會(huì)采用這種設(shè)計(jì)。
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J1、J2軸中空設(shè)計(jì)
G系列還有一個(gè)特點(diǎn)是J1、J2軸都采用了中空中線的設(shè)計(jì)，而且，Epson并沒(méi)有采用標(biāo)準(zhǔn)的中空組合型減速機(jī)，Epson采用的是諧波減速機(jī)的三件套——鋼輪、柔輪、波發(fā)生器，然后自行設(shè)計(jì)支撐軸承。
G3 _5 n6 K. m6 D( x& X, ~$ x
這樣的好處是成本更低，結(jié)構(gòu)更緊湊，但是這是大廠家、高手的玩法，因?yàn)槿椎难b配、支撐的設(shè)計(jì)、密封等等都比較困難，很容易出問(wèn)題，國(guó)內(nèi)很多減速機(jī)廠家自己都沒(méi)搞清楚，而且出問(wèn)題了這責(zé)任就不好界定了，是三件套品質(zhì)問(wèn)題還是客戶設(shè)計(jì)問(wèn)題呢？所以你會(huì)發(fā)現(xiàn)，HDS在中國(guó)幾乎不銷售三件套，其他廠家也很少賣或者根本就沒(méi)有。而大部分國(guó)內(nèi)客戶也比較偏向選用組合型，可以降低裝配難度。
采用中空走線的好處是，沒(méi)有外部的波紋管，外觀看起來(lái)更簡(jiǎn)潔，防護(hù)等級(jí)也可以做得更高，比如倒掛型的SCARA一般就都采用中空走線。但中空走線對(duì)線纜的性能要求會(huì)更高，因?yàn)橹锌兆呔€的空間更小，線纜的活動(dòng)范圍更小，這樣機(jī)器人在快速來(lái)回運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)線纜的磨損會(huì)加快。當(dāng)然這隨之也會(huì)相對(duì)增加成本，像EPSON這種中空設(shè)計(jì)是稍復(fù)雜了一點(diǎn)。
7 g0 S3 D/ c1 U6 r+ G5 Y$ F$ OIAI IX系列
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產(chǎn)品特征
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J2、J3、J4軸呈直線排列
與Epson的G系列相同，IAI也采用了2、3、4軸電機(jī)直線排列的布局設(shè)計(jì)。
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J4軸使用了一個(gè)行星減速機(jī)
G系列的J4軸采用的是同步帶兩級(jí)減速，而IAI則使用了一個(gè)行星減速機(jī)。該行星減速機(jī)是一段比，即減速機(jī)在10以下，采用行星減速機(jī)之后結(jié)構(gòu)自然是簡(jiǎn)化了，但是行星減速機(jī)會(huì)大大增加了二關(guān)節(jié)的重量與慣量，而且行星減速機(jī)背隙一般會(huì)比較大，背隙1弧分以下的行星非常貴，所以個(gè)人認(rèn)為這個(gè)設(shè)計(jì)并不是太好。一般只在大負(fù)載的SCARA，因?yàn)闇p速比要比較大，用同步帶減速設(shè)計(jì)在體積上會(huì)同步輪會(huì)比較大，所以才會(huì)選用一個(gè)行星減速機(jī)。不過(guò)目前據(jù)我所知，IAI的SCARA在中國(guó)的市場(chǎng)占有率也不大。
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波紋管走線
IAI在走線方面采用了傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)的外部波紋管走線的設(shè)計(jì)，這是最常見(jiàn)的設(shè)計(jì)。
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Epson LS系列
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產(chǎn)品特征
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J2、J3、J4軸電機(jī)呈三角形布局
LS系列我個(gè)人認(rèn)為是G系列的改進(jìn)版，將J2、J3、J4電機(jī)呈三角形布局，即把J3、J4都往后拉，慣量大大減少了，性能有很大提升。同樣，J4軸也采用兩組同步帶傳送，整體結(jié)構(gòu)非常緊湊。
其實(shí)本來(lái)我是想放的是Adept 的Cobra機(jī)器人，似乎Adept才是最早采用這種三角布局的廠家，也正是因?yàn)槌扇切?，所以Adept才把這款SCARA命名為Cobra（眼鏡蛇），因?yàn)楦坨R蛇的頭很像。但是很遺憾我沒(méi)有找到Cobra的結(jié)構(gòu)圖，要講解起來(lái)就比較麻煩。剛好LS也是這種結(jié)構(gòu)，所以就以LS系列作為例子。
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外部波紋管走線
LS系列也是采用外部波紋管走線，這進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，而且減少了二關(guān)節(jié)的中間零件，這也進(jìn)一步減少了慣量，也有利于性能的提升。也難怪LS系列在中國(guó)成了爆款，銷售遙遙領(lǐng)先。也正因?yàn)槿绾?，LS系列的個(gè)別型號(hào)價(jià)格壓得很低，低到幾乎是國(guó)內(nèi)同等規(guī)格設(shè)計(jì)的成本價(jià)。因此，這個(gè)規(guī)格的SCARA競(jìng)爭(zhēng)相當(dāng)慘烈，國(guó)內(nèi)做得人特別多，但是精品倒真不多。
) J$ O; ^* F: D- {YAMAHA WK系列
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產(chǎn)品特征
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J3、J4軸非耦合設(shè)計(jì)
YAMAHA的J3軸和J4軸采用了另一種設(shè)計(jì)概念，即把J3、J4軸獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，每一個(gè)電機(jī)控制一種運(yùn)動(dòng)，這樣的好處是，把一根絲桿花鍵變成了一根絲桿和一根花鍵，這在價(jià)格上也不是一加一等于二，一根絲桿花鍵的價(jià)格可比一根絲桿加一根花鍵要貴得多，而且絲桿和花鍵的廠家就多了去了。因此，也這是國(guó)內(nèi)SCARA設(shè)計(jì)的另一個(gè)主要方向，可以降低不少成本。但是呢，便宜總是有代價(jià)，這個(gè)方案我們最早也做過(guò)樣機(jī)測(cè)試，在裝配上會(huì)有比較大的難度，要保證絲桿與花鍵要有很高的平行度能才保存精度，這對(duì)大批量生產(chǎn)的一線工人的裝配要求就高了，而且絲桿和花鍵的總重量要大一些，這也影響了機(jī)器人的性能，所以最終我們放棄了這種方案。
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無(wú)同步帶設(shè)計(jì)
YAMAHA機(jī)器人最大的特點(diǎn)就是沒(méi)有同步帶。
其J3軸采用的是電機(jī)與絲桿直連，而J4軸則是采用了特殊的中空電機(jī)連接一個(gè)中空的諧波減速機(jī)再連接花鍵螺母，帶動(dòng)花鍵旋轉(zhuǎn)。
這種設(shè)計(jì)的好處是，沒(méi)有同步帶，所以就沒(méi)有了同步帶的磨損、張力調(diào)節(jié)、壽命等問(wèn)題。維護(hù)更少，這也是YAMAHA一直宣傳的亮點(diǎn)。但是，同樣的問(wèn)題，電機(jī)太靠前，甚至比EPSON的G系列還要靠前，整體的慣量還要更大，還多了一個(gè)諧波減速機(jī)，這其實(shí)對(duì)機(jī)器人的性能影響非常大。而且，把同步帶減速換成一個(gè)諧波，這里的成本是增加的，而選用中空電機(jī)，這又比普通電機(jī)要貴得多（相對(duì)于國(guó)內(nèi)環(huán)境來(lái)說(shuō)，YAMAHA的采購(gòu)成本肯定要比我們低得多）。所以，國(guó)產(chǎn)的SCARA很少采用這種中空電機(jī)與減速機(jī)的方案，會(huì)想辦法把J4軸電機(jī)通過(guò)同步帶往后面拉，算是經(jīng)濟(jì)性改良版。
+ ?: r% N/ | o! J0 k1 A, l% yStaubli TP80
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產(chǎn)品特征
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最大化的減少機(jī)器人末端的慣量
TP80是目前世界上最快的SCARA，沒(méi)有之一！作為世界之最，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自然非比尋常。首先，TP80本身的設(shè)計(jì)額定負(fù)載就只有0.5KG，意味著這一臺(tái)超輕負(fù)載的機(jī)器人。另外，Staubli的工程師腦洞大開(kāi)，想盡辦法把電機(jī)盡可能往基座上拉，大大減小了機(jī)器人的慣量。
如上圖所示，TP80的J1軸電機(jī)在基座的上方，而一般放在一關(guān)節(jié)的J2軸電機(jī)也放到了基座里，通過(guò)同步帶傳到J2軸上，而原本應(yīng)該在二關(guān)節(jié)的J4軸電機(jī)也放到了一關(guān)節(jié)上，J3軸電機(jī)雖然還留在二關(guān)節(jié)上，但也盡量往旋轉(zhuǎn)中心放置，因此整機(jī)機(jī)器人本體就非常輕，慣量非常小，所以特別快。同時(shí)線纜也隱藏在機(jī)器人內(nèi)部，外觀很有科技感。
當(dāng)然，這也是有代價(jià)的，創(chuàng)新的設(shè)計(jì)帶來(lái)的是裝配難度的大大增加，因此這款產(chǎn)品的產(chǎn)量一直不高，另外，創(chuàng)新的設(shè)計(jì)也使得這款產(chǎn)品成本很高，也這讓原來(lái)喜歡它的客戶望錢生嘆，可遠(yuǎn)觀而不可褻玩！
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標(biāo)準(zhǔn)壁裝設(shè)計(jì)
一般的SCARA都以地面安裝為標(biāo)配，而TP80則標(biāo)配是側(cè)面安裝，確切的原因不太清楚，不知是應(yīng)用的需要，還是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的妥協(xié)。但這也意味著TP80與其他廠家是無(wú)法通用的，用TP80就得設(shè)計(jì)一個(gè)特殊的支架才行。這對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，有些時(shí)候也會(huì)是一個(gè)糟點(diǎn)。
% G8 v1 C! B {5 G9 s* x4 aDENSO HSR系列
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產(chǎn)品特征
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最漂亮的SCARA
作為壓軸的產(chǎn)品，我認(rèn)為DENSO的這一款SCARA是我心中最漂亮的SCARA，絕對(duì)沒(méi)有之一。大音稀聲這個(gè)詞可以用來(lái)形容這款產(chǎn)品。線條非常簡(jiǎn)潔，不像TP80那樣線條分明，但是整體讓人看了眼前一亮，性能方面已不是重點(diǎn)，光是顏值就已經(jīng)Hold住全場(chǎng)。
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小慣量設(shè)計(jì)
與TP80類似，HSR也盡量減少了機(jī)器人的慣量。首先，J1軸電機(jī)還是在基座的下方，與大多數(shù)機(jī)器人類似。但至于用的是否是諧波減速機(jī)，目前不太清楚。正常來(lái)說(shuō)SCARA用的絕大多數(shù)是諧波，而TP80的J1軸用的是RV，但HSR讓我有疑問(wèn)是因?yàn)椋琀SR在650mm臂長(zhǎng)的時(shí)候，標(biāo)稱的重復(fù)定位精度居然達(dá)到0.012mm。要知道其他廠家在這個(gè)臂長(zhǎng)標(biāo)稱都是0.02mm，雖然我們實(shí)測(cè)也比0.02mm小，但是考慮在不同的點(diǎn)位會(huì)有一點(diǎn)偏差，而且考慮到長(zhǎng)期的磨損問(wèn)題，我們會(huì)有一點(diǎn)冗余，所以保守地標(biāo)0.02mm，而DENSO直接標(biāo)到0.012mm，目前不知道是因?yàn)樗麄冇刑厥獾脑O(shè)計(jì)使得精度進(jìn)一步提升，還是他們標(biāo)了一個(gè)更有野心的值，這個(gè)精度是否全工作空間適合還有穩(wěn)定時(shí)間我是比較疑惑的。
DENSO把J2軸電機(jī)放到一關(guān)節(jié)上，而且是放到了J1軸的旋轉(zhuǎn)軸上。這樣雖然比不上TP80放到基座那樣減少了重量（實(shí)際加上同步輪、軸承等設(shè)計(jì)也未必能減多少），但整體結(jié)構(gòu)比TP80要簡(jiǎn)化了一些。
至于J3、J4軸，目前官網(wǎng)并沒(méi)有公開(kāi)說(shuō)明其設(shè)計(jì)，所以目前我也不太清楚。我的猜測(cè)是J3、J4軸電機(jī)還是在二關(guān)節(jié)上，可能其中有一個(gè)電機(jī)放在了J2軸旋轉(zhuǎn)軸上，進(jìn)一步減少了慣量，甚至有可能J4軸電機(jī)使用了中空電機(jī)。當(dāng)然，這些純屬我的YY，目前這款機(jī)器人在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有銷售，如果有讀者了解其結(jié)構(gòu)的話，歡迎在留言區(qū)分享出來(lái)。
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優(yōu)美的走線設(shè)計(jì)
雖然HSR也采用了外部走線，但是，與其他SCARA不同的是，DENSO并沒(méi)有使用傳統(tǒng)的波紋管，而是采用了一種非標(biāo)的支撐結(jié)構(gòu)，應(yīng)該是自己開(kāi)模設(shè)計(jì)的，因?yàn)楸容^小，我一開(kāi)始還以為只是一個(gè)裝飾。后來(lái)看了宣傳視頻才了解到J2軸電機(jī)放到J1軸旋轉(zhuǎn)軸，那么J2軸電機(jī)線纜就不需要經(jīng)過(guò)這個(gè)線纜支撐，即里面的線變少了。
看圖片DENSO似乎把前面的線纜變集成為一條大的線纜，也有可能是視頻制作的簡(jiǎn)化。如我前面講過(guò)，如果真是這樣的設(shè)計(jì)的話一般是定制線纜，生產(chǎn)上會(huì)方便一些，也簡(jiǎn)潔，但是線纜的柔性會(huì)下降，轉(zhuǎn)變半徑會(huì)變大，更容易磨損，所以我也挺好奇DENSO這一款的壽命測(cè)試結(jié)果是怎樣的。
總之，目前對(duì)這款機(jī)器人的性能還是結(jié)構(gòu)了解還不太多，相信等在國(guó)內(nèi)批量銷售之后，性能與結(jié)構(gòu)的揭密就會(huì)出來(lái)了。
: p1 P. ?% M/ ]08
01-2018
謝謝垂閱
最后說(shuō)兩句：不知不覺(jué)雜七雜八寫(xiě)了不少，統(tǒng)計(jì)了一下已經(jīng)有5千字，一般閱讀需要16分鐘，微信文章怕寫(xiě)太長(zhǎng)大家看得累，所以SCARA機(jī)器人的設(shè)計(jì)要點(diǎn)就放到下一篇了。這一篇如果有哪里寫(xiě)得不清楚，大家想進(jìn)一步了解的，歡迎在留言區(qū)留言。
7 W, A6 d% i( x, g
發(fā)表于 2018-1-8 20:02:09
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