工业机器人的主体结构的基本形式

工业机器人的主体结构

工业机器人的机械系统一般由一系列连杆、关节或其他形式的运动副所组成。机械系统通 常包括机座、立柱、腰关节、臂关节、腕关节和手爪等，构成一个多自由度的机械系统。如果 工业机器人的机身具备行走机构便构成行走机器人；如果机身不具备行走及腰转机构，则构成 单机器人臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端执行器是直接装在手腕上的一个重要部 件，它可以是两手指或多手指的手爪，也可以是喷漆枪、焊枪等作业工具。

主体结构的基本形式

工业机器人主体结构中各个关节运动副和连杆构件组成了不同的坐标形式。常见的主体 结构形式有：直角坐标形式、圆柱坐标形式、球面坐标形式、关节坐标形式。

1. 直角坐标形式机器人

如图4.1所示，这一类机器人手部空间的位置变化是通过沿 着三个相互垂直的轴线移动来实现的，这类形式的机器人常应用 于生产设备的上下料和高精度的装配和检测作业。一般直角坐标 形式机器人的手臂可^垂直上下移动轴方向），并可以沿着 滑架和横梁上的导轨^行水平二维平面的移动（义，^方向）。显 然直角坐标形式机器人结构具有3个自由度。

直角坐标形式机器人具有如下优点：

图4.1 直角坐标机器人

结构简单。

编程容易，在尤，r，z三个方向的运动没有耦合，便 于控制系统的设计。

直线运动速度快，定位精度高，避障性能较好。

同时由于该类型机器人必须采用导轨，也有如下缺点和问题：

(1)动作范围小，灵活性较差。

(2)导轨结构较复杂，维护比较困难，导轨暴露面大，不如转动关节密封性好。

(3)结构尺寸较大，占地面积较大。

(4)移动部分惯量较大，增加了对驱动性能的要求。

2.圆柱坐标形式机器人

圆柱坐标机器人（见图4.2)通过两个移动和一个转动来实现手部空间位置的改变，其主 体具有3个自由度：腰部转动、升降运动，手臂伸缩运动。

圆柱坐标形式机器人主要有如下优点：

控制精度较高，控制较简单，结构紧凑。

对比直角坐标形式，在垂直和径向的两个往复运动可以采用伸缩套筒式结构，在腰 部转动时可以把手臂缩回去，从而减小了转动惯量，改善了力学负载。

圆柱坐标形式机器人的主要缺点是：由于机身结构的原因，手臂不能到达底部，减小了 机器人的工作范围，同时结构也较庞大。

3.球面坐标形式机器人

如图4.3所示，机械手能够做里外伸缩移动，在垂直平面内摆动已经绕底座在水平面 内移动，因为这种机器人的工作空间形成球面的一部分，故称为球面坐标机器人，其设计 和控制系统比较复杂，美国Unimation公司的Unimation系列机器人就是球面坐标形式的 代表，其手臂伸缩采用液压驱动的移动关节，绕垂直和水平轴线的转动也采用了液压伺服系统。

球面坐标形式机器人的特点是：占地面积较小，结构紧凑，位置精度尚可，但避障性能 较差，存在平衡问题。

图4.2 圆柱坐标机器人

图4.3 球面坐标机器人

4.关节坐标形式机器人

这种类型的机器人主要由底座、大臂和小臂组成。如图4.4所示，大臂和小臂间的转动关节称为肘关节，大臂和底座间的转动关节称为肩关节。底座 可以绕垂直轴线转动，称为腰关节。它是一种广泛应用的拟人化机器人

关节坐标形式机器人主要有以下优点：

(1)结构紧凑，占地面积小。

(2)灵活性好，手部到达位置好，具有较好的避障性能。

(3)没有移动关节，关节密封性能好，摩擦小，惯量小。

(4)关节驱动力小，能耗较低。

关节坐标形式机器人的缺点有：

(1)运动过程中存在平衡问题，控制存在耦合。

(2)当大臂和小臂舒展开时，机器人结构刚度较低。

主体结构的设计

工业机器人主体结构及其机身设计时需要注意，作为整个机器人支撑的主体应该具有足 够大的刚度、强度和稳定性；主体结构自身应该保证运动灵活，避免在结构设计上出现自锁 卡死的问题，选择合适的驱动方式，结构布置合理。

此外机器人主体结构材料的选择方面，应从机器人的性能要求和满足机器人的设计和制 作要求出发。同普通机械结构的设计类似，用来支撑、连接、固定机器人的各部分的材料应 该是结构性的材料。另外考虑到机器人整体也是运动的，其材料质量应轻。精密机器人对材 料的刚度和振动方面均有要求，控制振动也需要从减轻重量和抑制振动两方面考虑，也与材 料自身的抗振性紧密相关。正确选用结构件材料可降低机器人的成本价格，更适应机器人的 高速化、高载荷化及高精度化，以及静力学及动力学的特性要求。

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