工業(yè)機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)一般由一系列連桿楚午、關(guān)節(jié)或其他形式的運(yùn)動(dòng)副所組成踪古。機(jī)械系統(tǒng)通 常包括機(jī)座祖灰、立柱钟沛、腰關(guān)節(jié)、臂關(guān)節(jié)局扶、腕關(guān)節(jié)和手爪等恨统，構(gòu)成一個(gè)多自由度的機(jī)械系統(tǒng)。如果 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)身具備行走機(jī)構(gòu)便構(gòu)成行走機(jī)器人三妈；如果機(jī)身不具備行走及腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)畜埋，則構(gòu)成 單機(jī)器人臂莫绣。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成镀材。末端執(zhí)行器是直接裝在手腕上的一個(gè)重要部 件妆浅，它可以是兩手指或多手指的手爪，也可以是噴漆槍忍具、焊槍等作業(yè)工具爵缸。

主體結(jié)構(gòu)的基本形式

工業(yè)機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)中各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副和連桿構(gòu)件組成了不同的坐標(biāo)形式。常見(jiàn)的主體 結(jié)構(gòu)形式有：直角坐標(biāo)形式蓝捌、圓柱坐標(biāo)形式眶洗、球面坐標(biāo)形式、關(guān)節(jié)坐標(biāo)形式饵朱。

1. 直角坐標(biāo)形式機(jī)器人

如圖4.1所示堤网，這一類機(jī)器人手部空間的位置變化是通過(guò)沿 著三個(gè)相互垂直的軸線移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這類形式的機(jī)器人常應(yīng)用 于生產(chǎn)設(shè)備的上下料和高精度的裝配和檢測(cè)作業(yè)椰完。一般直角坐標(biāo) 形式機(jī)器人的手臂可^垂直上下移動(dòng)軸方向）贫肌，并可以沿著 滑架和橫梁上的導(dǎo)軌^行水平二維平面的移動(dòng)（義，^方向）辨批。顯 然直角坐標(biāo)形式機(jī)器人結(jié)構(gòu)具有3個(gè)自由度怔匣。

直角坐標(biāo)形式機(jī)器人具有如下優(yōu)點(diǎn)：

圖4.1 直角坐標(biāo)機(jī)器人

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

編程容易桦沉，在尤每瞒，r，z三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有耦合纯露，便 于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)剿骨。

直線運(yùn)動(dòng)速度快，定位精度高埠褪，避障性能較好浓利。

同時(shí)由于該類型機(jī)器人必須采用導(dǎo)軌，也有如下缺點(diǎn)和問(wèn)題：

(1)動(dòng)作范圍小钞速，靈活性較差贷掖。

(2)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，維護(hù)比較困難渴语，導(dǎo)軌暴露面大苹威，不如轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)密封性好。

(3)結(jié)構(gòu)尺寸較大驾凶，占地面積較大阿魏。

(4)移動(dòng)部分慣量較大，增加了對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的要求有蒲。

2.圓柱坐標(biāo)形式機(jī)器人

圓柱坐標(biāo)機(jī)器人（見(jiàn)圖4.2)通過(guò)兩個(gè)移動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)手部空間位置的改變发凹，其主 體具有3個(gè)自由度：腰部轉(zhuǎn)動(dòng)盘嘉、升降運(yùn)動(dòng)，手臂伸縮運(yùn)動(dòng)衍康。

圓柱坐標(biāo)形式機(jī)器人主要有如下優(yōu)點(diǎn)：

控制精度較高蹲京，控制較簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊鞍票。

對(duì)比直角坐標(biāo)形式蚊牌，在垂直和徑向的兩個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)可以采用伸縮套筒式結(jié)構(gòu)，在腰 部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可以把手臂縮回去岖佛，從而減小了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量诀虹，改善了力學(xué)負(fù)載。

圓柱坐標(biāo)形式機(jī)器人的主要缺點(diǎn)是：由于機(jī)身結(jié)構(gòu)的原因用虚，手臂不能到達(dá)底部晌颅，減小了 機(jī)器人的工作范圍，同時(shí)結(jié)構(gòu)也較龐大粤蝎。

3.球面坐標(biāo)形式機(jī)器人

如圖4.3所示真仲，機(jī)械手能夠做里外伸縮移動(dòng)，在垂直平面內(nèi)擺動(dòng)已經(jīng)繞底座在水平面 內(nèi)移動(dòng)初澎，因?yàn)檫@種機(jī)器人的工作空間形成球面的一部分秸应，故稱為球面坐標(biāo)機(jī)器人，其設(shè)計(jì) 和控制系統(tǒng)比較復(fù)雜碑宴，美國(guó)Unimation公司的Unimation系列機(jī)器人就是球面坐標(biāo)形式的 代表软啼，其手臂伸縮采用液壓驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)關(guān)節(jié)，繞垂直和水平軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)也采用了液壓伺服系統(tǒng)延柠。

球面坐標(biāo)形式機(jī)器人的特點(diǎn)是：占地面積較小祸挪，結(jié)構(gòu)緊湊，位置精度尚可捕仔，但避障性能 較差匕积，存在平衡問(wèn)題盈罐。

圖4.2 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人

圖4.3 球面坐標(biāo)機(jī)器人

4.關(guān)節(jié)坐標(biāo)形式機(jī)器人

這種類型的機(jī)器人主要由底座榜跌、大臂和小臂組成。如圖4.4所示盅粪，大臂和小臂間的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)稱為肘關(guān)節(jié)邪胳，大臂和底座間的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)稱為肩關(guān)節(jié)。底座 可以繞垂直軸線轉(zhuǎn)動(dòng)像得，稱為腰關(guān)節(jié)肪尾。它是一種廣泛應(yīng)用的擬人化機(jī)器人

關(guān)節(jié)坐標(biāo)形式機(jī)器人主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小轨醒。

(2)靈活性好催蓄，手部到達(dá)位置好夸截，具有較好的避障性能。

(3)沒(méi)有移動(dòng)關(guān)節(jié)乱来，關(guān)節(jié)密封性能好儒淌，摩擦小，慣量小荡担。

(4)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力小品客，能耗較低。

關(guān)節(jié)坐標(biāo)形式機(jī)器人的缺點(diǎn)有：

(1)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在平衡問(wèn)題准瘪，控制存在耦合粟翔。

(2)當(dāng)大臂和小臂舒展開(kāi)時(shí)，機(jī)器人結(jié)構(gòu)剛度較低讼载。

主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)及其機(jī)身設(shè)計(jì)時(shí)需要注意轿秧，作為整個(gè)機(jī)器人支撐的主體應(yīng)該具有足 夠大的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性咨堤；主體結(jié)構(gòu)自身應(yīng)該保證運(yùn)動(dòng)靈活淤刃，避免在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上出現(xiàn)自鎖 卡死的問(wèn)題，選擇合適的驅(qū)動(dòng)方式吱型，結(jié)構(gòu)布置合理逸贾。

此外機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)材料的選擇方面，應(yīng)從機(jī)器人的性能要求和滿足機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制 作要求出發(fā)津滞。同普通機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)類似铝侵，用來(lái)支撐、連接触徐、固定機(jī)器人的各部分的材料應(yīng) 該是結(jié)構(gòu)性的材料咪鲜。另外考慮到機(jī)器人整體也是運(yùn)動(dòng)的，其材料質(zhì)量應(yīng)輕撞鹉。精密機(jī)器人對(duì)材 料的剛度和振動(dòng)方面均有要求疟丙，控制振動(dòng)也需要從減輕重量和抑制振動(dòng)兩方面考慮，也與材 料自身的抗振性緊密相關(guān)藻礁。正確選用結(jié)構(gòu)件材料可降低機(jī)器人的成本價(jià)格聋遮，更適應(yīng)機(jī)器人的 高速化、高載荷化及高精度化庆率，以及靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)的特性要求仪丛。

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