工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)一般由一系列連桿、關(guān)節(jié)或其他形式的運(yùn)動(dòng)副所組成。機(jī)械系統(tǒng)通 常包括機(jī)座、立柱、腰關(guān)節(jié)、臂關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)和手爪等，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；如果機(jī)身不具備行走及腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，則構(gòu)成 單機(jī)器人臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端執(zhí)行器是直接裝在手腕上的一個(gè)重要部 件，它可以是兩手指或多手指的手爪，也可以是噴漆槍、焊槍等作業(yè)工具。

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、圓柱坐標(biāo)形式、球面坐標(biāo)形式、關(guān)節(jié)坐標(biāo)形式。

1. 直角坐標(biāo)形式機(jī)器人

如圖4.1所示，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)。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），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）。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。

直角坐標(biāo)形式機(jī)器人具有如下優(yōu)點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

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

直線運(yùn)動(dòng)速度快，定位精度高，避障性能較好。

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，靈活性較差。

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

（3）結(jié)構(gòu)尺寸較大，占地面積較大。

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

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，其主 體具有3個(gè)自由度：腰部轉(zhuǎn)動(dòng)、升降運(yùn)動(dòng)，手臂伸縮運(yùn)動(dòng)。

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，控制較簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊。

對(duì)比直角坐標(biāo)形式，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，從而減小了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，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，手臂不能到達(dá)底部，減小了 機(jī)器人的工作范圍，同時(shí)結(jié)構(gòu)也較龐大。

3.球面坐標(biāo)形式機(jī)器人

如圖4.3所示，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)，因?yàn)檫@種機(jī)器人的工作空間形成球面的一部分，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，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，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)。

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

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、大臂和小臂組成。如圖4.4所示，大臂和小臂間的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)稱為肘關(guān)節(jié)，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)，稱為腰關(guān)節(jié)。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。

（2）靈活性好，手部到達(dá)位置好，具有較好的避障性能。

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

（4）關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力小，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，控制存在耦合。

（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。

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，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；主體結(jié)構(gòu)自身應(yīng)該保證運(yùn)動(dòng)靈活，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，結(jié)構(gòu)布置合理。

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)。同普通機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)類似，用來(lái)支撐、連接、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。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。精密機(jī)器人對(duì)材 料的剛度和振動(dòng)方面均有要求，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)。正確選用結(jié)構(gòu)件材料可降低機(jī)器人的成本價(jià)格，更適應(yīng)機(jī)器人的 高速化、高載荷化及高精度化，以及靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)的特性要求。