工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)一般由一系列連桿、關(guān)節(jié)或其他形式的運動副所組成。機械系統(tǒng)通 常包括機座、立柱、腰關(guān)節(jié)、臂關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)和手爪等，構(gòu)成一個多自由度的機械系統(tǒng)。如果 工業(yè)機器人的機身具備行走機構(gòu)便構(gòu)成行走機器人；如果機身不具備行走及腰轉(zhuǎn)機構(gòu)，則構(gòu)成 單機器人臂。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)機器人主體結(jié)構(gòu)中各個關(guān)節(jié)運動副和連桿構(gòu)件組成了不同的坐標形式。常見的主體 結(jié)構(gòu)形式有：直角坐標形式、圓柱坐標形式、球面坐標形式、關(guān)節(jié)坐標形式。

1. 直角坐標形式機器人

如圖4.1所示，這一類機器人手部空間的位置變化是通過沿 著三個相互垂直的軸線移動來實現(xiàn)的，這類形式的機器人常應(yīng)用 于生產(chǎn)設(shè)備的上下料和高精度的裝配和檢測作業(yè)。一般直角坐標 形式機器人的手臂可^垂直上下移動軸方向），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（義，^方向）。顯 然直角坐標形式機器人結(jié)構(gòu)具有3個自由度。

直角坐標形式機器人具有如下優(yōu)點：

結(jié)構(gòu)簡單。

編程容易，在尤，r，z三個方向的運動沒有耦合，便 于控制系統(tǒng)的設(shè)計。

直線運動速度快，定位精度高，避障性能較好。

同時由于該類型機器人必須采用導(dǎo)軌，也有如下缺點和問題：

（1）動作范圍小，靈活性較差。

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

（3）結(jié)構(gòu)尺寸較大，占地面積較大。

（4）移動部分慣量較大，增加了對驅(qū)動性能的要求。

2.圓柱坐標形式機器人

圓柱坐標機器人（見圖4.2）通過兩個移動和一個轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)手部空間位置的改變，其主 體具有3個自由度：腰部轉(zhuǎn)動、升降運動，手臂伸縮運動。

圓柱坐標形式機器人主要有如下優(yōu)點：

控制精度較高，控制較簡單，結(jié)構(gòu)緊湊。

對比直角坐標形式，在垂直和徑向的兩個往復(fù)運動可以采用伸縮套筒式結(jié)構(gòu)，在腰 部轉(zhuǎn)動時可以把手臂縮回去，從而減小了轉(zhuǎn)動慣量，改善了力學(xué)負載。

圓柱坐標形式機器人的主要缺點是：由于機身結(jié)構(gòu)的原因，手臂不能到達底部，減小了 機器人的工作范圍，同時結(jié)構(gòu)也較龐大。

3.球面坐標形式機器人

如圖4.3所示，機械手能夠做里外伸縮移動，在垂直平面內(nèi)擺動已經(jīng)繞底座在水平面 內(nèi)移動，因為這種機器人的工作空間形成球面的一部分，故稱為球面坐標機器人，其設(shè)計 和控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，美國Unimation公司的UnimaTIon系列機器人就是球面坐標形式的 代表，其手臂伸縮采用液壓驅(qū)動的移動關(guān)節(jié)，繞垂直和水平軸線的轉(zhuǎn)動也采用了液壓伺服系統(tǒng)。

球面坐標形式機器人的特點是：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，存在平衡問題。

4.關(guān)節(jié)坐標形式機器人

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

關(guān)節(jié)坐標形式機器人主要有以下優(yōu)點：

（1）結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。

（2）靈活性好，手部到達位置好，具有較好的避障性能。

（3）沒有移動關(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)動力小，能耗較低。

關(guān)節(jié)坐標形式機器人的缺點有：

（1）運動過程中存在平衡問題，控制存在耦合。

（2）當大臂和小臂舒展開時，機器人結(jié)構(gòu)剛度較低。

主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

工業(yè)機器人主體結(jié)構(gòu)及其機身設(shè)計時需要注意，作為整個機器人支撐的主體應(yīng)該具有足 夠大的剛度、強度和穩(wěn)定性；主體結(jié)構(gòu)自身應(yīng)該保證運動靈活，避免在結(jié)構(gòu)設(shè)計上出現(xiàn)自鎖 卡死的問題，選擇合適的驅(qū)動方式，結(jié)構(gòu)布置合理。

此外機器人主體結(jié)構(gòu)材料的選擇方面，應(yīng)從機器人的性能要求和滿足機器人的設(shè)計和制 作要求出發(fā)。同普通機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計類似，用來支撐、連接、固定機器人的各部分的材料應(yīng) 該是結(jié)構(gòu)性的材料。另外考慮到機器人整體也是運動的，其材料質(zhì)量應(yīng)輕。精密機器人對材 料的剛度和振動方面均有要求，控制振動也需要從減輕重量和抑制振動兩方面考慮，也與材 料自身的抗振性緊密相關(guān)。正確選用結(jié)構(gòu)件材料可降低機器人的成本價格，更適應(yīng)機器人的 高速化、高載荷化及高精度化，以及靜力學(xué)及動力學(xué)的特性要求。