机器人的结构形式及各类结构的特点

机器人的结构形式及各类结构的特点

摘要：如今机器人已被广泛应用于机械、印刷机械、汽车工业、食品生产工业、药品生产工业、电子工业、机器制造业和化妆品生产等行业，不同领域因其需要的多样性和特殊性，也导致机器人在结构形式上存在多样性和特殊性。

关键字：结构形式，结构坐标系

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刘亚辉

遥感信息工程学院

一、引言

机器人按ISO 8373定义为：位置可以固定或移动，能够实现自动控制、可重复编程、多功能多用处、末端操作器的位置要在3个或3个以上自由度内可编程的工业自动化设备。这里自由度就是指可运动或转动的轴。工业机器人按其结构形式及编程坐标系主要分类为关节型机器人、移动机器人、水下机器人和直角坐标机器人等。按主要功能特征及应用分为移动机器人、水下机器人、洁净机器人、直角坐标机器人、焊接机器人、手术机器人和军用机器人等。机器人学涉及到机器人结构，机器人视觉，机器人运动规划，机器人传感器，机器人通讯和人工智能等许多方面，不同用处的机器人涉及到不同的学科，下面仅对这些机器人的结构和应用进行简单介绍。

机器人按照结构坐标系特点方式分类可分为：直角坐标机器人，圆柱坐标型机器人，极坐标机器人，多关节机器人等。

机器人按照机身结构特点可分为：升降回转型机身结构，俯仰型机身结构，直移型机身结构，类人机器人机身结构等。

二、各种结构坐标系

1、直角坐标系机器人

直角坐标型机器人结构如图所示，它主要是以直线运动轴为主，各个运动轴通常对应直角坐标系中的X轴，Y轴和Z轴，一般X轴和Y轴是水平面内运动轴，Z轴是上下运动轴。在一些应用中Z轴上带有一个旋转轴，或带有一个摆动轴和一个旋转轴。在绝大多数情况下直角坐标机器人的各个直线运动轴间的夹角为直角。

直角坐标型机械手可以在三个互相垂直的方向上作直线伸缩运动，这类机械手各个方向的运动是独立的，计算和控制比较方便，但占地面积大，限于特定的应用场合，有较多的局限性。

2、圆柱坐标机器人

圆柱坐标型机器人的结构如下图所示，R、θ和x为坐标系的三个坐标，其中R、是手臂的径向长度，θ是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。如果机器人手臂的径向坐标R保持不变，机器人手臂的运动将形成一个圆柱表面。

圆柱坐标型机械手有一个围绕基座轴的旋转运动和两个在相互垂直方向上的直线伸缩运动。它适用于采用油压(或气压)驱动机构，在操作对象位于机器人四周的情况下，操作最为方便。

3、极坐标型机器人

极坐标型机器人又称为球坐标型机器人，其结构如右图所示，R，θ和β为坐标系的坐标。其中θ是绕手臂支撑底座垂直的转动角，β是手臂在铅垂面内的摆动角。这种机器人运动所形成的轨迹表面是半球面。

极坐标型机械手的动作形态包括围绕基座轴的旋转，一个回转和一个直线伸

缩运动，其特点类似于圆柱型机械手。

4、多关节机器人

如下图所示，它是以其各相邻运动部件之间的相对角位移作为坐标系的。θ、α和Φ为坐标系的坐标，其中θ是绕底座铅垂轴的转角，Φ是过底座的水平线与第一臂之间的夹角，α是第二臂相对于第一臂的转角。这种机器人手臂可以达到球形体积内绝大部分位置，所能达到区域的形状取决于两个臂的长度比例。

多关节型机械手最接近于人臂的构造。它主要由多个回转或旋转关节所组成，一般都采用电机驱动机构。运用不同的关节连接方式，可以完成各种复杂的操作。由于具有占地面积小，动作范围大，空间移动速度快而灵活等特点，多关节型机械手在各种智能机器人中被广为采用。

下表总结了不同坐标结构机器人的特点。

三、各种机身结构

机身是直接联接、支承和传动手臂及行走机构的部件。它是由臂部运动(升降、平移、回转和俯仰)机构及有关的导向装置、支撑件等组成。由于机器人的运动型式、使用条件、负载能力各不相同，所采用的驱动装置、传动机构、导向装置也不同，致使机身结构有很大差异。

一般情况下，实现臂部的升降、回转或或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动愈多，机身的结构和受力愈复杂。机身既可以是固定式的，也可以是行走式的，即在它的下部装有能行走的机构，可沿地面或架空轨道运行。

常用的机身结构：升降回转型机身结构，俯仰型机身结构，直移型机身结构，类人机器人机身结构。

1、臂部结构

（1）手臂部件(简称臂部)是机器人的主要执行部件，它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。机器人的臂部主要包括臂杆以及与其伸缩、屈伸或自转等运动有关的构件，如传动机构、驱动装置、导向定位装置、支撑联接和位置检测元件等。此外，还有与腕部或手臂的运动和联接支撑等有关的构件、配管配线等。

根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同可分为：伸缩型臂部结构，转动伸缩型臂部结构，驱伸型臂部结构，其他专用的机械传动臂部结构。

（2）机身和臂部的配置形式：

机身和臂部的配置形式基本上反映了机器人的总体布局。由于机器人的运动要求、工作对象、作业环境和场地等因素的不同，出现了各种不同的配置形式。目前常用的有如下几种形式：横梁式，立柱式，机座式，驱伸式

2、手腕结构

手腕是联接手臂和手部的结构部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。因此它具有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态。

要确定手部的作业方向，一般需要三个自由度，这三个回转方向为：臂转 绕小臂轴线方向的旋转；手转 使手部绕自身的轴线方向旋转；腕摆 使手部相对于臂进行摆动。

腕部结构的设计要满足传动灵活、结构紧凑轻巧、避免干涉。机器人多数将腕部结构的驱动部分安排在小臂上。首先设法使几个电动机的运动传递到同轴旋转的心轴和多层套筒上去。运动传入腕部后再分别实现各个动作。

在用机器人进

行精密装配作业中，当被装配零件的不一致、工件的定位夹具、机器人的定位精度不能满足装配要求时，会导致装配困难。这就提出了柔顺性要求。

柔顺装配技术有两种：一种是从检测、控制的角度，采取各种不同的搜索方法，实现边校正边装配。

一种是从机械结构的角度在手腕部配置一个柔顺环节，以满足柔顺装配的要求。

3、手部结构

机器人的手部是是最重要的执行机构，从功能和形态上看，它可分为工业机器人的手部和仿人机器人的手部。

常用的手部按其握持原理可以分为夹持类和吸附类两大类。

（1）夹持类

夹持类手部除常用的夹钳式外，还有脱钩式和弹簧式。此类手部按其手指夹持工件时的运动方式不同又可分为手指回转型和指面平移型。

1夹钳式：夹钳式是工业机器人最常用的一种手部形式,一般夹钳式由以下○

几部分组成:

手指，传动机构，驱动装置，支架等。

2钩拖式：（如下图中的弹簧式手部）主要特征是不靠夹紧力来夹持工件，○

而是利用手指对工件钩、拖、捧等动作来拖持工件。应用钩拖方式可降低驱动力的要求，简化手部结构，甚至可以省略手部驱动装置。它适用于在水平面内和垂直面内作低速移动的搬运工作，尤其对大型笨重的工件或结构粗大而质量较轻且易变形的工件更为有利。

（2）吸附类

1气吸式：气吸式手部是工业机器人常用的一种吸持工件的装置。它由吸○

盘（一个或几个）、吸盘架及进排气系统组成，具有结构简单、重量轻、使用方

便可靠等优点。广泛应用于非金属材料（如板材、纸张、玻璃等物体）或不可有

剩磁的材料的吸附。气吸式手部的另一个特点是对工件表面没有损伤，且对被吸持工件预定的位置精度要求不高；但要求工件上与吸盘接触部位光滑平整、清洁，被吸工件材质致密，没有透气空隙。气吸式手部是利用吸盘内的压力与大气压之间的压力差而工作的。按形成压力差的方法，可分为真空气吸、气流负压气吸、挤压排气负压气吸。

2磁吸式：磁吸式手部是利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸附○

工件的，其应用较广。磁吸式手部与气吸式手部相同，不会破坏被吸收表面质量。磁吸收式手部比气吸收式手部优越的方面是：有较大的单位面积吸力，对工件表面粗糙度及通孔、沟槽等无特殊要求。

（3）仿人机器人的手部

目前，大部分工业机器人的手部只有２个手指，而且手指上一般没有关节。因此取料不能适应物体外形的变化，不能使物体表面承受比较均匀的夹持力，因此无法满足对复杂形状、不同材质的物体实施夹持和操作。为了提高机器人手部和手腕的操作能力、灵活性和快速反应能力，使机器人能像人手一样进行各种复杂的作业，就必须有一个运动灵活、动作多样的灵巧手，即仿人手。（如下给出的一些仿人机器人手部）

四、应用和展望

每种机器人都有其特殊性和优势，适用特定的行业或作业。也有把关节机器人安装在大的直线运动平台上来扩大工作区域和完成更多的任务。为了克服直角坐标机器人不易深入细长空间区域内工作，德国百格拉公司成功组合成了多种结构的悬臂式直角坐标机器人及在直角坐标机器人的Z轴上加上500mm的摆动轴和上下升降轴，有时还在Z轴上加上一个转动轴和摆动轴构成5轴机器人，还把不同结构形式的直角坐标机器人组合成多种集抓取，搬运，处理和最后抓取运走功能于一体的机器人工作中心。在德国就有大大小小50多家直角坐标机器人生产企业，他们20多年的努力使得直角坐标机器人比关节式机器人有更广泛的应用。例如在西方发达国家被广泛用来执行焊接、搬运、上下料、包装、码垛、拆垛、检测、探伤、分类、装配、贴标、喷码、涂胶和切割等一系列工作。深受包装机械、印刷机械、汽车工业、食品生产工业、药品生产工业、电子工业、机器制造业和化妆品生产等行业的好评。随着自动化程度、环保要求、卫生规定、生产效率、人员素质和人工费用的提高，直角坐标机器人在中国也必将被各行各业广泛采用。

参考文献：

[1]李团结《机器人技术》电子工业出版社2009.10

[2]蔡自兴《机器人学》清华大学出版社2009.6

[3] 百度百科