机器人手臂

工业机器人

——关节型机器人

摘要：传统的工业机器人一般是由机座、腰部、大臂、小臂、腕部和手部以串联方式联接而成的开式链机器人机构，也称为串联式机器人。该机器人结构简单，刚度、精度好，控制容易，响应快，成本低，在电子行业中用来尽享装配接插件的工作，得到了迅速发展。

关键词：串联式、自由度、空间运动

前言：工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。可以接受人类指挥，同时也可以按照预先编译程序运行，在多个行业领域内广泛运用着。

随着机器人机构学的发展，工业机器人的种类越来越繁多，但从机器人机构学的角度范围来分，可分为串联式机器人、并联式机器人以及串联并联混合式的混联机器人三大类。

串联式工业机器人的最典型结构是将开式运动链装在固定的机架上。这类机

器人称为关节型工业机器人。如图所示

为典型的关节型工业机器人：

此类机器人的组成元素主要是刚

性连杆及运动副，也成为机械手或操作

器。在机械手的末端，固定着一个夹持

式手爪，称为末端执行器。末端执行器

可以是焊枪、油漆喷枪、钻头、自动螺母扳手等，可按工作需要随时更换。

对于此种关节型机器人来说，它由机身、臂部、腕部、手部等部分组成。各部分功能是模仿人的手臂来描述定义的。其中机身相当于人的身躯，起支撑作用，并用于安装驱动装置等部件，相当于一个机架。臂部相当于人的大臂小臂，是主要执行部件，其作用是用来支撑腕部和肘部，并带动它们一起在空间运动，从而带动手部按一定轨迹运动。腕部相当于人的手腕，是连接臂部和手部的部件，其作用是调整和改变手部在空间的方位。手部相当于人的手部，是操作器的末端执行部件，其作用是握住所需要的物件或对象。

在典型的串联关节型机器人中，每

个转动关节或移动关节的位置都由一个变

量来确定，即每个转动关节或移动关节的

自由度为1。整个机器人的自由度数目等

于各运动部件自由度的总和。

图示机器人为典型的6自由度关节

型串联机器人。其中臂部是由腰关节、肩

关节以及肘关节3个关节，合计3个自由

度组成。腕部是由绕腕部自身轴旋转、腕

的上下摆动以及腕的左右摆动3个关节，合计3个自由度组成。即，整个机器人的总自由度为6个自由度。手部开合运动有时也称为半个自由度。

此机器人的主要运动是由臂与腕的运动来实现的，臂部运动用于完成主运动，腕部运动用于调整手部在空间的姿态。

通常，操作器手部在空间的位置和运动范围，主要取决于臂部的自由度以及大臂小臂的臂长、转角范围。因此，臂部运动也称为操作器的主运动，臂部各关节称为操作器的基本关节。根据臂部结构以及关节运动形式，不同的关节自由度数以及臂部集中自由度的不同组合，可以得到不同的工作空间运动。

当臂部只有1个自由度时，其工作空间为直线或圆弧曲线，即一维线空间。当臂部有2个自由度时，其工作空间为平面、圆柱面或球面，即二维面空间。当臂部有3个自由度时，其工作空间为长方体或回转球体，即三维立体空间。由此可以得出结论，要使机器人操作器手部能到达空间任一指定位置，空间机器人操作器的臂部至少应具有3个自由度。同理，为使机器人操作器手部等到达平面任一指定位置，平面机器人的臂部至少应具有2个自由度。臂部各运动副所具有的独立自由度与其所对应的运动关系为:

1）独立移动运动：x方向独立自由度完成x方向移动;y方向独立自由度完成y方向移动；z方向独立自由度完成z方向移动。

2）独立回转运动：Φx1完成绕x轴转动，该项转动一般由手腕运动代替，臂部通常不用；Φy1完成绕y轴转动，即实现上下俯仰运动；

Φz1完成绕z轴转动即实现左右摆动运动。

如上图所示，腕部运动各个关节用于调整手部在空间的姿态。为了使手爪在空间能取得任意指定的姿态，串联式空间机器人操作器腕部至少应有3个自由度。通常取3个轴线相互垂直的3个转动关节，如前文a图所示。

同理，为使手爪能在平面中取得任意制定的姿态，平面串联式机器人操作器腕部至少应有1个转动关节。

腕部各运动副所具有的独立自由度与其所对应的运动关系为：沿x1，y1，

z1方向的移动通常不用或少用。沿x1，y1，z1方向轴的自身转动如上图所示：Φx1为绕x1轴自身转动；Φy1为y1轴上下摆动；Φz1为绕z1轴转动，即实现左右摆动。

手部运动的作用是夹持或握住所需搬运物件、工件或工具。由于其运动不会改变所握物体在空间的位置和姿态，故其运动自由度通常不算做机器人操作器的自由度。

为了使串联式机器人适用于各种应用场合，对于一般通用串联式空间机器人操作器至少应具有6个自由度。其中，3个为臂部自由度，用来决定手部末端执行器在空间的位置；另3个为腕部自由度，用来确定手部末端执行器在空间中的姿态。为了使末端执行器在三维空间中能取得任意指定的姿态，腕部的运动必须至少有三个独立转动关节。对于通用的平面串联式机器人操作器，必须至少具有3个自由度。其中，臂部2个自由度决定末端执行器在平面中的位置；另1一腕部自由度决定末端执行器在平面中的姿态。为使末端执行器能在二维平面内取得任意指定的姿态，则必须至少要有1个转动关节。

由以上分析可知，对于通用型串联式机器人操作器，无论是空间型或平面型，都必须有转动关节，仅仅只用移动关节是无法满足各种位置及姿态要求的。对于特殊的专用机器人，可要求空间操作器只具有4个或5个自由度。工程中常用的操作器，其自由度数约为4~7个。当空间操作器自由度数大于6时，这种操作器的自由度称为具有冗余自由度。这种具有冗余自由度的串联式机器人操作器具有机动性及灵活性，可适用于避障场合。当机器人工作区内存在着障碍时，具有冗余自由度的机器人能将手臂绕过障碍，进入通常

机械臂难以到达的工作区域。

串联式机器人也有明显的不足，如各关节为悬臂结构，刚度较低，在相同自重或体积下与并联式机器人相比，承载能力低，且由于末端杆误差是各个关节的积累和放大，其误差大，精度低。但并联机器人在这些方面性能较好。两者各有优缺点，且为互补关系，应视具体情况，取长补短，选择最佳方案。

参考文献：马履中.《机械原理与设计》[M].北京：机械工业出版社，2009.1