現代工業機器人結構庫應用與設計

紀培國

（哈爾濱理工大學，黑龍江 哈爾濱 150080）

現代工業機器人結構庫應用與設計

紀培國

（哈爾濱理工大學，黑龍江 哈爾濱 150080）

工業機器人是智能制造時代發展的產物，也是一個國家工業制造水平的重要標志。工業機器人關鍵組成包括控制器、操作機、末端執行器等單元，與具體的生產裝置、周邊設備等集成在一起能夠模擬人的生產制造活動。傳統工業機器人設計、制造復雜，可重用性較低，本文提出開發一個工業機器人結構庫，引入了模塊化設計思想，從結構庫中選擇相關的組件，按照最簡化原則組裝在一起，完成工業機器人制造。

工業機器人；結構庫；關節；模塊化

0.引言

隨著電子技術、通信技術、機械制造技術的快速發展和改進，有力地促進了機器人的應用。機器人能夠模擬人體操作，在工作空間中實現生產活動。工業機器人是一種特殊的機器人，其是現代工業革命和發展的重要組成部分，具有很強的靈活性、適應性，能夠在復雜的、惡劣的、常人不能的環境中進行工作，目前已經在多個國家被列為高新技術發展計劃。工業機器人按照不同的原則可以實現不同的分類，非常復雜，工業機器人應用領域多，功能強大，已經在多種場合取代了人力勞動，具有重要的作用。工業機器人設計過程中，傳統的機器人開發模式是根據機器人的工作環境和實際需求，設計機器人的連桿和關節，設置機器人運動參數。如果機器人工作空間發生改變，就需要進行再設計工作，傳統機器人開發模式不具備可移植性、可重用性，開發周期長，工作量復雜且大，改進工業機器人設計模式已經成為人們研究的重點。

1.工業機器人結構型分析

自20世紀第一臺機器人誕生以來，機器人顯示了非常強大的生命力，已經廣泛地應用于工業生產領域，可以大大地提高工業產品生產質量和產量，并且能夠降低人力勞動強度，成為智能制造時代最為熱門的研究項目。機器人的手臂部分決定其工作空間和形式，因此工業機器人的分類也多依賴于手臂部分的結構坐標形式，主要包括5種類別：

（1）直角坐標式。該類型的機器人3個移動關節按照X、Y和Z互相垂直的模式確定模板執行器的空間位置，其具有結構剛度高、控制無耦合、構型位置精度高等優勢，但是密封性交叉，工作范圍小并且占地面積大。

（2）圓柱坐標式。該類型的機器人可以基于一個轉動關節和兩個移動關節確定末端執行器的空間位置，其操作精確度較高，工作范圍大，操作空間易于計算，但容易與工作空間中的其他物體產生碰撞，移動關節不易于密封防塵。

（3）球（極）坐標式。該類型的機器人可以基于一個移動關節和兩個轉動關節確定末端執行器所處的空間位置，其占地面積小，精度一般，工作空間大，但是存在避障性和平衡性等問題，不易于操作穩定和可靠。

（4）SCARA。該類型的機器人基于一個移動關節和兩個轉動關節確定其操作空間位置，機器人的垂直運動通過移動關節完成，水平運動通過兩個并聯的轉動關節完成，其體積較小，工作空間非常大，運動速度快，已經在自動裝配、搬運等工業生產中獲取較多的應用。

（5）關節式。該類機器人使用的關節全部為轉動關節，這些關節與人的手臂類似，分別是一個大臂和一個小臂，同時增加了垂直回轉關節，可以模擬人體腰、肩、肘的運動功能，因此關節式機器人工作空間大，占地面積小，避障性好，靈活性強，已經是應用最為廣泛的工業機器人，但是其計算控制較為復雜，存在嚴重的平衡問題，位置精度較低。

2.工業機器人結構庫建立

工業機器人設計可以采用結構模塊原則，在滿足工業生產使用功能的前提下，需要最大程度地減少機器人制造使用的關節數量，降低結構的復雜度，同時模塊之間的接口也需要盡可能的簡單和一致，便于連接、拆卸機器人模塊。模塊劃分還需要充分考慮管理便捷性，提高工業機器人組合靈活性。工業機器人的運動性能取決于連接桿參數，結構模塊劃分非常有利于連桿參數自適應配置，因此工業機器人機構庫建設過程中，基于工業生產功能分解機器人單元模塊，可以將工業機器人劃分為多個模塊，因此工業機器人機構庫主要由基座、末端執行器和關節構成，工業機器人可以使用連桿依次連接，基座是機器人的支撐，關節可以為機器人提供運動功能，末端執行器可以為工業機器人工作提供抓取和細微操作支撐，然后可以使用連桿將這些功能單元連接起來，具體的工業機器人接口卡包括6個類別，分別是基座庫、連桿庫、關節庫、末端庫、手腕庫、連接庫，如圖1所示。

工業機器人結構庫中的組件根據需求設計了不同的尺寸，比如連桿庫中包含3種連桿，連桿1可以連接垂直軸線的組件，連桿2可以連接平行軸線的組件，連桿3可以連接共線軸線的組件，這些組件可以根據不同的應用環境和需求進行選擇，提高了機器人研制的靈活性，滿足多樣性需求。工業機器人結構庫的關鍵組成子庫是關節模塊庫、手腕模塊庫和連接模塊庫。

關節子庫只有一個自由度，其組件分別是移動關節、回轉關節和旋轉關節。回轉關節連接的軸線是共線型，回轉關節1可以應用于機器人腰部，回轉關節2可以實現其他轉動動作；旋轉關節1可以連接的組件軸線是共面垂直型，旋轉關節2連接的組件軸線是異面垂直型，適用于旋轉動作難以實現的連桿模塊。關節子庫設計的目的是靈活調整機器人尺寸，保持接口尺寸一致，按比例協調機器人模型。

手腕子庫可以劃分為3類自由度組件，分別是三自由度手腕、二自由度手腕和單自由度手腕。三自由度手腕可以實現工作空間任意方向移動，應用得最為廣泛，常見的類型包括RBR型和BBR型，R表示旋轉關節，B表示俯仰關節；兩自由度手腕包括RB型、BR型、BB型；單自由度手腕包括R型和B型，手腕使用R型時旋轉角度非常大，可以滿足較多的應用需求。

連接子庫是一種方形結構組件，其包括6個平面，沒有自由度。連接子庫的組件設計目的是為了能夠將任意兩個連桿組件連接起來，這樣就可以形成一個長度加大的連桿，其可以在按比例縮放、調整機器人尺寸時得到廣泛使用；連接模塊也可以應用與機器人轉向，這樣就可以增加其他組件的靈活性、自適應性。連接子庫的設計可以增加機器人的多樣化需求，能夠更好地滿足不同工業生產環境的需求，進一步提高機器人的應用普適性。

結語

隨著電子電路技術、自動化控制技術、通信傳輸技術的快速發展，工業機器人將會在鋼鐵制造、汽車生產、電氣產品生產、國防科工等多個軍民應用領域得到廣泛普及和使用。工業機器人的制造和設計模式也將會得到迅速地提升，以便能夠適應現代工業機器人的大規模需求。論文提出了一種可重用性強、靈活性高的機器人生產結構庫，可以采用模塊化設計原則提高機器人設計、制造的效率，縮短研制周期，增強機器人自適應性，具有重要的作用和意義。

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