1.2 工業機器人典型結構

工業機器人按機身是否固定分為移動式和固定式兩種。在制造業中，固定式機器人應用極為廣泛，但隨著核能工業、宇宙空間探索等方向的需要，移動式機器人和自主機器人的應用也越來越多。

1.2.1 工業機器人的組成

工業機器人是一種功能完整、可獨立運行的典型機電一體化設備。它有自身的控制器、驅動系統和操作界面，可進行手動、自動操作及編程，能依靠自身的控制能力來實現所需要的功能。廣義上的工業機器人是由圖1-4所示的機器人及相關附加設備組成的完整系統，總體可分為機械部件和電氣控制系統兩大部分。

工業機器人（以下簡稱機器人）系統的機械部件包括機器人本體、末端執行器、變位器等；電氣控制系統主要包括控制器、驅動器、操作單元、上級控制器等。其中，機器人本體、末端執行器以及控制器、驅動器、操作單元是機器人的基本組成部件，所有機器人都必須配備。

1.機器人本體

機器人本體又稱操作機，是用來完成各種作業的執行機構，包括機械部件及安裝在機械部件上的驅動電動機、傳感器等。

機器人本體的形態各異，但絕大多數都是由若干關節和連桿連接而成的。以常用的六軸垂直關節型工業機器人為例，其運動主要包括整體回轉（腰關節）、下臂擺動（肩關節）、腕回轉和彎曲（腕關節）等。本體的典型結構如圖1-5所示，其主要組成包括手部、腕部、臂部、腰部、基座等。

機器人機械結構包括機器人的本體機械結構、驅動機構、傳動系統等。機器人本體機械結構由機身（含基座）、臂部（含手腕）和手部三部分組成；機器人的驅動機構多采用交流伺服電動機來實現；機器人的傳動系統與驅動機構連接，將驅動機構中伺服電動機輸出的高轉速、低轉矩的動力轉換為低轉速、高轉矩的動力，來驅動機械本體動作。常用的傳動機構有齒輪、同步帶、減速器等。

2.變位器

變位器是用于機器人或工件整體移動，進行協同作業的附加裝置，它既可選配機器人生產廠家的標準部件，也可由用戶根據需要設計、制作。回轉變位器如圖1-6所示，通過選配變位器，可增加機器人的自由度和作業空間。此外，變位器還可實現作業對象或其他機器人的協同運動，增強機器人的功能和作業能力。簡單機器人系統的變位器一般由機器人控制器直接控制，而多機器人復雜系統的變位器需要由上級控制器進行集中控制。

通用型回轉變位器與數控機床的回轉工作臺類似，常用的有如圖1-7所示的單軸和雙軸兩類。單軸變位器可用于機器人或作業對象的垂直（立式）或水平（臥式）360°回轉，配置單軸變位器后，機器人可以增加1個自由度。雙軸變位器可實現一個方向的360°回轉和另一方向的局部擺動；配置雙軸變位器后，機器人可以增加2個自由度。

通用型直線變位器與數控機床的移動工作臺類似，它多用于機器人本體的大范圍直線運動。圖1-8所示為常用的水平移動直線變位器，但也可以根據實際需要，選擇垂直方向移動的變位器或雙軸十字運動、三軸空間運動的變位器。

3.電氣控制系統

在機器人電氣控制系統中，上級控制器僅用于復雜系統各種機電一體化設備的協同控制、運行管理和調試編程，它通常以網絡通信的形式與機器人控制器進行信息交換，因此，實際上屬于機器人電氣控制系統的外部設備；而機器人控制器、操作單元、伺服驅動器及輔助控制電路則是機器人電氣控制系統必不可少的系統部件。

1.2.2 工業機器人腰部關節結構

機器人腰部主要包括底座、基座兩個結構件和減速部件。底座一般用地腳螺栓固定在地面上或用螺栓固定在其他的工作平臺上，底座的尺寸要盡量大一點，使其能夠承受較大的傾覆力矩，底座結構上為中空的圓臺，以利于各種電纜等從中經過；基座為支撐連接大臂的結構件，既是機器人的安裝和固定部分，也是機器人電線、電纜、氣管、油管輸入連接部分，如圖1-9所示。減速部件為電動機后面的減速器，將電動機的高速低轉矩轉為低速高轉矩。

腰部是連接臂部和基座，并安裝驅動裝置及其他裝置的部件。腰部結構在滿足結構強度的前提下應盡量減小尺寸，降低質量，同時考慮外觀要求。典型6軸串聯式工業機器人的腰部結構如圖1-10所示。工業機器人腰部要承擔機器人本體的小臂、腕部和末端負載，所受力及力矩最大，要求其具有較高的結構強度。

1.2.3 工業機器人臂部結構

臂部是工業機器人用來支撐腕部和手部，實現較大運動范圍的部件。它不僅承受被抓取工件的質量，而且承受末端操作器、手腕和手臂自身質量。臂部的結構、工作范圍、靈活性、臂力和定位精度都會直接影響機器人的工作性能。工業機器人的臂部由下臂和上臂組成，一般具有2～3個自由度，即伸縮、回轉或者俯仰。典型6軸串聯式工業機器人的下臂部結構如圖1-11所示，典型6軸串聯式工業機器人的上臂部結構如圖1-12所示。

臂部的總質量較大，受力較復雜，直接承受腕部、手部和工具的靜、動載荷，在高速運動時將產生較大的慣性力。手臂的驅動方式主要有液壓驅動、氣壓驅動和電驅動幾種形式，其中電驅動最為通用。

1.2.4 工業機器人的腕部和手部結構

工業機器人的腕部起到支撐手部的作用，機器人一般具有6個自由度才能使手部（末端執行器）達到目標位置和處于期望的姿態。作為一種通用性較強的自動化作業設備，工業機器人的末端執行器（手部）是直接執行作業任務的裝置，大多數手部的結構和尺寸都是根據其不同的作業任務要求來設計的，從而形成了多種多樣的結構形式。

手腕是連接末端執行器和手臂的部件，通過手腕可以調整或改變工件的方位，它具有獨立的自由度，以便機器人末端執行器適應復雜的動作要求。手腕一般需要3個自由度，由3個回轉關節組合而成，組合的方式多種多樣。手腕回轉關節的組合形式，各回轉方向的定義分別如圖1-13所示。

為了使手部能處于空間任意方向，一般需要3個自由度，即翻轉、俯仰和偏轉。通常把手腕的翻轉稱作Roll，用R表示；把手腕的俯仰稱作Pitch，用P表示；把手腕的偏轉稱作Yaw，用Y表示。手腕結構多為上述三種回轉方式的組合，組合的方式可以有多種形式。圖1-14所示為典型的3自由度手腕。