工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

和其他機(jī)器設(shè)計(jì)相比，工業(yè)機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上有很多獨(dú)特之處，主要可以歸納為以下幾點(diǎn)：

1.工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)可以簡化成各連桿首尾相接，末端開放的一個(gè)開式連桿系（也可能存在部分閉鏈結(jié)構(gòu)），連桿末端一般無法加以支撐，因而操作機(jī)的結(jié)構(gòu)剛度差。

2.在組成操作機(jī)的開式連桿系中，每根連桿都其有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器，因而屬于主動(dòng)連桿系。不同連桿之間的運(yùn)動(dòng)沒有依從關(guān)系，操作機(jī)的運(yùn)動(dòng)更為靈話，但控制起來也更復(fù)雜。

3.連桿驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩在運(yùn)動(dòng)過程中的變化規(guī)律比較復(fù)雜，連桿的驅(qū)動(dòng)屬于伺服控制型，對機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度、間隙和運(yùn)動(dòng)精度都有較高的要求。

4.連桿的受力狀態(tài)、剛度條件和動(dòng)態(tài)性能都隨位姿的改變而變化，因此容易發(fā)生振動(dòng)或其它不穩(wěn)定現(xiàn)象。

工業(yè)機(jī)器人性能評判指標(biāo)

表示機(jī)器人特性的基本參數(shù)和性能指標(biāo)主要有工作空間、自由度、有效負(fù)載、運(yùn)動(dòng)精度、運(yùn)動(dòng)特性、動(dòng)態(tài)特性等。

工作空間是指機(jī)器人臂桿的特定部位在一定條件下所能到達(dá)空間的位置集合。工作空間的性狀和大小反映了機(jī)器人工作能力的大小。

（1）通常工業(yè)機(jī)器人說明書中表示的工作空間指的是手腕上機(jī)械接口坐標(biāo)系的原點(diǎn)在空間能達(dá)到的范圍，也即手腕端部法蘭的中心點(diǎn)在空間所能到達(dá)的范圍，而不是末端執(zhí)行器端點(diǎn)所能達(dá)到的范圍。因此，在設(shè)計(jì)和選用時(shí)，要注意安裝末端執(zhí)行器后，機(jī)器人實(shí)際所能達(dá)到的工作空間。

（2）機(jī)器人說明書上提供的工作空間往往要小于運(yùn)動(dòng)學(xué)意義上的空間。這是因?yàn)樵诳蛇_(dá)空間中，手臂位姿不同時(shí)有效負(fù)載、允許達(dá)到的速度和加速度都不一樣，在臂桿位置允許的極限值通常要比其他位置的小些。此外，在機(jī)器人的可達(dá)空間邊界上可能存在自由度退化的問題，此時(shí)的位姿稱為奇異位形，而且在奇異位形周圍相當(dāng)大的范圍內(nèi)都會(huì)出現(xiàn)自由度進(jìn)化現(xiàn)象，這部分工作空間在機(jī)器人工作時(shí)都不能被利用。

（3）除了在工作邊緣，實(shí)際應(yīng)用中的工業(yè)機(jī)器人還可能由于受到機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，在工作空間的內(nèi)部也存在著臂端不能達(dá)到的區(qū)域，這就是常說的空洞或空腔?？涨皇侵冈诠ぷ骺臻g內(nèi)臂端不能達(dá)到的完全封閉空間。而空洞是指在沿轉(zhuǎn)軸周圍全長上臂端都不能達(dá)到的空間。

2.運(yùn)動(dòng)自由度

運(yùn)動(dòng)自由度是指機(jī)器人操作機(jī)在空間運(yùn)動(dòng)所需的變量數(shù)，用以表示機(jī)器人動(dòng)作靈活程度的參數(shù)，一般是以沿軸線移動(dòng)和繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目來表示。

自由物體在空間自六個(gè)自由度（三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和三個(gè)移動(dòng)自由度）。工業(yè)機(jī)器人往往是個(gè)開式連桿系，每個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副只有一個(gè)自由度，因此通常機(jī)器人的自由度數(shù)目就等于其關(guān)節(jié)數(shù)。機(jī)器人的自由度數(shù)目越多，功能就越強(qiáng)。

目前工業(yè)機(jī)器人通常具有4—6個(gè)自由度。當(dāng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)數(shù)（自由度）增加到對末端執(zhí)行器的定向和定位不再起作用時(shí)，便出現(xiàn)了冗余自由度。冗余度的出現(xiàn)增加了機(jī)器人工作的靈活型，但也使控制變得更加復(fù)雜。

工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)方式上，總可以分為直線運(yùn)動(dòng)（簡記為P）和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（簡記為R）兩種，應(yīng)用簡記符號(hào)P和R可以表示操作機(jī)運(yùn)動(dòng)自由度的特點(diǎn)，如RPRR表示機(jī)器人操作機(jī)具有四個(gè)自由度，從基座開始到臂端，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的方式依次為旋轉(zhuǎn)-直線-旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)。此外，工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度還有運(yùn)動(dòng)范圍的限制。

有效負(fù)載是指機(jī)器人操作機(jī)在工作時(shí)臂端可能搬運(yùn)的物體重量或所能承受的力或力矩，用以表示操作機(jī)的負(fù)荷能力。

機(jī)器人在不同位姿時(shí)，允許的可搬運(yùn)質(zhì)量是不同的，因此機(jī)器人的額定可搬運(yùn)質(zhì)量是指其臂桿在工作空間中任意位姿時(shí)腕關(guān)節(jié)端部都能搬運(yùn)的質(zhì)量。

4.運(yùn)動(dòng)精度

機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的精度主要涉及位姿精度、重復(fù)位姿精度、軌跡精度、重復(fù)軌跡精度等。

位姿精度是指指令位姿和從同一方向接近該指令位姿時(shí)的實(shí)到位姿中心之間的偏差。重復(fù)位姿精度是指對同指令位姿從同一方向重復(fù)響應(yīng)n次后實(shí)到位姿的不一致程度。

軌跡精度是指機(jī)器人機(jī)械接口從同一方向n次跟隨指令軌跡的接近程度。軌跡重復(fù)精度是指對一給定軌跡在同方向跟隨n次后實(shí)到軌跡之間的不一致程度。

5.運(yùn)動(dòng)特性

速度和加速度是表明機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性的主要指標(biāo)。在機(jī)器人說明書中，通常提供了主要運(yùn)動(dòng)自由度的穩(wěn)定速度，但在實(shí)際應(yīng)用中單純考慮穩(wěn)定速度是不夠的，還應(yīng)注意其允許加速度。

6.動(dòng)態(tài)特性

動(dòng)態(tài)特性結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)主要包括質(zhì)量、慣性矩、剛度、阻尼系數(shù)、固有頻率和振動(dòng)模態(tài)。