1.2 工业机器人典型结构

工业机器人按机身是否固定分为移动式和固定式两种。在制造业中，固定式机器人应用极为广泛，但随着核能工业、宇宙空间探索等方向的需要，移动式机器人和自主机器人的应用也越来越多。

1.2.1 工业机器人的组成

工业机器人是一种功能完整、可独立运行的典型机电一体化设备。它有自身的控制器、驱动系统和操作界面，可进行手动、自动操作及编程，能依靠自身的控制能力来实现所需要的功能。广义上的工业机器人是由图1-4所示的机器人及相关附加设备组成的完整系统，总体可分为机械部件和电气控制系统两大部分。

工业机器人（以下简称机器人）系统的机械部件包括机器人本体、末端执行器、变位器等；电气控制系统主要包括控制器、驱动器、操作单元、上级控制器等。其中，机器人本体、末端执行器以及控制器、驱动器、操作单元是机器人的基本组成部件，所有机器人都必须配备。

1.机器人本体

机器人本体又称操作机，是用来完成各种作业的执行机构，包括机械部件及安装在机械部件上的驱动电动机、传感器等。

机器人本体的形态各异，但绝大多数都是由若干关节和连杆连接而成的。以常用的六轴垂直关节型工业机器人为例，其运动主要包括整体回转（腰关节）、下臂摆动（肩关节）、腕回转和弯曲（腕关节）等。本体的典型结构如图1-5所示，其主要组成包括手部、腕部、臂部、腰部、基座等。

机器人机械结构包括机器人的本体机械结构、驱动机构、传动系统等。机器人本体机械结构由机身（含基座）、臂部（含手腕）和手部三部分组成；机器人的驱动机构多采用交流伺服电动机来实现；机器人的传动系统与驱动机构连接，将驱动机构中伺服电动机输出的高转速、低转矩的动力转换为低转速、高转矩的动力，来驱动机械本体动作。常用的传动机构有齿轮、同步带、减速器等。

2.变位器

变位器是用于机器人或工件整体移动，进行协同作业的附加装置，它既可选配机器人生产厂家的标准部件，也可由用户根据需要设计、制作。回转变位器如图1-6所示，通过选配变位器，可增加机器人的自由度和作业空间。此外，变位器还可实现作业对象或其他机器人的协同运动，增强机器人的功能和作业能力。简单机器人系统的变位器一般由机器人控制器直接控制，而多机器人复杂系统的变位器需要由上级控制器进行集中控制。

通用型回转变位器与数控机床的回转工作台类似，常用的有如图1-7所示的单轴和双轴两类。单轴变位器可用于机器人或作业对象的垂直（立式）或水平（卧式）360°回转，配置单轴变位器后，机器人可以增加1个自由度。双轴变位器可实现一个方向的360°回转和另一方向的局部摆动；配置双轴变位器后，机器人可以增加2个自由度。

通用型直线变位器与数控机床的移动工作台类似，它多用于机器人本体的大范围直线运动。图1-8所示为常用的水平移动直线变位器，但也可以根据实际需要，选择垂直方向移动的变位器或双轴十字运动、三轴空间运动的变位器。

3.电气控制系统

在机器人电气控制系统中，上级控制器仅用于复杂系统各种机电一体化设备的协同控制、运行管理和调试编程，它通常以网络通信的形式与机器人控制器进行信息交换，因此，实际上属于机器人电气控制系统的外部设备；而机器人控制器、操作单元、伺服驱动器及辅助控制电路则是机器人电气控制系统必不可少的系统部件。

1.2.2 工业机器人腰部关节结构

机器人腰部主要包括底座、基座两个结构件和减速部件。底座一般用地脚螺栓固定在地面上或用螺栓固定在其他的工作平台上，底座的尺寸要尽量大一点，使其能够承受较大的倾覆力矩，底座结构上为中空的圆台，以利于各种电缆等从中经过；基座为支撑连接大臂的结构件，既是机器人的安装和固定部分，也是机器人电线、电缆、气管、油管输入连接部分，如图1-9所示。减速部件为电动机后面的减速器，将电动机的高速低转矩转为低速高转矩。

腰部是连接臂部和基座，并安装驱动装置及其他装置的部件。腰部结构在满足结构强度的前提下应尽量减小尺寸，降低质量，同时考虑外观要求。典型6轴串联式工业机器人的腰部结构如图1-10所示。工业机器人腰部要承担机器人本体的小臂、腕部和末端负载，所受力及力矩最大，要求其具有较高的结构强度。

1.2.3 工业机器人臂部结构

臂部是工业机器人用来支撑腕部和手部，实现较大运动范围的部件。它不仅承受被抓取工件的质量，而且承受末端操作器、手腕和手臂自身质量。臂部的结构、工作范围、灵活性、臂力和定位精度都会直接影响机器人的工作性能。工业机器人的臂部由下臂和上臂组成，一般具有2～3个自由度，即伸缩、回转或者俯仰。典型6轴串联式工业机器人的下臂部结构如图1-11所示，典型6轴串联式工业机器人的上臂部结构如图1-12所示。

臂部的总质量较大，受力较复杂，直接承受腕部、手部和工具的静、动载荷，在高速运动时将产生较大的惯性力。手臂的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电驱动几种形式，其中电驱动最为通用。

1.2.4 工业机器人的腕部和手部结构

工业机器人的腕部起到支撑手部的作用，机器人一般具有6个自由度才能使手部（末端执行器）达到目标位置和处于期望的姿态。作为一种通用性较强的自动化作业设备，工业机器人的末端执行器（手部）是直接执行作业任务的装置，大多数手部的结构和尺寸都是根据其不同的作业任务要求来设计的，从而形成了多种多样的结构形式。

手腕是连接末端执行器和手臂的部件，通过手腕可以调整或改变工件的方位，它具有独立的自由度，以便机器人末端执行器适应复杂的动作要求。手腕一般需要3个自由度，由3个回转关节组合而成，组合的方式多种多样。手腕回转关节的组合形式，各回转方向的定义分别如图1-13所示。

为了使手部能处于空间任意方向，一般需要3个自由度，即翻转、俯仰和偏转。通常把手腕的翻转称作Roll，用R表示；把手腕的俯仰称作Pitch，用P表示；把手腕的偏转称作Yaw，用Y表示。手腕结构多为上述三种回转方式的组合，组合的方式可以有多种形式。图1-14所示为典型的3自由度手腕。