现代工业机器人结构库应用与设计

纪培国

（哈尔滨理工大学，黑龙江 哈尔滨 150080）

现代工业机器人结构库应用与设计

纪培国

（哈尔滨理工大学，黑龙江 哈尔滨 150080）

工业机器人是智能制造时代发展的产物，也是一个国家工业制造水平的重要标志。工业机器人关键组成包括控制器、操作机、末端执行器等单元，与具体的生产装置、周边设备等集成在一起能够模拟人的生产制造活动。传统工业机器人设计、制造复杂，可重用性较低，本文提出开发一个工业机器人结构库，引入了模块化设计思想，从结构库中选择相关的组件，按照最简化原则组装在一起，完成工业机器人制造。

工业机器人；结构库；关节；模块化

0.引言

随着电子技术、通信技术、机械制造技术的快速发展和改进，有力地促进了机器人的应用。机器人能够模拟人体操作，在工作空间中实现生产活动。工业机器人是一种特殊的机器人，其是现代工业革命和发展的重要组成部分，具有很强的灵活性、适应性，能够在复杂的、恶劣的、常人不能的环境中进行工作，目前已经在多个国家被列为高新技术发展计划。工业机器人按照不同的原则可以实现不同的分类，非常复杂，工业机器人应用领域多，功能强大，已经在多种场合取代了人力劳动，具有重要的作用。工业机器人设计过程中，传统的机器人开发模式是根据机器人的工作环境和实际需求，设计机器人的连杆和关节，设置机器人运动参数。如果机器人工作空间发生改变，就需要进行再设计工作，传统机器人开发模式不具备可移植性、可重用性，开发周期长，工作量复杂且大，改进工业机器人设计模式已经成为人们研究的重点。

1.工业机器人结构型分析

自20世纪第一台机器人诞生以来，机器人显示了非常强大的生命力，已经广泛地应用于工业生产领域，可以大大地提高工业产品生产质量和产量，并且能够降低人力劳动强度，成为智能制造时代最为热门的研究项目。机器人的手臂部分决定其工作空间和形式，因此工业机器人的分类也多依赖于手臂部分的结构坐标形式，主要包括5种类别：

（1）直角坐标式。该类型的机器人3个移动关节按照X、Y和Z互相垂直的模式确定模板执行器的空间位置，其具有结构刚度高、控制无耦合、构型位置精度高等优势，但是密封性交叉，工作范围小并且占地面积大。

（2）圆柱坐标式。该类型的机器人可以基于一个转动关节和两个移动关节确定末端执行器的空间位置，其操作精确度较高，工作范围大，操作空间易于计算，但容易与工作空间中的其他物体产生碰撞，移动关节不易于密封防尘。

（3）球（极）坐标式。该类型的机器人可以基于一个移动关节和两个转动关节确定末端执行器所处的空间位置，其占地面积小，精度一般，工作空间大，但是存在避障性和平衡性等问题，不易于操作稳定和可靠。

（4）SCARA。该类型的机器人基于一个移动关节和两个转动关节确定其操作空间位置，机器人的垂直运动通过移动关节完成，水平运动通过两个并联的转动关节完成，其体积较小，工作空间非常大，运动速度快，已经在自动装配、搬运等工业生产中获取较多的应用。

（5）关节式。该类机器人使用的关节全部为转动关节，这些关节与人的手臂类似，分别是一个大臂和一个小臂，同时增加了垂直回转关节，可以模拟人体腰、肩、肘的运动功能，因此关节式机器人工作空间大，占地面积小，避障性好，灵活性强，已经是应用最为广泛的工业机器人，但是其计算控制较为复杂，存在严重的平衡问题，位置精度较低。

2.工业机器人结构库建立

工业机器人设计可以采用结构模块原则，在满足工业生产使用功能的前提下，需要最大程度地减少机器人制造使用的关节数量，降低结构的复杂度，同时模块之间的接口也需要尽可能的简单和一致，便于连接、拆卸机器人模块。模块划分还需要充分考虑管理便捷性，提高工业机器人组合灵活性。工业机器人的运动性能取决于连接杆参数，结构模块划分非常有利于连杆参数自适应配置，因此工业机器人机构库建设过程中，基于工业生产功能分解机器人单元模块，可以将工业机器人划分为多个模块，因此工业机器人机构库主要由基座、末端执行器和关节构成，工业机器人可以使用连杆依次连接，基座是机器人的支撑，关节可以为机器人提供运动功能，末端执行器可以为工业机器人工作提供抓取和细微操作支撑，然后可以使用连杆将这些功能单元连接起来，具体的工业机器人接口卡包括6个类别，分别是基座库、连杆库、关节库、末端库、手腕库、连接库，如图1所示。

工业机器人结构库中的组件根据需求设计了不同的尺寸，比如连杆库中包含3种连杆，连杆1可以连接垂直轴线的组件，连杆2可以连接平行轴线的组件，连杆3可以连接共线轴线的组件，这些组件可以根据不同的应用环境和需求进行选择，提高了机器人研制的灵活性，满足多样性需求。工业机器人结构库的关键组成子库是关节模块库、手腕模块库和连接模块库。

关节子库只有一个自由度，其组件分别是移动关节、回转关节和旋转关节。回转关节连接的轴线是共线型，回转关节1可以应用于机器人腰部，回转关节2可以实现其他转动动作；旋转关节1可以连接的组件轴线是共面垂直型，旋转关节2连接的组件轴线是异面垂直型，适用于旋转动作难以实现的连杆模块。关节子库设计的目的是灵活调整机器人尺寸，保持接口尺寸一致，按比例协调机器人模型。

手腕子库可以划分为3类自由度组件，分别是三自由度手腕、二自由度手腕和单自由度手腕。三自由度手腕可以实现工作空间任意方向移动，应用得最为广泛，常见的类型包括RBR型和BBR型，R表示旋转关节，B表示俯仰关节；两自由度手腕包括RB型、BR型、BB型；单自由度手腕包括R型和B型，手腕使用R型时旋转角度非常大，可以满足较多的应用需求。

连接子库是一种方形结构组件，其包括6个平面，没有自由度。连接子库的组件设计目的是为了能够将任意两个连杆组件连接起来，这样就可以形成一个长度加大的连杆，其可以在按比例缩放、调整机器人尺寸时得到广泛使用；连接模块也可以应用与机器人转向，这样就可以增加其他组件的灵活性、自适应性。连接子库的设计可以增加机器人的多样化需求，能够更好地满足不同工业生产环境的需求，进一步提高机器人的应用普适性。

结语

随着电子电路技术、自动化控制技术、通信传输技术的快速发展，工业机器人将会在钢铁制造、汽车生产、电气产品生产、国防科工等多个军民应用领域得到广泛普及和使用。工业机器人的制造和设计模式也将会得到迅速地提升，以便能够适应现代工业机器人的大规模需求。论文提出了一种可重用性强、灵活性高的机器人生产结构库，可以采用模块化设计原则提高机器人设计、制造的效率，缩短研制周期，增强机器人自适应性，具有重要的作用和意义。

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