紀培國

（哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150080）

現(xiàn)代工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)庫應(yīng)用與設(shè)計

紀培國

（哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150080）

工業(yè)機器人是智能制造時代發(fā)展的產(chǎn)物，也是一個國家工業(yè)制造水平的重要標志。工業(yè)機器人關(guān)鍵組成包括控制器、操作機、末端執(zhí)行器等單元，與具體的生產(chǎn)裝置、周邊設(shè)備等集成在一起能夠模擬人的生產(chǎn)制造活動。傳統(tǒng)工業(yè)機器人設(shè)計、制造復(fù)雜，可重用性較低，本文提出開發(fā)一個工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)庫，引入了模塊化設(shè)計思想，從結(jié)構(gòu)庫中選擇相關(guān)的組件，按照最簡化原則組裝在一起，完成工業(yè)機器人制造。

工業(yè)機器人；結(jié)構(gòu)庫；關(guān)節(jié)；模塊化

0.引言

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

1.工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)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(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，可以大大地提高工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)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(yè)機器人的分類也多依賴于手臂部分的結(jié)構(gòu)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(guān)節(jié)按照X、Y和Z互相垂直的模式確定模板執(zhí)行器的空間位置，其具有結(jié)構(gòu)剛度高、控制無耦合、構(gòu)型位置精度高等優(yōu)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(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和兩個移動關(guān)節(jié)確定末端執(zhí)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(chǎn)生碰撞，移動關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)和兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)確定末端執(zhí)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(wěn)定和可靠。

（4）SCARA。該類型的機器人基于一個移動關(guān)節(jié)和兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)確定其操作空間位置，機器人的垂直運動通過移動關(guān)節(jié)完成，水平運動通過兩個并聯(lián)的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)完成，其體積較小，工作空間非常大，運動速度快，已經(jīng)在自動裝配、搬運等工業(yè)生產(chǎn)中獲取較多的應(yīng)用。

（5）關(guān)節(jié)式。該類機器人使用的關(guān)節(jié)全部為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，這些關(guān)節(jié)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(zhuǎn)關(guān)節(jié)，可以模擬人體腰、肩、肘的運動功能，因此關(guān)節(jié)式機器人工作空間大，占地面積小，避障性好，靈活性強，已經(jīng)是應(yīng)用最為廣泛的工業(yè)機器人，但是其計算控制較為復(fù)雜，存在嚴重的平衡問題，位置精度較低。

2.工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)庫建立

工業(yè)機器人設(shè)計可以采用結(jié)構(gòu)模塊原則，在滿足工業(yè)生產(chǎn)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(guān)節(jié)數(shù)量，降低結(jié)構(gòu)的復(fù)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(yè)機器人組合靈活性。工業(yè)機器人的運動性能取決于連接桿參數(shù)，結(jié)構(gòu)模塊劃分非常有利于連桿參數(shù)自適應(yīng)配置，因此工業(yè)機器人機構(gòu)庫建設(shè)過程中，基于工業(yè)生產(chǎn)功能分解機器人單元模塊，可以將工業(yè)機器人劃分為多個模塊，因此工業(yè)機器人機構(gòu)庫主要由基座、末端執(zhí)行器和關(guān)節(jié)構(gòu)成，工業(yè)機器人可以使用連桿依次連接，基座是機器人的支撐，關(guān)節(jié)可以為機器人提供運動功能，末端執(zhí)行器可以為工業(yè)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(yè)機器人接口卡包括6個類別，分別是基座庫、連桿庫、關(guān)節(jié)庫、末端庫、手腕庫、連接庫，如圖1所示。

工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)庫中的組件根據(jù)需求設(shè)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(jù)不同的應(yīng)用環(huán)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(yè)機器人結(jié)構(gòu)庫的關(guān)鍵組成子庫是關(guān)節(jié)模塊庫、手腕模塊庫和連接模塊庫。

關(guān)節(jié)子庫只有一個自由度，其組件分別是移動關(guān)節(jié)、回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)?；剞D(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接的軸線是共線型，回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)1可以應(yīng)用于機器人腰部，回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2可以實現(xiàn)其他轉(zhuǎn)動動作；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)1可以連接的組件軸線是共面垂直型，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2連接的組件軸線是異面垂直型，適用于旋轉(zhuǎn)動作難以實現(xiàn)的連桿模塊。關(guān)節(jié)子庫設(shè)計的目的是靈活調(diào)整機器人尺寸，保持接口尺寸一致，按比例協(xié)調(diào)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(xiàn)工作空間任意方向移動，應(yīng)用得最為廣泛，常見的類型包括RBR型和BBR型，R表示旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，B表示俯仰關(guān)節(jié)；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(zhuǎn)角度非常大，可以滿足較多的應(yīng)用需求。

連接子庫是一種方形結(jié)構(gòu)組件，其包括6個平面，沒有自由度。連接子庫的組件設(shè)計目的是為了能夠?qū)⑷我鈨蓚€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(diào)整機器人尺寸時得到廣泛使用；連接模塊也可以應(yīng)用與機器人轉(zhuǎn)向，這樣就可以增加其他組件的靈活性、自適應(yīng)性。連接子庫的設(shè)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(yè)生產(chǎn)環(huán)境的需求，進一步提高機器人的應(yīng)用普適性。

結(jié)語

隨著電子電路技術(shù)、自動化控制技術(shù)、通信傳輸技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)機器人將會在鋼鐵制造、汽車生產(chǎn)、電氣產(chǎn)品生產(chǎn)、國防科工等多個軍民應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛普及和使用。工業(yè)機器人的制造和設(shè)計模式也將會得到迅速地提升，以便能夠適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)機器人的大規(guī)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(chǎn)結(jié)構(gòu)庫，可以采用模塊化設(shè)計原則提高機器人設(shè)計、制造的效率，縮短研制周期，增強機器人自適應(yīng)性，具有重要的作用和意義。

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