2.2　工业机器人的结构形态

2.2.1　垂直串联机器人

从运动学原理上说,绝大多数机器人的本体是由若干关节(joint)和连杆(link)组成的运动链。根据关节间的连接形式,多关节工业机器人的典型结构主要有垂直串联、水平串联(或SCARA)和并联3大类。

垂直串联(vertical articulated)是工业机器人最常见的结构形式,机器人的本体部分一般由5~7个关节在垂直方向依次串联而成,它可以模拟人类从腰部到手腕的运动,用于加工、搬运、装配、包装等各种场合。

(1)6轴串联结构

图2.2.1所示的6轴串联是垂直串联机器人的典型结构。机器人的6个运动轴分别为腰回转轴S(swing,亦称J1轴)、下臂摆动轴L(lower arm wiggle,亦称J2轴)、上臂摆动轴U(upper arm wiggle,亦称J3轴)、腕回转轴R(wrist rotation,亦称J4轴)、腕弯曲摆动轴B(wrist bending,亦称J5轴)、手回转轴T(turning,亦称J6轴);其中,图中用实线表示的腰回转轴S(J1)、腕回转轴R(J4)、手回转轴T(J6)为可在4象限进行360°或接近360°的回转,称为回转轴(roll);用虚线表示的下臂摆动轴L(J2)、上臂摆动轴U(J3)、腕弯曲摆动轴B(J5)一般只能在3象限内进行小于270°的回转,称为摆动轴(bend)。

6轴垂直串联结构机器人的末端执行器作业点的运动,由手臂、手腕和手的运动合成;其中,腰、下臂、上臂3个关节,可用来改变手腕基准点的位置,称为定位机构。通过腰回转轴S的运动,机器人可绕基座的垂直轴线回转,以改变机器人的作业面方向;通过下臂摆动轴L的运动,可使机器人的大部进行垂直方向的偏摆,实现手腕参考点的前后运动;通过上臂摆动轴U的运动,机器人的上部可进行水平方向的偏摆,实现手腕参考点的上下运动(俯仰)。　　　

手腕部分的腕回转、弯曲摆动和手回转3个关节,可用来改变末端执行器的姿态,称为定向机构。回转轴R可整体改变手腕运动方向,调整末端执行器的作业面向;腕弯曲轴B可用来实现末端执行器的上下或前后、左右摆动,调整末端执行器的作业点;手回转轴T用于末端执行器回转控制,可改变末端执行器的作业方向。

6轴垂直串联结构机器人通过以上定位机构和定向机构的串联,较好地实现了三维空间内的任意位置和姿态控制,对于各种作业都有良好的适应性,因此,可用于加工、搬运、装配、包装等各种场合。

但是,6轴垂直串联结构机器人也存在以下固有的缺点。

第一,末端执行器在笛卡儿坐标系上的三维运动(X、Y、Z轴),需要通过多个回转、摆动轴的运动合成,且运动轨迹不具备唯一性,X、Y、Z轴的坐标计算和运动控制比较复杂,

加上X、Y、Z轴的位置无法通过传感器进行直接检测,要实现高精度的闭环位置控制非常困难。这是采用关节和连杆结构的工业机器人所存在的固有缺陷,它也是目前工业机器人大多需要采用示教编程以及其位置控制精度不及数控机床的主要原因所在。

第二,由于结构所限,6轴垂直串联结构机器人存在运动干涉区域,在上部或正面运动受限时,进行下部、反向作业非常困难。

第三,在典型结构上,所有轴的运动驱动机构都安装在相应的关节部位,机器人上部的质量大、重心高,高速运动时的稳定性较差,其承载能力通常较低。

为了解决以上问题,垂直串联工业机器人有时采用如下变形结构。

(2)7轴串联结构

为解决6轴垂直串联结构存在的下部、反向作业干涉问题,先进的工业机器人有时也采用图2.2.2所示的7轴垂直串联结构。

7轴垂直串联结构机器人在6轴机器人的基础上,增加了下臂回转轴LR(lower arm rotation,J7轴),使定位机构扩大到腰回转、下臂摆动、下臂回转、上臂摆动4个关节,手腕基准点(参考点)的定位更加灵活。

例如,当机器人上部的运动受到限制时,它仍能够通过下臂的回转,避让上部的干涉区,从而完成图2.2.3(a)所示的下部作业;在正面运动受到限制时,则通过下臂的回转,避让正面的干涉区,进行图2.2.3(b)所示的反向作业。

(3)其他结构

机器人末端执行器的姿态与作业要求有关,在部分作业场合,有时可省略1~2个运动轴,简化为图2.2.4所示的4、5轴垂直串联结构机器人。

例如,对于以水平面作业为主的搬运、包装机器人,可省略手腕回转轴R,有时采用图2.2.4(a)所示的5轴串联结构;对于大型平面搬运作业的机器人,有时采用图2.2.4(b)所示的4轴结构,省略腕回转轴R、腕弯曲摆动轴B,以简化结构、增加刚性等。

为了减小6轴垂直串联典型结构机器人的上部质量,降低机器人重心,提高运动稳定性和承载能力,大型、重载的搬运、码垛机器人也经常采用图2.2.5所示的平行四边形连杆驱动机构,来实现上臂和腕弯曲的摆动运动。采用平行四边形连杆机构驱动,不仅可加长力臂,放大电机驱动力矩、提高负载能力,而且,还可将驱动机构的安装位置移至腰部,以降低机器人的重心,增加运动稳定性。平行四边形连杆机构驱动的机器人结构刚度好、负载能力强,它是大型、重载搬运机器人的常用结构形式。

2.2.2　水平串联机器人

(1)基本结构

水平串联(horizontal articulated)结构是日本山梨大学在1978年发明的一种建立在圆柱坐标上的特殊机器人结构形式,又称SCARA(selective compliance assembly robot arm,选择顺应性装配机器手臂)结构。

SCARA机器人的基本结构如图2.2.6所示。这种机器人的手臂由2~3个轴线相互平行的水平旋转关节C1、C2、C3串联而成,以实现平面定位;整个手臂可通过垂直方向的直线移动轴Z,进行升降运动。

SCARA机器人的结构简单、外形轻巧、定位精度高、运动速度快,它特别适合于平面定位、垂直方向装卸的搬运和装配作业,故首先被用于3C行业(计算机computer、通信communication、消费性电子consumer electronic)印刷电路板的器件装配和搬运作业;随后在光伏行业的LED、太阳能电池安装,以及塑料、汽车、药品、食品等行业的平面装配和搬运领域得到了较为广泛的应用。SCARA结构机器人的工作半径通常为100~1000mm,承载能力一般为1~200kg。

(2)变形结构

采用SCARA基本结构的机器人结构紧凑、动作灵巧,但水平旋转关节C1、C2、C3的驱动电机均需要安装在基座侧,其传动链长、传动系统结构较为复杂。此外,垂直轴Z需要控制3个手臂的整体升降,其运动部件质量较大、承载能力较低、升降行程通常较小,因此,实际使用时经常采用图2.2.7所示的变形结构。

① 执行器升降结构　执行器升降SCARA机器人如图2.2.7(a)所示。采用执行器升降结构的SCARA机器人不但可扩大Z轴升降行程、减轻升降部件的重量、提高手臂刚度和负载能力,同时,还可将C2、C3轴驱动电机的安装位置前移,以缩短传动链、简化传动系统结构。但是,这种结构的机器人回转臂的体积大、结构不及基本型紧凑,因此,多用于垂直方向运动不受限制的平面搬运和部件装配作业。

② 双臂大型结构　双臂大型SCARA机器人如图2.2.7(b)所示。这种机器人有1个升降轴U、2个对称手臂回转轴(L、R)、1个整体回转轴S;升降轴U可同步控制上、下臂的折叠,实现升降;回转轴S可控制2个手臂的整体回转;回转轴L、R可分别控制2个对称手臂的水平方向伸缩。双臂大型SCARA机器人的结构刚度好、承载能力强、作业范围大,故可用于太阳能电池板安装、清洗房物品升降等大型平面搬运和部件装配作业。

2.2.3　并联机器人

(1)基本结构

并联机器人(parallel robot)的结构设计源自1965年英国科学家Stewart在A Platform with Six Degrees of Freedom文中提出的6自由度飞行模拟器,即Stewart平台机构。Stewart平台的标准结构如图2.2.8所示。

Stewart运动平台通过空间均布的6根并联连杆支撑。当控制6根连杆伸缩运动时,便可实现平台在三维空间的前后、左右、升降及倾斜、回转、偏摆等运动。Stewart平台具有6个自由度,可满足机器人的控制要求,1978年,它被澳大利亚学者Hunt首次引入到机器人的运动控制中。

Stewart平台的运动需要通过6根连杆轴的同步控制实现,其结构较为复杂、控制难度很大。1985年,瑞士洛桑联邦理工学院(Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne,法语简称EPFL)的Clavel博士,发明了一种图2.2.9所示的简化结构,它采用悬挂式布置,可通过3根并联连杆轴的摆动,实现三维空间的平移运动,这一结构称之为Delta结构。

Delta机构可通过运动平台上安装图2.2.10所示的回转轴,增加回转自由度,方便地实现4、5、6自由度的控制,以满足不同机器人的控制要求,采用了Delta结构的机器人称为Delta机器人或Delta机械手。

Delta机器人具有结构简单、控制容易、运动快捷、安装方便等优点,因而Delta结构成为了目前并联机器人的基本结构,被广泛用于食品、药品、电子、电工等行业的物品分拣、装配、搬运,它是高速、轻载并联机器人最为常用的结构形式。

(2)结构特点

并联结构和前述的串联结构有本质的区别,它是工业机器人结构发展史上的一次重大变革。在传统的串联结构机器人上,从机器人的安装基座到末端执行器,需要经过腰部、下臂、上臂、手腕、手部等多级运动部件的串联。因此,当腰部进行回转时,安装在腰部上方的下臂、上臂、手腕、手部等都必须随之进行相应的空间运动;当下臂进行摆动运动时,安装在下臂上的上臂、手腕、手部等也必须随之进行相应的空间移动等。这就是说,串联结构的机器人的后置部件必然随同前置轴一起运动,这无疑增加了前置轴运动部件的质量;前置轴设计时,必须有足够的结构刚度。

另一方面,在机器人作业时,执行器上所受的反力也将从手部、手腕依次传递到上臂、下臂、腰部、基座上,末端执行器的受力也将串联传递至前端。因此,前端构件在设计时不但要考虑负担后端构件的重力,而且还要承受作业反力,为了保证刚度和精度,每部分的构件都得有足够的体积和质量。

由此可见,串联结构的机器人,必然存在移动部件质量大、系统刚度低等固有缺陷。

并联结构的机器人手腕和基座采用的是3根并联连杆连接,手部受力可由3根连杆均匀分摊,每根连杆只承受拉力或压力,不承受弯矩或扭矩,因此,这种结构理论上具有刚度高、重量轻、结构简单、制造方便等特点。

(3)直线驱动结构

采用连杆摆动结构的Delta机器人具有结构紧凑、安装简单、运动速度快等优点,但其承载能力通常较小(通常在10kg以内),故多用于电子、食品、药品等行业的轻量物品的分拣、搬运等。

为了增强结构刚性,使之能够适应大型物品的搬运、分拣等要求,大型并联机器人经常采用图2.2.11所示的直线驱动结构,这种机器人以伺服电机和滚珠丝杠驱动的连杆拉伸直线运动代替了摆动,不但提高了机器人的结构刚度和承载能力,而且还可以提高定位精度、简化结构设计,其最大承载能力可达1000kg以上。直线驱动的并联机器人如安装高速主轴,便可成为一台可进行切削加工、类似于数控机床的加工机器人。

并联结构同样在数控机床上得到应用,实用型产品在1994年的美国芝加哥世界制造技术博览会(IMTS94)上展出后,一度成为机床行业的研究热点,目前已有多家机床生产厂家推出了实用型的产品。由于数控机床对结构刚度、位置控制精度、切削能力的要求高,因此,一般需要采用图2.2.12所示的Stewart平台结构或直线驱动的Delta结构,以提高机床的结构刚度和位置精度。

并联结构的数控机床同样具有刚度高、重量轻、结构简单、制造方便等特点,但是,由于数控机床对位置和轨迹控制的要求高,采用并联结构时,其笛卡儿坐标系的位置检测和控制还存在相当的技术难度,因此,目前尚不具备大范围普及和推广的条件。