任务二 根据坐标系分类

【任务描述】

微课

工业机器人分类-按照坐标系

由于在工业机器人的应用领域中，装配、码垛、喷涂、焊接、机械加工以及一般的手工业对机器人的负载能力、关节数量以及工作空间容量的要求是不同的，因此产生了不同坐标型的机器人，主要有直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、球坐标机器人（也称极坐标机器人）、关节机器人。本任务分别讲解4种坐标系形式的工业机器人的结构形式、特点、应用等。

【任务学习】

一、直角坐标机器人

直角坐标机器人（3P）结构比较简单，其手臂按直角坐标形式配置，即通过3个相互垂直轴线上的移动来改变手部的空间位置。此类机器人的结构和控制方案与机床类似，其到达空间位置的3个运动均由直线构成，运动方向相互垂直，末端操作由附加的旋转机构实现，如图2-7所示。

直角坐标机器人又称为笛卡儿坐标机器人，主要有悬臂式和龙门式两种。

悬臂式直角坐标机器人如图2-8所示，其机械手构件受到约束，在平行于直角坐标轴x、y、z的方向上移动，悬臂连接到主干，而主干又与基座相连接。

龙门式直角坐标机器人也称为桁架机器人，如图2-9所示。它一般在需要精确移动以及负载较大的时候使用，这类机器人的整个基座安装在一个允许在一个平面内运动的物体上（例如x-y平台或导轨）。

直角坐标机器人的优点：在直角坐标空间内，空间轨迹易于求解，很容易通过计算机实现控制，因为各轴线位移分辨率在操作范围内任一点上均为恒定，容易达到高定位精度，因此简易和专用的工业机器人常采用这种结构形式。其缺点：本体占空间体积大，工作空间小，操作灵活性差。

二、圆柱坐标机器人

圆柱坐标机器人（R2P）是指机器人的手臂按圆柱坐标形式配置，即通过两个移动和一个转动来实现手部空间位置的改变。此类机器人在基座水平转台上装有立柱，立柱上安装了水平臂或杆架，水平臂可沿立柱做上下运动，并可在水平方向伸缩，如图2-10所示。

①水平臂可伸缩（沿r方向）。

②滑动架（托板）可沿立柱上下移动（沿z轴方向）。

③水平臂和滑动架组合件可作为基座上的一个整体而旋转（绕z轴）。

一般不允许组合件旋转360°，因为液压、电气或气动连接机构或连线对机构存在约束。此外，根据机械上的要求，水平臂伸出长度有一最小值和最大值。所以，此机器人总的体积或工作包络范围是图2-10中虚线组成的空心圆柱体的一部分。

其优点：运动学模型简单；末端执行器可以获得较高的速度；直线部分可采用液压驱动，可输出较大的动力；能够伸入型腔式机器内部；相同工作空间，本体所占空间体积比直角坐标机器人要小。缺点：它的手臂可以到达的空间受到限制，不能到达近立柱或近地面的空间；末端执行器外伸离立柱轴心越远，线位移分辨精度越低；手臂工作时，手臂后端会碰到工作范围内的其他物体。

三、球坐标机器人

球坐标机器人（2RP）是指机器人的手臂按球坐标形式配置，其手臂的运动由一个直线运动和两个转动组成。手臂不仅可绕垂直轴旋转，还可绕水平轴做俯仰运动，且能沿手臂做伸缩运动，如图2-11所示。

①其手臂可伸出或缩回（R），类似于可伸缩的望远镜套筒。

②在垂直面内绕轴回转（φ）。

③在基座水平面内转动（θ）。

由于机械和驱动器连线的限制，机器人的工作包络范围是球体的一部分。

其优点：本体所占空间体积小，结构紧凑；中心支架附近的工作范围大，伸缩关节的线位移恒定。缺点：该坐标复杂，轨迹求解较难，难于控制，且转动关节在末端执行器上的线位移分辨率是一个变量。

四、关节机器人

关节机器人一般由多个转动关节串联起若干连杆组成，其运动由前后的俯仰及立柱的回转构成。关节机器人实际上有3种不同的形状：纯球状、平行四边形球状和圆柱状。

1.纯球状关节机器人

纯球状关节机器人所有的连杆都用枢轴装配而成，因而都可以旋转，如图2-12（a）所示。机械臂的前臂和末端执行器相连，该枢轴常称为腕关节，允许末端执行器转动角度β；上臂和前臂相连，该枢轴常称为肘关节，允许前臂转动角度α；上臂与基座相连，与基座垂直的面内的运动可绕此肩关节转动角度φ；基座可自由转动，因而整个组合件可在与基座平行的平面内转动角度θ，具有这类结构的机器人的工作包络范围大体上是球状的。这种设计的优点主要是机械臂可以达到机器人基座附近的地方，并越过其工作范围内的人和障碍物。

2.平行四边形球状关节机器人

平行四边形球状关节机器人用多重闭合的平行四边形的连杆机构代替单一的刚性构件的上臂，如图2-12（b）所示。这种结构允许关节驱动器位置靠近机器人的基座或装在机器人的基座上，这就意味着它们不是装在前臂或上臂之内或之上，从而使臂的惯性及重量大为减小，结果是采用同样大小的执行器时它们所具有的承载能力比纯球状关节机器人要大。此外它的机械刚度比其他大多数机械手大。

平行四边形球状关节机器人的优点：结构紧凑，工作范围广且占用空间小，动作灵活，具有很高的可达性，可以轻易避障或伸入狭窄弯曲的管道作业，对多种作业都有良好的适应性。缺点：运动学模型复杂，高精度控制难度大，与纯球状关节机器人的工作范围相比较，受到的限制较大。

目前，该类型机器人已应用于装配、货物搬运、电弧焊接、喷漆、点焊等作业场合，成为使用较为广泛的机器人。后续内容将重点围绕该类工业机器人阐述。

3. 圆柱状关节机器人

圆柱状关节机器人是关节机器人中比较特殊的一种，也称平面关节机器人（Selective Compliance Assembly Robot Arm，SCARA）。该结构机器人的各个臂都只沿水平方向旋转，具有平行的肩关节和肘关节，关节轴线共面。这种机器人有精密且快速的优点，目前普遍用于装配，也称装配机器人。此外，它也可应用于电子、机械和轻工业等有关产品的搬运、调试等工作。由于装配操作对姿态的要求一般只需绕z轴转动，垂直作用范围有限（z方向），故其一般是由转动关节组成的。通常z轴运动由一简单的气缸或步进电动机控制，而其他轴则采用较精巧的电气执行器（如伺服电动机）控制。根据作业要求，少部分操作在手腕处增加一个沿z轴的微小移动，如图2-13所示。

其优点：结构复杂性较小，在水平方向有顺应性，具有速度快、精度高、柔性好等特点。缺点：在垂直方向具有很大的刚性。

不同坐标系类型机器人具有不同的特征，如表2-1所示，其中将平面关节机器人单独作为一类。

直角坐标机器人（腕关节的轴可旋转或不可旋转）拥有最简单的变形和控制方程。它的移动（直线运动）轴相互垂直，使运动的规划和计算变得简单，且主运动轴之间不存在耦合，控制方程被大大简化。有转动关节的机器人结构更紧凑和高效，但控制难度加大。选择机器人结构时要考虑其运动、结构特点及任务需求。比如，当需要实现精确的、垂直的直线运动时，应选择一个简单的棱柱垂直关节轴的机器人，而不是需要协调控制2个或3个转动关节的机器人。

【思考与练习】

1.简述直角坐标机器人的机械结构形式和特点。

2.简述圆柱坐标机器人的机械结构形式和特点。

3.简述球坐标机器人的机械结构形式和特点。

4.简述3种形式的关节机器人（纯球状关节机器人、平行四边形球状关节机器人、圆柱状关节机器人）的机械结构形式和特点。