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圆柱机器人、球坐标机器人、关节机器人实际应用分析
1 圆柱机器人
1.1 圆柱机器人概述
柱面坐标机器人的空间位置机构主要由旋转基座、垂直移动和水平移动轴构成（见图1－1），具有一个回转和两个平移自由度（两个移动关节和一个转动关节），其动作空间呈圆柱形。主要用于重物的装卸、搬运等作业。著名的Versatran机器人就是一种典型的柱面坐标机器人。

这种机器人的主体结构具有三个自由度：腰转，升降，手臂伸缩。手腕通常采用两个自由度，绕手臂纵向轴线转动和与其垂直的水平轴线转动。手腕若采用三个自由度，则使机器人自由度总数达到六个，但是手腕上的某个自由度将与主体上的回转自由度有部分重复。此类机器人大约占工业机器人总数的47%左右。
1.2 圆柱机器人的特点
1.2.1 圆柱机器人的优点
1）除了简单的“抓一抓”作业外还可以用在许多其他生产领域，与直角坐标式机器人相比增加了通用性。
2）结构紧凑。
3）在垂直方向和径向方向有两个往复运动，可采用伸缩套筒式结构。当机器人开始腰转时可把手臂缩进去，在很大程度上减少了转动惯量，改善了动力学载荷。
1.2.2 圆柱机器人的缺点
在机器人的动作范围内，必须有沿轴线前后方向的移动空间，空间利用率较低。手部外伸离中心轴愈远，其切向线位移分辨精度愈低。
2 球坐标机器人
2.1 球坐标机器人概述
又称极坐标式机器人，机器人手臂的运动由一个直线运动和二个转动组成，即沿x轴的伸缩，绕y轴的俯仰和绕z轴的回转。这种机器人主体结构有三个自由度，绕垂直轴线（机身）和水平轴线（回转关节）的转动均采用液压伺服驱动，转角范围分别为200度和50度左右，手臂伸缩采用液压驱动的移动关节，其最大行程决定了球面最大半径，机器人实际工作范围的形状是个不完全的球缺。手腕应具有三个自由度，当机器人主体运动时，装在手腕的末端操作器才能维持应有的姿态。
如图2-1所示，其空间位置分别由旋转、摆动和平移3个自由度确定，动作空间形成球面的一部分。其机械手能够作前后伸缩移动、在垂直平面上摆动以及绕底座在水平面上转动。著名的Unimate就是这种类型的机器人。

2.2 球坐标机器人的特点
具有较大的工作范围，设计和控制系统比较复杂，大约占工业机器人总数的13%。
3 关节机器人
3.1 关节机器人概述
关节机器人，也称关节手臂机器人或关节机械手臂，是当今工业领域中最常见的工业机器人的形态之一。适合用于诸多工业领域的机械自动化作业，比如，自动装配、喷漆、搬运、焊接等工作。
这类机器人的主体结构的三个自由度：腰转关节，肩关节，肘关节。这些全部是转动关节，手腕的三个自由度上的转动关节（俯仰，偏转和翻转）用来最后确定末端操作器的姿态，它是一种广泛使用的拟人化的机器人，大约占工业机器人总数的25%左右。
3.2 关节机器人的分类
3.2.1 关节机器人的构造分类：
1、五轴和六轴关节机器人
　　拥有五个或六个旋转轴，类似于人类的手臂。
　　应用领域有装货、卸货、喷漆、表面处理、测试、测量、弧焊、点焊、包装、装配、切屑机床、固定、特种装配操作、锻造、铸造等。
2、托盘关节机器人
二个或四个旋转轴，以及机械抓手的定位锁紧装置。
　　应用领域有装货、卸货、包装、特种搬运操作、托盘运输等。
3、平面关节机器人
三个互相平行的旋转轴和一个线性轴。
应用领域有装货、卸货、焊接、包装、固定、涂层、喷漆、粘结、封装、特种搬运操作、装配等。
3.2.2 关节机器人的工作性质分类
可分为很多种，比如：搬运机器人，点焊机器人，弧焊机器人，喷漆机器人，激光切割机器人等等。
3.2.3 关节机器人的摆动方向分类
有铅垂方向和水平方向两种，因此这类机器人又可分为垂直关节机器人和水平关节机器人。
垂直关节机器人如图3-1，模拟了人类的手臂功能，由垂直于地面的腰部旋转轴（相当于大臂旋转的肩部旋转轴）带动小臂旋转的肘部旋转轴以及小臂前端的手腕等构成。手腕通常由2～3个自由度构成。其动作空间近似一个球体，所以也称多关节球面机器人。其优点是可以自由地实现三维空间的各种姿势，可以生成各种复杂形状的轨迹。相对机器人的安装面积．其动作范围很宽。缺点是结构刚度较低，动作的绝对位置精度磨较低。它广泛应用于代替人完成装配作业、货物搬运、电弧焊接、喷涂、点焊接等作业场合。

水平关节机器人如图3-2，在结构上具有串联配置的二个能够在水平面内旋转的手臂，其自由度可以根据用途选择2～4个，动作空间为一圆柱体。水平关节机器人的优点是在垂直方向上的刚性好，能方便地实现二维平面上的动作，在装配作业中得到普遍应用。

3.3 关节机器人的特点
3.3.1 关节机器人的优点
1）结构紧凑，工作范围大而安装占地面积小。
2）具有很高的可达性。关节坐标式机器人可以使其手部进入像汽车车身这样一个封闭的空间内进行作业，而直角坐标式机器人不能进行此类作业。
3）因为没有移动关节，所以不需要导轨。转动关节容易密封，由于轴承件是大量生产的标准件，则摩擦小，惯性小，可靠性好。
4）所需关节驱动力矩小，能量消耗较小。
5）代替很多不适合人力完成、有害身体健康的复杂工作。
3.3.2 关节机器人的缺点
1）肘关节和肩关节轴线是平行的，当大、小臂舒展成一直线时，虽能抵达很远的工作点，但机器人的结构刚度比较低。
2）机器人手部在工作范围边界上工作时有运动学上的退化行为。
3）价格高，导致初期投资的成本高。
3．4 关节机器人的应用
关节机器人在工业中运用非常广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都采用这种机器人。下面以焊接机器人为例，简单介绍关节机器人在焊接中的作用。焊接机器人（见图3-3）之所以能够占据整个工业机器人总量的40%以上，与焊接这个特殊的行业有关，焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响。归纳起来采用焊接机器人有下列主要意义：
    （1）稳定和提高焊接质量,保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度及焊接干伸长度等对焊接结果起决定作用。采用机器人焊接时对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小,降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量是稳定的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长等都是变化的，因此很难做到质量的均一性。
    （2）改善了工人的劳动条件。采用机器人焊接工人只是用来装卸工件，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等，对于点焊来说工人不再搬运笨重的手工焊钳，使工人从大强度的体力劳动中解脱出来。
    （3）提高劳动生产率。机器人没有疲劳，一天可24小时连续生产，另外随着高速高效焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。
    （4）产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。
    （5）可缩短产品改型换代的周期,减小相应的设备投资。可实现小批量产品的焊接自动化。机器人与专机的最大区别就是他可以通过修改程序以适应不同工件的生产。

焊接机器人分为点焊机器人和弧焊机器人。弧焊机器人的应用非常广泛，除汽车行业之外，在通用机械、金属结构等许多行业中都有应用。弧焊机器人应是包括各种焊接附属装置在内的焊接系统，而不只是以规划的速度和姿态携带焊枪移动的单机。弧焊机器人见图3-4。

在弧焊作业中，要求焊枪跟踪焊件的焊道运动，并不断填充金属形成焊缝。因此，运动过程中速度的稳定性和轨迹精度是两项重要的指标。一般情况下，焊接速度约取5-50mm/s，轨迹精度约为正负0.2—0.5mm。由于焊枪的姿态对焊缝质量也有一定的影响，因此希望在跟踪焊道的同时，焊枪姿态的调整范围尽量大。点焊机器人被广泛用来焊接薄板材料，点焊作业占汽车工厂的车体组装工程的大半。关节型点焊机器人工作空间/安装面积之比大，还可以附加整机移动的自由度。
4结论
工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来,机器人技术及其产品发展很快,已成为柔性制造系统( FMS) 、自动化工厂( FA) 、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。广泛采用工业机器人,不仅可提高产品的质量与数量,而且保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低生产成本有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样,工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。

表4-1 各种运动形式特点对比
形式
工作范围
所占空间
运动惯性
国外应用状况
国内应用状况
直观性
其他
圆柱坐标式
较大
较小
较大
最多
多
较强

球坐标式
大
较小
较小
多
较少
差
能抓取地面物品
关节坐标式
最大
较小
较小
较多
最多
最差
能绕过障碍选取途径

本文主要对圆柱机器人，球坐标机器人和关节机器人这三种机器人进行了概述和简单的应用分析，表4-1是对这三种机器人一些特点的对比。这三种机器人，在目前的工业行业中，关节机器人还是应用最为广泛的。在实际应用中对于这三种机器人的选取，还是要根据实际的需要和工作环境等等，只有选取了合适的机器人，才能使各项工作更加事倍功半。

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