机器人轴系空间配置如何优化？

机器人轴系空间配置

核心定义： 机器人的“轴系空间配置”指的是其机械臂的各个关节（轴）在三维空间中的几何布局、运动方向和相互关系，它从根本上决定了机器人的工作空间形状、运动灵活性、可达姿态以及整体结构特性。

它回答了这样一个问题：“我们如何将多个旋转或平移关节组合在一起，以实现期望的功能？”

为什么轴系空间配置如此重要？

轴系配置是机器人设计的基因,它直接或间接地影响以下关键性能：

1. 工作空间: 机器人末端执行器（如夹爪、焊枪）能够到达的所有点的集合，配置决定了工作空间的形状（球形、圆柱形、球形截角等）和大小。
2. 灵活性: 机器人到达特定姿态（位置和方向）的能力，某些配置在特定区域非常灵活,而在其他区域则受限。
3. 奇异性: 当机器人失去一个或多个自由度，导致微小关节运动引起巨大末端运动或无法控制的运动时，会发生奇异点,配置决定了奇异点出现的区域和频率。
4. 刚度与精度: 在承受负载或运动时，抵抗变形的能力，串联机器人的刚度随末端位置和姿态变化,配置对此有显著影响。
5. 动力学性能: 如加速度、最大速度、能耗等,配置影响惯量分布和力传递效率。
6. 可达性与避障: 机器人绕过自身或环境中障碍物的能力，紧凑的配置（如协作机器人）在狭窄空间中更具优势。

核心构成要素：关节类型

在讨论配置之前，必须先了解构成配置的基本单元——关节。

注： 实际机器人中，球关节通常由三个相互垂直的旋转关节（R-R-R）来近似实现。

主要的轴系空间配置类型

根据关节的组合方式和几何布局,机器人配置主要分为以下几类：

笛卡尔/直角坐标机器人

• 配置: 所有关节均为平移关节,且运动轴线相互垂直。
• 表示: PPP
• 结构: 像一个三维的龙门吊，由X、Y、Z三个方向的导轨组成。
• 工作空间: 长方体。
• 优点:
  • 结构简单： 控制算法最简单,运动学正逆解都很容易。
  • 高精度和高刚度： 每个轴的运动独立,互不干扰。
  • 编程直观： 运动路径规划和示教非常方便。
• 缺点:
  • 工作空间小： 与其占地面积相比,工作空间利用率低。
  • 灵活性差： 无法实现末端执行器的旋转（除非增加额外的R轴）。
  • 占地面积大： X/Y/Z轴的导轨需要占据很大的平面空间。
• 应用: 点胶、涂覆、拾取放置、激光切割/焊接（特别是大型工件）、CNC机床。

圆柱坐标机器人

• 配置: 两个平移关节和一个旋转关节。
• 表示: RPP (旋转-平移-平移)
• 结构: 一个垂直的立柱，可以绕其中心轴旋转，臂可以沿立柱上下移动,末端可以沿径向伸缩。
• 工作空间: 一个圆柱体。
• 优点:
  • 工作空间大： 相比同等尺寸的笛卡尔机器人,其工作空间更大。
  • 结构相对简单： 控制比笛卡尔机器人稍复杂,但比关节型机器人简单。
  • 刚性较好。
• 缺点:
  • 灵活性受限： 末端姿态变化有限。
  • 工作空间有盲区： 立柱后方的工作空间可能受限。
• 应用: 机床上下料、材料搬运、装配。

球坐标机器人

• 配置: 两个旋转关节和一个平移关节。
• 表示: RRP (旋转-旋转-平移)
• 结构: 类似于人的手臂，肩部可以旋转，肘部可以俯仰,前臂可以伸缩。
• 工作空间: 一个球形或球形截角体。
• 优点:
  • 非常大的工作空间： 覆盖范围广。
  • 灵活性较好： 可以到达空间中更多的点。
• 缺点:
  • 控制复杂： 运动学逆解较复杂。
  • 奇异性： 在伸展或收缩到极限时容易进入奇异点。
• 应用: 喷涂、大型工件的点焊、模拟器。

SCARA机器人 (Selective Compliance Assembly Robot Arm)

• 配置: 四个旋转关节，其中Z轴（第四轴）通常是一个旋转平移关节。
• 表示: RRRP (或 RRC)
• 结构: 在水平面内非常灵活，但在垂直方向上刚度很高，其前三个轴（R-R-R）决定了末端在水平面的位置，第四轴（P或R）控制末端的高度或旋转。
• 工作空间: 一个圆柱体。
• 优点:
  • 高柔性/高刚性： 在水平面内柔顺性好，适合插拔、装配；在垂直方向刚性好,适合承受负载。
  • 速度快： 结构简单，运动惯量小,非常适合高速拾放。
  • 控制相对简单： 运动学解耦性好。
• 缺点:
  • 工作空间受限： 无法实现复杂的空间姿态（如绕自身长轴旋转）。
  • 垂直方向灵活性差。
• 应用: 电子行业（如手机、芯片装配）、食品包装、小型零件的快速分拣。

六轴关节型机器人

• 配置: 六个旋转关节。
• 表示: RRRRRR
• 结构: 这是目前最通用、最常见的工业机器人形态,模仿人类的手臂和手腕。
• 工作空间: 近似一个球形截角体,但姿态极其灵活。
• 优点:
  • 极高的灵活性： 末端执行器可以到达工作空间内的任意位置和姿态。
  • 工作空间大： 覆盖范围广。
  • 通用性强： 适用于绝大多数自动化任务。
• 缺点:
  • 控制最复杂： 运动学和动力学模型复杂,对控制器要求高。
  • 奇异性多： 工作空间内存在多个奇异区域,需要算法规避。
  • 编程难度大： 需要专业的示教器或离线编程软件。
• 应用: 万能型机器人，包括弧焊、点焊、喷涂、打磨、去毛刺、装配、搬运等几乎所有工业领域。

并联机器人

• 配置: 与串联机器人相反，末端执行器通过多条（通常是多条）独立的运动链连接到基座上。
• 结构: 最典型的代表是 Delta机器人，由三个电机驱动四连杆机构,带动一个动平台。
• 工作空间: 一个较小的球形区域。
• 优点:
  • 极高的速度和加速度： 结构闭环，刚度高,运动部件质量轻。
  • 高精度和重复性： 误差不累积。
  • 动态响应好。
• 缺点:
  • 工作空间小： 特别是姿态变化范围小。
  • 结构复杂，成本高。
  • 可达性受限： 无法到达基座和动平台之间的空间。**
• 应用: 高速分拣（如糖果、电子产品）、高速拾放、医疗手术机器人。

如何选择合适的轴系配置？

选择哪种配置取决于具体的应用需求：

机器人的轴系空间配置是一个在功能性、成本、性能和复杂性之间进行权衡的艺术，理解不同配置的特点,是进行机器人系统设计和选型的第一步。

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