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少自由度工业机器人构型综合原理1
曲海波,方跃法,郭盛
北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京(100044)
E-mail: haibo-qu@
摘要:本文提出了一种少自由度工业机器人构型综合的理论方法。首先,根据给定的工作
要求,研究分析期望机构的自由度类型。然后,通过分析约束螺旋系与几何条件,得到机构
中运动副螺旋与约束螺旋系的关系。最后,结合构型约束的几何条件并考虑机构控制等方面
的实际情况,对运动副螺旋进行线性组合并验证机构的瞬时性,即可得到所期望自由度要求
的机构构型。文中以自由度类型为 2R3T 的工业机器人作为实例进行了阐述。
关键词:工业机器人;构型综合;螺旋系;瞬时性
中图分类号:TH112

1. 引言
自由度少于六的工业机器人称为少自由度工业机器人。少自由度工业机器人不能进行完
全的空间位置定位和姿态调整,但是在某些特定的工作情况下,诸如弧焊、点焊、喷涂、搬
运、涂胶作业等,少自由度已经能够满足工作要求,并且相对于六自由度甚至具有冗余自由
度的机器人来说,少自由度工业机器人在构型设计和控制方面更具优势。但是在实际应用中
工业机器人的构型综合却依然停留在借助经验进行设计,然后不断试验、改进的层面上[1,2]。
虽然这也形成了某些可行的方案,但是普遍适用的少自由度工业机器人的构型综合方法却并
未完全建立。
目前,对于少自由度工业机器人的构型设计综合则少有人做。除了经验的方法,杨廷力
[3]等根据运动输出特征方程和不同尺度类型的串联机构的输出特性,进行了串联机构的拓扑
结构综合;再者便是一大批学者在进行并联机器人设计时,按照串联支链对动平台提供的约
束类型(纯力、力偶和力螺旋)对串联支链的结构类型进行了综合[4,5,6,7],且称之为螺旋理
论支链法。
随着结构化环境工作情况对工业机器人需求的加大,使用少自由度机器人来完成工作已
经成为趋势。当前串联机器人的发展方向上主要体现在新型机器人的推出以及机器人应用技
术的丰富和发展[1],但少自由度串联机器人构型的设计理论化、系统化则成为一个容易被忽
视却急待解决的问题。
本文提出了少自由度工业机器人的构型综合原理。首先根据给定的工作要求,研究分析
期望机构的自由度类型。然后,将机构自由度以螺旋的形式表示,并找出所对应的约束螺旋
系,运用螺旋理论的方法得到机构中运动副轴线与约束螺旋系的关系。最后,结合构型约束
的几何条件并考虑机构控制与构型等方面的实际情况,对运动副螺旋进行线性组合并验证机
构的瞬时性,即可得到所期望自由度要求的机构构型。文中以自由度为 2R3T 的工业机器人
作为实例对此原理进行了阐述。
2. 少自由度工业机器人构型设计
机构自由度分析

1 本课题得到国家自然科学基金少自由度并联机器人真实运动特性研究(50675016),高等学校博士学科点专
项科研基金装配误差对并联机器人运动特性影响的分析(20050004038)的资助。
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机构在空间的多维运动可以用绝对坐标系下的自由度表示。此处定义自由度 n 为机器人
末端操作器的独立运动个数。在空间运动中,末端操作器的独立运动个数最多有6个,包括
分别沿三个坐标轴的平移和绕三个坐标轴的转动