作者：曹胜男、朱冬、祖国建 编著
出版社：化学工业出版社
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工业机器人设计与实例详解试读：
前言
前 言工业机器人技术是近年来新技术发展的重要领域之一，是以微电子技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉、综合而成的一种综合性高新技术，它涉及计算机科学、机械学、电子学、自动控制、人工智能等多个学科。工业机器人从出现到现在的短短几十年中，已经广泛地应用于国民经济的各个领域，成为现代工业生产不可或缺的好帮手，在提高产品质量、加快产品更新、提高生产效率、促进制造业的柔性化、增强企业和国家的竞争力等方面都发挥着举足轻重的地位，且在航空航天、海底探险、核工业中完成了人类难以完成的工作。因此，工业机器人技术不但在许多学校被列为机电一体化专业的必修课程，而且也成为广大工程技术人员和机电爱好者迫切需要掌握的知识。
近年来，越来越多的国内企业在生产中采用了工业机器人，各种机器人生产厂家的销售量都有大幅度的提高。据调查，我国已有几百余家工业机器人制造企业和系统集成企业，但其中88%是系统集成企业，全产业链机器人制造商还不多。中高端驱动器、减速器、控制器等核心元器件还需从国外进口。可以预见，中国的工业机器人产业将会在国民经济中占据重要的地位，工业机器人技术也正因此吸引了越来越多的不同专业背景的科研技术人员开展深入研究。
目前，关于机器人实际操作和应用的知识只能依赖于各种商业机器人产品的用户手册。所以编写一本兼顾理论与实践操作的工业机器人教材就显得十分必要了。
本书主要内容包括工业机器人的基础知识、工业机器人机械系统、电动机驱动、运动学计算、控制技术、传感器、轨迹规划与编程操作及其应用等。并结合实验教学使学生从机器人实体和实际工程应用两方面对所学知识进行消化理解，以提升教学效果。
本书由娄底职业技术学院曹胜男、朱冬老师和长沙民政职业技术学院祖国建教授编写。在编写过程中，参考了有关机器人方面的论著、资料，在此一并对其作者表示衷心的感谢。
由于编者水平有限，书中内容难免存在不足之处，恳请读者给予批评指正。编著者第1章 工业机器人概论1.1 工业机器人的定义及工作原理1.1.1 工业机器人的定义
工业机器人一般指在工厂车间环境中为配合自动化生产的需要，代替人来完成材料的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。能代替人完成搬运、加工、装配功能的工作可以是各种专用的自动机器，但是使用机器人则是为了利用它的柔性自动化功能，以达到最高的技术经济效益。有关工业机器人的定义有许多不同说法，通过比较这些定义，可以对工业机器人的主要功能有更深入的了解。（1）工业机器人协会（JIRA）对工业机器人的定义
工业机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行装置的、能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。它又分以下两种情况来定义：
①工业机器人是“一种能够执行与人的上肢类似动作的多功能机器”。
②智能机器人是“一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器”。 （2）美国机器人协会（RIA）对工业机器人的定义
机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机”。（3）国际标准化组织（ISO）对工业机器人的定义
机器人是“一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具或专用装置，以执行各种任务”。
以上定义的各种机器人实际上均指操作型工业机器人。实际工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人。工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现某种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。为了达到其功能要求，工业机器人的功能组成中应该有以下几个部分：
①为了完成作业要求，工业机器人应该具有操作末端执行器的能力，并能正确控制其空间位置、工作姿态及运行程序和轨迹。
②能理解和接受操作指令，把这种信息指令记忆、存储，并通过其操作臂各关节的相应运动复现出来。
③能和末端执行器（如夹持器或其他操作工具）或其他周边设备（加工设备、工位器具等）协调工作。1.1.2 工业机器人工作原理
机器人系统实际上是一个典型的机电一体化系统，其工作原理为：控制系统发出动作指令，控制驱动器动作，驱动器带动机械系统运动，使末端操作器到达空间某一位置和实现某一姿态，实施一定的作业任务。末端操作器在空间的实时位姿由感知系统反馈给控制系统，控制系统把实际位姿与目标位姿相比较，发出下一个动作指令，如此循环，直到完成作业任务为止。1.2 工业机器人的组成及分类1.2.1 工业机器人的组成
工业机器人由三大部分六个子系统组成。这三大部分是机械部分、传感部分、控制部分。六个子系统是驱动系统、机械结构系统、感觉系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统、控制系统，如图1-1所示。图1-1 机器人系统组成
其中传感部分包括感觉系统和机器人-环境交互系统，控制部分由人机交互系统和控制系统构成，机械部分则包括驱动系统和机械结构系统。六个子系统的作用分述如下。（1）驱动系统
要使机器人运行起来需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置，这就是驱动系统。驱动系统可以是液压、气压或电动的，也可以是把它们结合起来应用的综合系统。可以直接驱动，还可以通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。（2）机械结构系统
工业机器人的机械结构系统由机身、手臂、手腕、末端操作器四大件组成，如图1-2所示。每一个大件都有若干自由度，构成一个多自由度的机械系统。若基座具备行走机构便构成行走机器人；若基座不具备行走及腰转机构，则构成单机器人臂（single robot arm）。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端操作器是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是二手指或多手指的手爪，也可以是喷漆枪、焊具等作业工具。图1-2 工业机器人机械结构系统（3）感受系统
感受系统由内部传感器和外部传感器组成，获取内部和外部环境状态中有意义的信息。现也可以应用智能传感器提高机器人的机动性、适应性和智能化的水平。人类的感受系统对感知外部世界信息是极其敏感的。但是，对于一些特殊的信息，机器人传感器比人类的感受系统更有效、更准确。（4）机器人-环境交互系统
机器人-环境交互系统是实现机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。工业机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。当然，也可以是多台机器人、多台机床或设备、多个零件存储装置等集成一个去执行复杂任务的功能单元。图1-3为气缸模块化装配生产线，其中的机器人用在气缸装配作业中，该机器人需要与周围的传送带控制器、冲压机控制器进行交互，才能完成工作。图1-3 气缸模块化装配生产线（5）人机交互系统
人机交互系统是操作人员与机器人进行交互的装置，可分为两大类：指令给定装置，如示教盒、触摸屏等；信息显示装置，如显示器等。如图1-4所示的机器人示教盒就是一种人机交互系统。图1-4 人机交互系统示教盒（6）控制系统
控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构完成规定的运动和功能。
图1-5为一台典型的工业机器人系统。它包括机械部分（机器人的手指、手腕、手臂、手臂的连接部分和机座等）、执行装置（驱动机座上的机体、手臂、手指、手腕等运动的电机和电磁铁等）、能源（驱动电机的电源和驱动液压系统、气压系统的液压源和气压源）、传感器（检测旋转编码器和检速发动机等旋转角度和旋转角速度，用于检测机器人的运动）、计算机（根据来自旋转编码器或检速发电机的信号，判断机器人的当前状态，并计算和判断要达到所希望的状态或者移动到某一目标应该如何动作）。图1-5 典型的工业机器人系统1.2.2 机器人的分类
机器人的分类方法很多，这里依据两个有代表性的分类方法列举机器人的分类。（1）按照应用类型分类
机器人按照应用类型可分为工业机器人、极限作业机器人和娱乐机器人。
①工业机器人 工业机器人有搬运、焊接、装配、喷漆、检查等机器人，主要用于现代化的工厂和柔性加工系统中，如图1-6、图1-7所示。图1-6 弧焊机器人图1-7 汽车小件焊接机器人系统
②极限作业机器人 极限作业机器人主要是指在人们难以进入的核电站、海底、宇宙空间进行作业的机器人，也包括建筑、农业机器人等，如图1-8、图1-9所示。图1-8 排爆机器人图1-9 火星探测机器人
③娱乐机器人 娱乐机器人包括弹奏乐器的机器人、舞蹈机器人、玩具机器人等（具有某种程度的通用性），也有根据环境而改变动作的机器人，如图1-10、图1-11所示。图1-10 宠物机器狗图1-11 机器小孩（2）按照控制方式分类
机器人按控制方式可分为操作机器人、程序机器人、示教再现机器人、智能机器人和综合机器人。
①操作机器人 操作机器人的典型代表是在核电站处理放射性物质时远距离进行操作的机器人。在这种场合，相当于人手操作的部分称为主动机械手，而从动机械手基本上与主动机械手类似，只是从动机械手要比主动机械手大一些，作业时的力量也更大。
②程序机器人 程序机器人按预先给定的程序、条件、位置进行作业，目前大部分机器人都采用这种控制方式工作。
③示教再现机器人 示教再现机器人同盒式磁带的录放一样，将所教的操作过程自动记录在磁盘、磁带等存储器中，当需要再现操作时，可重复所教过的动作过程。示教方法有手把手示教、有线示教和无线示教，如图1-12所示。图1-12 机器人示教
④智能机器人 智能机器人不仅可以执行预先设定的动作，还可以按照工作环境的变化改变动作。
⑤综合机器人 综合机器人是由操作机器人、示教再现机器人、智能机器人组合而成的机器人，如火星机器人。1997年7月4日，“火星探险者（Mars Pathfinder）”在火星上着陆，着陆体是四面体形状，着陆后三个盖子的打开状态如图1-13所示。它在能上、下、左、右动作的摄像机平台上装有两台CCD摄像机，通过立体观测而得到空间信息。整个系统可以看作是由地面指令操纵的操作机器人。图1-13 火星探险者
图1-13所示的火星机器人既可按地面上的指令移动，也能自主地移动。地面上的操纵人员通过电视可以了解火星地形，但由于电波往返一次大约需40min，因此不能一边观测一边进行操纵。所以，要考虑火星机器人的动作程序，可用这个程序先在地面进行移动实验，如果没有问题，再把它传送到火星上，火星机器人就可再现同样的动作。该机器人不仅能移动，而且能在到达指定目标后用自身的传感器一边检测障碍物一边安全移动。1.3 工业机器人的主要特征及表示方法1.3.1 工业机器人的主要特征
自20世纪60年代初第一代机器人在美国问世以来，工业机器人的研制和应用便有了飞速的发展，但工业机器人最显著的特点归纳有以下几个：（1）可编程
生产自动化的进一步发展是柔性自动化。工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统（FMS）中的一个重要组成部分。（2）拟人化
工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。此外，智能化工业机器人还有许多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等。传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。（3）通用性
除了专门设计的专用的工业机器人外，一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换工业机器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的作业任务。（4）机电一体化
工业机器人技术涉及的学科相当广泛，但是归纳起来是机械学和微电子学的结合——机电一体化技术。第三代智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器，而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能，这些都和微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。因此，机器人技术的发展必将带动其他技术的发展，机器人技术的发展和应用水平也可以验证一个国家科学技术和工业技术的发展和水平。1.3.2 工业机器人的主要特性表示方法（1）坐标系
工业机器人使用的坐标系符合右手定则。图1-14为工业机器人的三个坐标系。（2）工作空间
指工业机器人正常运行时，其手腕参考点在空间所能达到的区域，用来衡量机器人工作范围的大小。图1-15为工业机器人的工作空间。图1-14 工业机器人的三个坐标系图1-15 工业机器人的工作空间（3）其他特性
包括机械结构类型、用途、外形尺寸、重量、负载、速度、驱动方式、动力源、控制、编程方法、性能、分辨率和使用环境条件等。1.4 工业机器人的技术性能
工业机器人的技术性能的主要表现技术参数即为工业机器人制造商在产品供货时所提供的技术数据。表1-1、表1-2为两种工业机器人的主要技术参数。尽管各厂商提供的技术参数不完全一样，工业机器人的结构、用途等有所不同，且用户的要求也不同，但工业机器人的主要技术参数一般应包括自由度、精度、工作范围、速度、承载能力等。表1-1 三菱装配机Movemaster EX RV-MI 的主要参数表1-2 PUMA562 工业机器人的主要技术参数（1）自由度图1-16 PUMA562 工业机器人
自由度（degree of freedom）是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不应包括手爪（末端操作器）的开合自由度。例如，A4020型装配机器人具有四个自由度，可以在印制电路板上接插电子器件；PUMA562机器人具有六个自由度，如图1-16所示，可以进行复杂空间曲面的弧焊作业。从运动学的观点看，在完成某一种特定作业时具有多余自由度的机器人，就叫作冗余自由度机器人。例如PUMA562机器人去执行印制电路板上接插电子器件的作业时就成为冗余自由度机器人。利用冗余的自由度可以增加机器人的灵活性，躲避障碍物和改善动力性能。人的手臂（大臂、小臂、手腕）共有七个自由度，所以工作起来很灵巧，手部可回避障碍物，从不同方向到达同一个目的点。
无论机器人的自由度有多少，在运动形式上分为两种，直线运动（P）和旋转运动（R），如RPRR表示四个运动自由度，从基座到臂端，关节的运动方式为旋转—直线—旋转—旋转。（2）精度
工业机器人精度（accuracy）是指定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度是指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力，可以用标准偏差来表示，它是衡量一列误差值密集度的统计量，即重复度，如图1-17所示。图1-17 工业机器人定位精度和重复定位精度的典型情况（3）工作范围
工作范围（work space）是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合。因为末端操作器的尺寸和形状是多种多样的，为了真实反映机器人的特征参数，所以这个性能是指不安装末端操作器时的工作区域。工作范围的形状和大小是十分重要的，机器人在执行作业时可能会因为存在手部不能达到的作业死区（dead zone）而不能完成任务。图1-18和图1-19分别为PUMA机器人和A4020机器人的工作范围。图1-18 PUMA工业机器人的工作范围图1-19 A4020型SCARA机器人的工作范围（4）速度
速度（speed）和加速度是表明机器人运动特征的主要指标。说明书中通常提供了主要运动自由度的最大稳定速度，但在实际应用中单纯考虑最大稳定速度是不够的。这是因为由于驱动器输出功率的限制，从启动到达最大稳定速度或从最大稳定速度到停止，都需要一定时间。如果最大稳定速度高，允许的极限加速度小，则加减速的时间就会长一些，对应用而言有效速度就要低一些。反之，如果最大稳定速度低，允许的极限加速度大，则加速度的时间就会短一些，有利于有效速度的提高。但如果加速或减速过快，有可能引起定位时超调或振荡加剧，使得到达目标位置后需要等待振荡衰减的时间增加，也可能使有效速度反而降低。所以考虑机器人运动特性时，除注意最大稳定速度外，还应注意其最大允许的加减速度。（5）承载能力
承载能力（payload）是指机器人在工业范围内的任何位姿上所有承受的最大质量。承载能力不仅取决于负载的质量，而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。为了安全起见，承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力。通常，承载能力不仅指负载，而且还包括了机器人末端操作器的质量。图1-20为三菱装配机器人在不带末端操作器时的承载能力。图1-21为三菱装配机器人在带电动手爪时的承载能力。图1-20 三菱装配机器人在不带末端操作器时的承载能力（1kgf=9.80665N）图1-21 三菱装配机器人在带电动手爪时的承载能力（1gf=0.098N）
机器人有效负载的大小除受到驱动器功率的限制外，还受到杆件材料极限应力的限制，因而，它又和环境条件（如地心引力）、运动参数（如运动速度、加速度以及它们的方向）有关。如图1-22所示，操作臂额定可搬运的质量为14500kg，在运动速度较低时能达到29500kg。然而这种负荷能力只是太空中失重条件下才有可能达到。在地球上，该手臂本身的质量达410kg，连自重引起的臂杆变形都无法承受，更谈不上可搬运质量的问题了。图1-22 航天飞机上的操作臂1.5 工业机器人的基本设计方法
工业机器人是典型的机电一体化产品，对其开发需采用系统的观点，立足全局，合理分配机械、电子、硬件、软件各部分所承担的任务和功能，这对提高系统的整体性能、结构简化、成本降低起着举足轻重的作用，可以实现功能互补。因此，研制开发工业机器人是一项难度较大的工作，需要有充分的技术准备与一定的物质条件。一般机器人的总体设计及其开发顺序如下。1.5.1 工业机器人的设计方法
由前述工业机器人工作原理分析可知，工业机器人与机床在基本功能和基本工作原理上有相似之处，但其特征及要求不同。
从设计方法上看，工业机器人的设计方法与机床设计方法基本相通，但其具体的设计内容、设计要求及设计技术又有很大差别。
工业机器人总体方案的设计方法也可以分为分析式设计方法和创成式设计方法。1.5.2 工业机器人设计内容与步骤（1）总体设计
①基本技术参数设计
a.用途，如搬运、点焊等。
b.额定负载。额定负载是指在机器人规定的性能范围内，机械接口处所能承受负载的允许值，由机器人末端执行器的质量、抓取工件的质量及惯性力（矩）、外界的作用力（矩）来确定。
c.按作业要求确定工作空间，要考虑作业对象对机器人末端执行器的位置和姿态要求，以便为后续方案设计中的自由度设计提供依据。
d.额定速度。指工业机器人在额定负载、匀速运动过程中，机械接口中心的最大速度。由于机器人的总体结构尚未设计，故该阶段只能概略估计。
e.驱动方式的选择。
f.性能指标。
②总体方案设计
a.运动功能方案设计。该阶段的主要任务是设计确定机器人的自由度数、各关节运动的性质及排列顺序、在基准状态时各关节轴的方向。
b.传动系统方案设计。根据动力及速度参数、驱动方式等选择传动方式和传动元件。
c.结构布局方案。根据机器人的工作空间、运动功能方案及传动方案，确定关节的形式、各构件的概略形状和尺寸。
d.参数设计。确定在基本技术参数设计阶段尚无法考虑的一些参数，如单轴速度、单轴负载、单轴运动范围等。该项工作应与结构布局方案设计工作交叉进行。
e.控制系统方案设计。近期设计的工业机器人基本上都采用计算机控制系统。
f.总体方案评价。（2）详细设计
详细设计内容包括装配图设计、零件图设计和控制系统设计。（3）总体评价
总体设计阶段所得的设计结果是各构件及关节的概略形状及尺寸，通过详细设计将其细化了，而且总体设计阶段尚未考虑的细节也具体化了，因此各部分尺寸会有一些变化，需要对设计进行总体评价，检测其是否能满足所需设计指标的要求。第2章 工业机器人机械结构系统设计
工业机器人机械结构系统是机器人的支承基础和执行机构，计算、分析和编程的最终目的是要通过本体的运动和动作完成特定的任务。机械结构系统设计是机器人设计的一个重要内容，其结果直接决定着机器人工作性能的好坏。工业机器人不同于其他自动化专业设备，在设计上具有较大的灵活性。不同应用领域的工业机器人在机械结构系统设计上的差异较大，因此它们的使用要求是工业机器人机械系统设计的基本出发点。
本章主要对工业机器人的传动机构、机身、臂部结构、腕部结构、手部结构、行走机构等方面的内容进行介绍，并着重对当前流行的SCARA机器人的机械结构系统进行实例分析。2.1 工业机器人总体设计
工业机器人的设计过程是跨学科的综合设计过程，涉及机械设计、传感技术、计算机应用、自动控制等多方面内容。在设计工业机器人时要从总体出发研究工业机器人各个组成部分之间及外部环境之间的相互关系。
机器人总体设计一般分为系统设计和技术设计两大步骤。2.1.1 系统设计
机器人是实现生产过程自动化、提高劳动生产率的一种有力工具。要使一个生产过程实现自动化，需要对各种机械化、自动化装置进行综合的技术和经济分析，以确定使用的机器人是否合适。确定使用机器人，设计人员一般要先做好如下工作。
①根据机器人的使用场合，明确机器人的目的和任务。
②分析机器人所在系统的工作环境，包括机器人与已有设备的兼容性。
③认真分析系统的工作要求，确定机器人的基本功能和方案，如机器人的自由度数目、信息的存储容量、计算机功能、动作速度、定位精度、抓取质量、容许的空间结构，以及温度、振动等环境条件的适用性。再进一步根据被抓取、搬运物体的质量、形状、尺寸及生产批量等情况，确定机器人末端操作器的形式及抓取工件的部位和握力大小。
④进行必要的调查研究，搜集国内外的有关技术资料，进行综合分析，找出可借鉴之处，了解设计过程中需要注意的问题。2.1.2 技术设计（1）机器人基本参数的确定
在系统分析的基础上，具体确定机器人的自由度数目、作业范围、承载能力、运动速度及定位精度等基本参数。
①自由度数目的确定 自由度是机器人的一个重要技术参数，由机器人的机械结构形式决定。在三维空间中描述一个物体的位置和姿态（简称位姿）需要六个自由度。但是，机器人的自由度是根据其用途而设计的，可能少于六个自由度，也可能多于六个自由度。例如A4020型装配机器人具有四个自由度，可以在印制电路板上接插电子器件；三菱重工的PA-10型机器人具有七个自由度，可以进行全方位打磨工作。在满足机器人工作要求的前提下，为简化机器人的结构和控制，应使自由度数且最少。工业机器人的自由度一般为四至六个。自由度数目的选择也与生产要求有关。如果生产批量大、操作可靠性要求高、运行速度快、周围设备构成比较复杂、所抓取的工件质量较小，机器人的自由度数目可少一些；如果要便于产品更换、增加柔性，则机器人的自由度数目要多一些。
②作业范围的确定 机器人的作业范围需根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一条运动轨迹往往是由几个动作合成的。在确定作业范围时，可将运动轨迹分解成单个动作，由单个动作的行程确定机器人的最大行程。为便于调整，可适当加大行程数值。各个动作的最大行程确定之后，机器人的作业范围也就定下来了。但要注意的是，作业范围的形状和尺寸会影响机器人的坐标形式、自由度数目、各手臂关节轴线间的距离和各关节轴转角的大小及变动范围。作业范围大小不仅与机器人各杆件的尺寸有关，而且与它的总体构形有关。在作业范围内要考虑杆件自身的干涉，也要防止构件与作业环境发生碰撞。此外，还应注意在作业范围内某些位置（如边界）机器人可能达不到预定的速度，甚至不能在某些方向上运动，即所谓作业范围的奇异性。
③运动速度的确定 确定机器人各动作的最大行程之后，可根据生产需要的工作节拍分配每个动作的时间，进而确定完成各动作时机器人的运动速度。如两个机器人要完成某一工件的上料过程，需完成夹紧工件及手臂升降、伸缩、回转等一系列动作，这些动作都应该在工作节拍所规定的时间内完成。至于各动作的时间究竟应如何分配，则取决于很多因素，不是通过一般的计算就能确定的。要根据各种因素反复考虑，并试制订各动作的分配方案，比较动作时间的平衡后才能确定。节拍较短时，更需仔细考虑。机器人的总动作时间应小于或等于工作节拍。如果两个动作同时进行，要按时间较长的计算。一旦确定了最大行程的动作时间，其运动速度也就确定下来了。
④承载能力的确定 承载能力指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。目前，对专用机械手来说，其承载能力主要根据被抓取物体的质量来定，其安全系数一般可在1.5～3.0之间选取。对工业机器人来说，臂力要根据被抓取、搬运物体的质量的变化范围来确定。
⑤定位精度的确定 机器人的定位精度是根据使用要求确定的，而机器人本身所能达到的定位精度则取决于机器人的定位方式、运动速度、控制方式、臂部刚度、驱动方式、所采取的缓冲方式等因素。
工艺过程的不同对机器人重复定位精度的要求也不同。不同工艺过程所要求的定位精度如表2-1所示。表2-1 不同工艺过程要求的定位精度
当机器人达到所要求的定位精度有困难时，可采用辅助工、夹具协助定位，即机器人把被抓取物体先送到工、夹具进行粗定位，然后利用工、夹具的夹紧动作实现工件的最后定位。采用这种办法既能保证工艺要求，又可降低机器人的定位要求。（2）机器人运动形式的选择
根据主要的运动参数选择运动形式是机械结构设计的基础。常见机器人的运动形式有直角坐标型、圆柱坐标型、球（极）坐标型、关节坐标型和SCARA型五种。为适应不同生产工艺的需要，同一种运动形式的机器人可采用不同的结构。具体选用哪种形式，必须根据工艺要求、工作现场、位置以及搬运前后工件中心线方向的变化等情况分析比较、择优选取。
为了满足特定工艺要求，专用的机械手一般只要求有二至三个自由度，而通用机器人必须具有四至六个自由度，以满足不同产品的不同工艺要求。所选择的运动形式，在满足需要的情况下，应以使自由度最少、结构最简单为宜。（3）拟订检测传感系统框图
确定机器人的运动形式后，还需拟订检测传感系统框图，选择合适的传感器，以便在进行结构设计时考虑安装位置。关于传感器的内容将在后面章节中介绍。（4）确定控制系统总体方案，绘制框图
按工作要求选择机器人的控制方式，确定控制系统类型，设计计算机控制硬件电路并编制相应控制软件。最后确定控制系统总体方案，绘制出控制系统框图，并选择合适的电气元件。（5）机械结构设计
确定驱动方式，选择运动部件和设计具体结构，绘制机器人总装图及主要零部件图。2.2 工业机器人传动机构设计
工业机器人传动机构，也是驱动机构，主要用于把驱动元件的运动传递到机器人的关节和动作部位。按实现的运动方式，驱动机构可分为直线驱动机构和旋转驱动机构两种。驱动机构的运动可以由不同的驱动方式来实现。2.2.1 驱动方式
机器人常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电气驱动三种基本类型。工业机器人出现的初期，由于其大多采用曲柄机构和连杆机构等，所以较多使用液压与气压驱动方式。但随着对机器人作业速度要求越来越高，以及机器人的功能日益复杂化，目前采用电气驱动的机器人所占比例越来越大。但在需要功率很大的应用场合，或运动精度不高、有防爆要求的场合，液压、气压驱动仍应用较多。（1）液压驱动方式
液压驱动的特点是功率大，结构简单，可省去减速装置，能直接与被驱动的杆件相连，响应快，伺服驱动具有较高的精度，但需要增设液压源，而且易产生液体泄漏，故目前多用于特大功率的机器人系统。
液压驱动有以下几个优点：
①液压容易达到较高的单位面积压力（常用油压为2.5～6.3MPa），液压设备体积较小，可以获得较大的推力或转矩。
②液压系统介质的可压缩性小，系统工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度。
③在液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制。
④液压系统采用油液作介质，具有防锈蚀和自润滑性能，可以提高机械效率，系统的使用寿命长。
液压驱动的不足之处如下：
①油液的黏度随温度变化而变化，会影响系统的工作性能，且油温过高时容易引起燃烧爆炸等危险。
②液体的泄漏难以克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价较高。
③需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置， 否则会引起故障。（2）气压驱动方式
气压驱动的能源、结构都比较简单，但与液压驱动相比，同体积条件下功率较小，而且速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制系统。
与液压驱动相比，气压驱动的优点如下：
①压缩空气黏度小，容易达到高速（1m/s）。
②利用工厂集中的空气压缩机站供气，不必添加动力设备，且空气介质对环境无污染，使用安全，可在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环境中工作。
③气动元件工作压力低，故制造要求也比液压元件低，价格低廉。
④空气具有可压缩性，使气动系统能够实现过载自动保护，提高了系统的安全性和柔软性。
气压驱动的不足之处如下：
①压缩空气常用压力为0.4～0.6MPa，若要获得较大的动力，其结构就要相对增大。
②空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要实现准确的位置控制很困难。
③压缩空气的除水是一个很重要的问题，处理不当会使钢类零件生锈，导致机器失灵。
④排气会造成噪声污染。（3）电气驱动
电气驱动是指利用电动机直接或通过机械传动装置来驱动执行机构，其所用能源简单，机构速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高，且具有使用方便、噪声低和控制灵活等特点。电气驱动在机器人中得到了广泛的应用。
根据选用电动机及配套驱动器的不同，电气驱动系统大致分为步进电动机驱动系统、直流伺服电动机驱动系统和交流伺服电动机驱动系统等。步进电动机多为开环控制，控制简单但功率不大，多用于低精度、小功率机器人系统；直流伺服电动机易于控制，有较理想的机械特性，但其电刷易磨损，且易形成火花；交流伺服电动机结构简单，运行可靠，没有电刷等易磨损元件，外形尺寸小，能在重载下高速运行，加速性能好，能实现动态控制与平滑运动，但控制较复杂。目前，常用的交流伺服电动机有交流永磁伺服电动机、感应异步电动机、无刷直流电动机等。交流伺服电动机已逐渐成为机器人的主流驱动方式。2.2.2 直线驱动机构
机器人采用的直线驱动方式包括直角坐标结构的X、Y、Z三个方向的驱动，圆柱坐标结构的径向驱动和垂直升降驱动，以及极坐标结构的径向伸缩驱动。直线运动可以直接由气压缸或液压缸和活塞产生，也可以采用齿轮齿条、丝杠、螺母等传动元件由旋转运动转换而得到。（1）齿轮齿条装置
通常齿条是固定不动的。当齿轮转动时，齿轮轴连同拖板沿齿条方向做直线运动。这样，齿轮的旋转运动就转换成为拖板的直线运动。拖板是由导杆或导轨支承的。该装置的回转误差较大。（2）普通丝杠
普通丝杠驱动采用了一个旋转的精密丝杠，它驱动一个螺母沿丝杠轴向移动，从而将丝杠的旋转运动转换成螺母的直线运动。由于普通丝杠的摩擦力较大，效率低，惯性大，在低速时容易产生爬行现象，精度低，回差大，所以在机器人中很少采用。（3）滚珠丝杠
在机器人中经常采用滚珠丝杠，这是因为滚珠丝杠的摩擦力很小且运动响应速度快。由于滚珠丝杠螺母的螺旋槽里放置了许多滚珠，丝杠在传动过程中所受的是滚动摩擦力，摩擦力较小，因此传动效率高，同时可消除低速运动时的爬行现象。在装配时施加一定的预紧力，可消除回转误差。
滚珠丝杠里的滚珠从钢套管中出来，进入经过研磨的导槽，转动2～3圈以后，返回钢套管。滚珠丝杠的传动效率可以达到90%，所以只需要使用极小的驱动力，并采用较小的驱动连接件，就能够传递运动。通常，人们还使用两个背靠背的双螺母对滚珠丝杠进行预加载，以消除丝杠和螺母之间的间隙，提高运动精度。（4）液压（气压）缸
液压（气压）缸是将液压泵（空气压缩机）输出的压力能转换为机械能并做直线往复运动的执行元件，使用液压（气压）缸可以很容易地实现直线运动。液压（气压）缸主要由缸筒、缸盖、活塞、活塞杆和密封装置等部件构成，活塞杆和缸筒采用精密滑动配合，压力油（压缩空气）从液压（气压）缸一端进去，把活塞推向液压（气压）缸的另一端，从而实现直线运动。通过调节进入液压（气压）缸液压油（压缩空气）的流动方向和流量，可以控制液压（气压）的流动方向和流量，还可以控制液压（气压）缸的运动方向和速度。
早期的许多机器人都是采用由伺服阀控制的液压缸产生直线运动的。液压缸功率大，结构紧凑。虽然高性能的伺服阀价格较贵，但采用伺服阀时不需要把旋转运动转换成直线运动，可以节省转换装置的费用。目前，高效专用设备和自动线大多采用液压驱动，因此配合其作业的机器人可直接使用主设备的动力源。2.2.3 旋转驱动机构
多数普通电动机和伺服电动机都能够直接产生旋转运动，但其输出力矩比所要求力矩小，转速比所要求的转速高，因此需要采用减速机、皮带传动装置或其他运动传动机构，把较高的转速转换成较低的转速，并获得较大的力矩。有时也采用液压缸或气压缸为动力源，这就需要把直线运动转换成旋转运动。运动的传递和转换必须高效率地完成，并且不能有损于机器人系统所需要的特性，特别是定位精度、重复定位精度和可靠性。通过下列设备可以实现运动的传递和转换。（1）齿轮机构
齿轮机构是由两个或两个以上的齿轮组成的传动机构。它不但可以传递运动角位移和角速度，而且可以传递力和力矩。现以具有两个齿轮的齿轮机构为例，说明其中的传动转换关系。其中一个齿轮装在输入轴上，另一个齿轮装在输出轴上，可以得到输入、输出运动的若干关系式。为了简化分析，假设齿轮工作时没有能量损失，齿轮的转动惯量和摩擦力略去不计。
使用齿轮机构应注意以下两点：
①齿轮机构的引入会减小系统的等效转动惯量，从而使驱动电动机的响应时间缩短，这样，伺服系统就更加容易控制。由式（2-1）可知，输出轴的转动惯量转换到驱动电动机上，等效转动惯量的下降与输入、输出齿轮齿数比的平方成正比。 （2-1）
式中，J为系统总的等效转动惯量；J为输出轴系统的总转动惯θ022量，kg·m；J为输入轴系统的总转动惯量，kg·m。i
②齿轮间隙误差将导致机器人手臂的定位误差增加，而且，假如不采取补偿措施，间隙误差还会引起伺服系统的不稳定。（2）同步带传动
同步带传动用来传递平行轴间的运动或将回转运动转换成直线运动，在机器人中的作用主要为前者。同步带和带轮的接触面都制成相应的齿形，靠啮合传递功率。同步带的主要材料是氯丁橡胶，中间用钢、玻璃纤维等拉伸刚度大的材料做加强层，齿面覆盖有耐磨性能好的尼龙布。用来传递轻载荷的同步带可用聚氯基甲酯制造。
同步带传动的优点是传动时无滑动，传动比准确，传动平稳，传动比范围大，初始拉力小，轴及轴承不易过载。但是，这种传动机构的制造及安装要求严格，对带的材料要求也较高，因而成本较高。同步带传动是低惯性传动，适合电动机和高减速比减速器之间的传动。2.2.4 机器人中主要使用的减速器
在实际应用中，驱动电动机的转速非常高，达到每分钟几千转，但机械本体的动作较慢，减速后要求输出转速为每分钟几百转，甚至低至每分钟几十转，所以减速器在机器人的驱动中是必不可少的。由于机器人的特殊结构，对减速器提出了较高要求，减速比要大，要达数百，重量要轻，结构要紧凑，精度要高，回转误差要小。目前，在工业机器人中主要使用的减速器是谐波齿轮减速器和RV减速器两种。2.2.4.1 谐波齿轮减速器
虽然谐波齿轮已问世多年，但直到近年来人们才开始广泛地使用它。目前，有60%～70%的机器人旋转关节使用的是谐波齿轮传动。图2-1 谐波齿轮减速器
谐波齿轮由刚性齿轮、谐波发生器和柔性齿轮三个主要零件组成，如图2-1所示。工作时，刚性齿轮固定安装，各齿均布于圆周上，具有外齿圈的柔性齿轮沿刚性齿轮的内齿圈转动。柔性齿轮比刚性齿轮少2个齿，所以柔性齿轮沿刚性齿轮每转一圈就反方向转过2个齿的相应转角。谐波发生器具有椭圆形轮廓，装在其上的滚珠用于支承柔性齿轮，谐波发生器驱动柔性齿轮旋转并使之发生塑性变形。转动时，柔性齿轮的椭圆形端部只有少数齿与刚性齿轮啮合，只有这样，柔性齿轮才能相对于刚性齿轮自由地转过一定的角度。通常，刚性齿轮固定，谐波发生器作为输入端，柔性齿轮与输出轴相连。
由于自然形成的预加载谐波发生器啮合齿数较多，齿的啮合比较平稳，谐波齿轮传动的齿隙几乎为零，因此传动精度高，回差小。但是，由于柔性齿轮的刚度较差，承载后会出现较大的扭转变形，从而会引起一定的误差。不过，对于多数应用场合，这种变形将不会引起太大的问题。
谐波齿轮传动的特点如下：
①结构简单，体积小，重量轻。
②传动比范围大，单级谐波减速器传动比可在50～300之间，优选在75～250之间。
③运动精度高，承载能力大。由于是多齿啮合，与相同精度的普通齿轮相比，其运动精度能提高四倍左右，承载能力也大大提高。
④运动平稳，无冲击，噪声小。
⑤齿侧间隙可以调整。2.2.4.2 RV减速器
RV减速器由第一级渐开线圆柱齿轮行星减速机构和第二级摆线针轮行星减速机构两部分组成，为一封闭差动轮系。RV减速器具有结构紧凑、传动比大、振动小、噪声低、能耗低的特点，日益受到国内外的广泛关注。与机器人中常用的谐波齿轮减速器相比，具有高得多的疲劳强度、刚度和寿命，而且回差精度稳定，不像谐波齿轮减速器那样随着使用时间增长运动精度会显著降低，故RV减速器在高精度机器人传动中得到了广泛的应用。（1）结构组成
RV减速器的结构与传动简图如图2-2所示，其主要由如下几个构件组成。图2-2 RV减速器结构与传动简图1—中心轮；2—行星轮；3—曲柄轴；4—摆线轮；5—针齿销；6—针轮壳体；7—输出轴；8—支承圆盘；9—输出块
①中心轮 中心轮（太阳轮）1与输入轴连接在起，以传递输入功率，且与行星轮2相互啮合。
②行星轮 行星轮2与曲柄轴3相连接，n个（n≥2，图2-2中为3个）行星轮均匀地分布在一个圆周上。它起着功率分流的作用，即将输入功率分成n路传递给摆线针轮行星机构。
③曲柄轴 曲柄轴3一端与行星轮2相连接，另一端与支承圆盘8相连接，两端用圆锥滚子轴承支承。它是摆线轮4的旋转轴，既带动摆线轮进行公转，同时又支承摆线轮产生自转。
④摆线轮 摆线轮4的齿廓通常为短幅外摆线的内侧等距曲线。为了实现径向力的平衡，一般采用两个结构完全相同的摆线轮，通过偏心套安装在曲柄轴的曲柄处，且偏心相位差为180°。在曲柄轴3的带动下，摆线轮4与针轮相啮合，既产生公转，又产生自转。
⑤针齿销 数量为N个的针齿销固定安装在针轮壳体上，构成针轮，与摆线轮4相啮合而形成摆线针轮行星传动。
⑥针轮壳体（机架） 针齿销的安装壳体。通常针轮壳体6固定，输出轴7旋转。如果输出轴固定，则针轮壳体旋转，两者之间由内置轴承支承。
⑦输出轴 输出轴7与支承圆盘8相互连接成为一个整体，在支承圆盘8上均匀分布多个曲柄轴的轴承孔和输出块9的支承孔（图中各为3个）。在三对曲柄轴支承轴承推动下，通过输出块和支承圆盘把摆线轮上的自转矢量以1∶1的传动比传递出来。（2）工作原理
驱动电动机的旋转运动由中心轮1传递给n个行星轮2，进行第一级减速。行星轮2的旋转运动传给曲柄轴3，使摆线轮4产生偏心运动。当针轮固定（与机架连成一体）时，摆线轮4一边随曲柄轴3产生公转，一边与针轮相啮合。由于针轮固定，摆线轮在与针轮啮合的过程中，产生一个绕输出轴7旋转的反向自转运动，这个运动就是RV减速器的输出运动。
通常摆线轮的齿数比针齿销数少一个，且齿距相等。如果曲柄轴旋转一圈，摆线轮与固定的针轮相啮合，沿与曲柄轴相反的方向转过一个针齿销，形成自转。摆线轮的自转运动通过支承圆盘上的输出块带动输出轴运动，实现第二级减速输出。（3）RV减速器的主要特点
RV减速器具有两级减速装置，曲轴采用了中心圆盘支承结构的封闭式摆线针轮行星传动机构。其主要特点是传动比大，承载能力大，刚度大，运动精度高，传动效率高，回差小。
①传动比大 通过改变第一级减速装置中中心轮和行星轮的齿数，可以方便地获得范围较大的传动比，其常用的传动比范围为I=57～192。
②承载能力大 由于采用了n个均匀分布的行星轮和曲柄轴，可以进行功率分流。而且采用了具有圆盘支承装置的输出机构，故其承载能力大。
③刚度大 由于采用了圆盘支承装置，改善了曲柄轴的支承情况，从而使得其传动轴的扭转刚度增大。
④运动精度高 由于系统的回转误差小，因此可获得较高的运动精度。
⑤传动效率高 除了针轮的针齿销支承部分外，其他构件均为滚动轴承支承，传动效率高，传动效率η=0.85～0.92。
⑥回差小 各构件间所产生的摩擦和磨损较小，间隙小，传动性能好。2.3 工业机器人机身和臂部设计
工业机器人机械部分主要由机身（即立柱）、臂部、腕部、手部四大部分构成。此外，工业机器人必须有一个便于安装的基础件，即机器人的机座，机座往往与机身做成一体。基座必须具有足够的刚度和稳定性，主要有固定式和移动式两种。采用移动式基座可以扩大机器人的工作范围。基座可以安装在小车或导轨上。图2-3为一个具有小车行走机构的工业机器人。图2-4为一个采用过顶安装方式的具有导轨行走机构的工业机器人。图2-3 具有小车行走机构的机器人图2-4 具有导轨行走机构的机器人2.3.1 机身设计
机身和臂部相连，机身支承臂部，臂部有腕部和手部。机身普遍用于实现升降和俯仰等运动，常有一至三个自由度。（1）机身的典型结构
机身结构一般由机器人总体设计确定。圆柱坐标型机器人的回转与升降这两个自由度归属于机身；球（极）坐标型机器人的回转与俯仰这两个自由度归属于机身；关节坐标型机器人的腰部回转自由度归属于机身；直角坐标型机器人的升降或水平移动自由度有时也归属于机身。下面讲述关节型机身的典型结构。
关节型机器人机身只有一个回转自由度，即腰部的回转运动。腰部要支承整个机身绕基座进行旋转，在机器人六个关节中受力最大，也最复杂，既承受很大的轴向力、径向力，又承受倾覆力矩。按照驱动电动机旋转轴线与减速器旋转轴线是否在一条线上，腰部关节电动机有同轴式与偏置式两种布置方案，如图2-5（a）、（b）所示。腰部驱动电动机多采用立式倒置安装。在图2-5（a）中，驱动电动机1的输出轴与减速器4的输入轴通过联轴器3相连，减速器4输出轴法兰与基座6相连并固定，这样减速器4的外壳将旋转，带动安装在减速器机壳上的腰部5绕基座6做旋转运动。在图2-5（b）中，从重力平衡的角度考虑，电动机1与机器人大臂2相对安装，电动机1通过一对外啮合齿轮7做一级减速，把运动传递给减速器4，工作原理与图2-5（a）所示结构相同。图2-5 腰部关节电动机布置方案1—驱动电动机；2—大臂；3—联轴器；4—减速器；5—腰部；6—基座；7—齿轮
图2-5（a）所示的同轴式布置方案多用于小型机器人，而图2-5（b）所示的偏置式布置方案多用于中、大型机器人。腰关节多采用高刚性和高精度的RV减速器传动，RV减速器内部有一对径向止推球轴承，可承受机器人的倾覆力矩，能够满足在无基座轴承时抗倾覆力矩的要求，故可取消基座轴承。机器人腰部回转精度靠RV减速器的回转精度保证。
对于中、大型机器人，为方便走线，常采用中空型RV减速器，其典型使用案例如图2-6所示。电动机1的轴齿轮与RV减速器输入端的中空齿轮3相啮合，实现一级减速。RV减速器4的输出轴固定在基座5上，减速器的外壳旋转实现二级减速，带动安装于其上的机身做旋转运动。图2-6 腰部使用中空RV减速器驱动案例1—驱动电动机；2—大臂；3—中空齿轮；4—RV减速器；5—基座（2）液压（气压）驱动的机身典型结构
圆柱坐标型机器人机身具有回转与升降两个自由度，升降运动通常采用油缸来实现，回转运动可采用以下几种驱动方案来实现。图2-7 利用链条链轮传动机构实现机身回转运动
①采用摆动油缸驱动，升降油缸在下，回转油缸在上。因摆动油缸安置在升降活塞杆的上方，故升降油缸的活塞杆的尺寸要加大。
②采用摆动油缸驱动，回转油缸在下，升降油缸在上，相比之下，回转油缸的驱动力矩要设计得大一些。
③采用链条链轮传动机构。链条链轮传动可将链条的直线运动变为链轮的回转运动，它的回转角度可大于360°。图2-7（a）所示为采用单杆活塞气缸驱动链条链轮传动机构实现机身回转运动的原理图。此外，也有用双杆活塞气缸驱动链条链轮回转的，如图2-7（b）所示。
球（极）坐标型机身具有回转与俯仰两个自由度，回转运动的实现方式与圆柱坐标型机身相同，而俯仰运动一般采用液压（气压）缸与连杆机构来实现。手臂俯仰运动用的液压缸位于手臂的下方，其活塞杆和手臂用铰链连接，缸体采用尾部耳环或中部销轴等方式与机身连接。此外，有时也采用无杆活塞缸驱动齿条齿轮或四连杆机构实现手臂的俯仰运动。（3）设计机身时要注意的问题
工业机器人要完成特定的任务，如抓、放工件等，就需要有一定的灵活性和准确性。机身需支承机器人的背部、手部及所握持物体的重量，因此，设计机身时应注意以下几个方面的问题：
①机身要有足够的刚度、强度和稳定性。
②运动要灵活，用于实现升降运动的导向套长度不宜过短，以避免发生卡死现象。
③驱动方式要适宜。
④结构布置要合理。2.3.2 臂部设计
工业机器人的臂部由大臂、小臂（或多臂）所组成，一般具有两个自由度，可以是伸缩、回转、俯仰或升降。臂部总重量较大，受力一般较复杂。在运动时，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的静、动载荷，尤其在高速运动时，将产生较大的惯性力（或惯性力矩），引起冲击，影响定位的准确性。臂部是工业机器人的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并改变手部的空间位置。
臂部运动部分零件的重量直接影响臂部结构的刚度和强度，工业机器人的臂部一般与控制系统和驱动系统一起安装在机身（即机座）上，机身可以是固定式的，也可以是移动式的。（1）臂部设计的基本要求
臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取动作自由度、运动精度等因素来确定。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、液压（气压）缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此，设计臂部时一般要注意下述要求。
①手臂应具有足够的承载能力和刚度 手臂在工作中相当于一个悬臂梁，如果刚度差，会引起其在垂直面内的弯曲变形和侧向扭转变形，从而导致臂部产生颤动，影响手臂在工作中允许承受的载荷大小、运动的平稳性、运动速度和定位精度等，以致无法工作。为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状要合理选择。由材料力学知识可知，工字形截面构件的弯曲刚度一般比圆截面构件的大，空心轴的弯曲刚度和扭转刚度都比实心轴的大得多，所以常用工字钢和槽钢做支承板，用钢管做臂杆及导向杆。
②导向性要好 为使手臂在直线移动过程中不致发生相对转动，以保证手部的方向正确，应设置导向装置或设计方形、花键等形式的臂杆。导向装置的具体结构形式一般应根据载荷大小、手臂长度、行程以及手臂的安装形式等因素来选择。导轨的长度不宜小于其间距的两倍，以保证导向性良好。
③重量和转动惯量要小 为提高机器人的运动速度，要尽量减轻臂部运动部分的重量，以减小整个手臂对回转轴的转动惯量。另外，应注意减小偏重力矩，偏重力矩过大，易使臂部在升降时发生卡死或爬行现象，因此注意减小偏重力矩。通过以下方法可以减小或消除偏重力矩：a.尽量减轻臂部运动部分的重量；b.使臂部的重心与立柱中心尽量靠近；c.采取配重。
④运动要平稳、定位精度要高 运动平稳性和重复定位精度是衡
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