2.2 按照機器人的機構特征分類

機器人的機械配置形式多種多樣，典型機器人的機構特征是用其坐標特性來描述的。按機構特征分，機器人通常可分為直角坐標機器人、柱面坐標機器人、球面坐標機器人和多關節型機器人四種類型。

2.2.1 直角坐標機器人

直角坐標機器人具有空間上相互垂直的兩根或三根直線移動軸（見圖2-1），通過直角坐標方向的3個獨立自由度確定其手部的空間位置，其動作空間為一長方體。直角坐標機器人結構簡單，定位精度高，空間軌跡易于求解；但其動作范圍相對較小，設備的空間因數較低，實現相同的動作空間要求時，機體本身的體積較大。直角坐標機器人主要用于印制電路基板的元件插入、緊固螺釘等作業。

圖2-1 直角坐標機器人

2.2.2 柱面坐標機器人

柱面坐標機器人的空間位置機構主要由旋轉基座、垂直移動軸和水平移動軸構成（見圖2-2），具有一個回轉和兩個平移自由度，其動作空間呈圓柱形。這種機器人結構簡單、剛性好，缺點是在機器人的動作范圍內，必須有沿軸線前后方向的移動空間，空間利用率較低。柱面坐標機器人主要用于重物的裝卸、搬運等作業。著名的Versatran機器人就是一種典型的柱面坐標機器人。

2.2.3 球面坐標機器人

如圖2-3所示，球面坐標機器人的空間位置分別由旋轉、擺動和平移3個自由度確定，動作空間形成球面的一部分。其機械手能夠做前后伸縮移動、在垂直平面上擺動以及繞底座在水平面上轉動的動作。著名的Unimate機器人就是這種類型的機器人。球面坐標機器人的特點是結構緊湊，所占空間體積小于直角坐標機器人和柱面坐標機器人，但大于多關節型機器人。

圖2-2 柱面坐標機器人

圖2-3 球面坐標機器人

2.2.4 多關節型機器人

多關節型機器人由多個旋轉和擺動機構組合而成。這類機器人結構緊湊、工作空間大、動作最接近人的動作，對噴漆、裝配、焊接等多種作業都有良好的適應性，應用范圍越來越廣。不少著名的機器人都采用了這種型式。其擺動方向主要有垂直方向和水平方向兩種，因此這類機器人又可分為垂直多關節機器人和水平多關節機器人。如美國Unimation公司20世紀70年代末推出的機器人PUMA（見圖2-4）就是一種垂直多關節機器人，而日本山梨大學研制的機器人SCARA（見圖2-5）則是一種典型的水平多關節機器人。

垂直多關節機器人模擬了人類的手臂功能，由垂直于地面的腰部旋轉軸（相當于大臂旋轉的肩部旋轉軸）、帶動小臂旋轉的肘部旋轉軸以及小臂前端的手腕等構成。手腕的空間位置通常由2～3個自由度確定，其動作空間近似一個球體，所以也稱多關節球面機器人。垂直多關節機器人的優點是可以自由地實現三維空間的各種姿勢，可以生成各種復雜形狀的軌跡。相對于機器人的安裝面積，其動作范圍很寬。垂直多關節機器人的缺點是結構剛度較低，動作的絕對位置精度也較低。它廣泛用于代替人完成裝配、貨物搬運、電弧焊接、噴涂、點焊接等作業。

圖2-4 垂直多關節機器人

圖2-5 水平多關節機器人

水平多關節機器人在結構上具有串聯配置的兩個能夠在水平面內旋轉的手臂，其自由度可以根據用途選擇2～4個，動作空間為一圓柱體。水平多關節機器人的優點是在垂直方向上的剛性好，能方便地實現二維平面上的動作，在裝配作業中得到普遍應用。