1.3 实训环境的基本知识

1.3.1 机器人的关节

1．关节

关节（Joint）：即运动副，是允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的机构。是两构件直接接触并能产生相对运动的活动连接，如图1-4所示。A、B两部件可以做互动连接。

关节是各杆件间的结合部分，是实现机器人各种运动的运动副，由于机器人的种类很多，其功能要求不同，关节的配置和传动系统的形式都不同。机器人常用的关节有移动、旋转运动副。

一个关节系统包括驱动器、传动器和控制器，属于机器人的基础部件，是整个机器人伺服系统中的一个重要环节，其结构、重量、尺寸对机器人性能有直接影响。

（1）回转关节

回转关节，又叫回转副、旋转关节，是连接两杆件的组件能使其中一件相对于另一件绕固定轴线转动的关节。即两个构件之间只做相对转动的运动副。

如手臂与机座、手臂与手腕，实现相对回转或摆动的关节机构，由驱动器、回转轴和轴承组成。多数电动机能直接产生旋转运动，但常需各种齿轮、链、带传动或其他减速装置，以获取较大的转矩。本实训课程的全部关节都是由舵机组成的回转关节。

（2）移动关节

移动关节，又叫移动副、滑动关节、棱柱关节，是两杆件间的组件能使其中一件相对于另一件做直线运动的关节。即两个构件之间只做相对移动的运动副。

可采用直线驱动方式传递运动，包括直角坐标结构的驱动，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缸或液压缸和活塞产生，也可以采用齿轮齿条、丝杆、螺母等传动元件把旋转运动转换成直线运动。

（3）圆柱关节

圆柱关节，又叫回转移动副、分布关节，是两杆件间的组件能使其中一件相对于另一件移动或绕一移动轴线转动的关节。即两个构件之间除了做相对转动之外，还同时可以做相对移动的运动副。

（4）球关节

球关节，又叫球面副，两杆件间的组件能使其中一件相对于另一件在三个自由度上绕一固定点转动的关节。即组成运动副的两构件能绕一球心作三个独立的相对转动的运动副。

2．连杆

连杆（Link）：机器人手臂上被相邻两关节分开的部分，是保持各关节间固定关系的刚体，是机械连杆机构中两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件。

例如在往复活塞式动力机械和压缩机中，用连杆来连接活塞与曲柄。连杆多为钢件，其主体部分的截面多为圆形或工字形，两端有孔，孔内装有青铜衬套或滚针轴承，一起装入轴销而构成铰接。

连杆是机器人中的重要部件，它连接着关节，其作用是将一种运动形式转变为另一种运动形式，并把作用在主动构件上的力传给从动构件以输出功率。本实训课程就是由不同长度的连杆与舵机组成的机械臂和运动副，组装成所需功能的机器人。

3．关节的运动

机器人一般具有六个自由度才能使手部（末端执行器）达到目标位置和处于期望的姿态。为了使手部能处于空间任意方向，要求腕部能实现在空间三个坐标轴X、Y、Z上的旋转运动，如图1-5所示。这便是腕部的三个运动：腕部旋转、腕部弯曲、腕部侧摆，或称为三个自由度。

（1）腕部旋转

腕部旋转是指腕部绕小臂轴线的转动，又叫臂转。有些机器人限制其腕部转动角度小于360°。另一些机器人则仅仅受到控制电缆缠绕圈数的限制，腕部可以转几圈。如图1-5a所示。

（2）腕部弯曲

腕部弯曲是指腕部的上下摆动，这种运动也称为俯仰，又叫手转。如图1-5b所示。

（3）腕部侧摆

腕部侧摆指机器人腕部的水平摆动，又叫腕摆。腕部的旋转和俯仰两种运动结合起来可以看成是侧摆运动，通常机器人的侧摆运动由一个单独的关节提供。如图1-5c所示。