3、机器人基础：关节、运动结构全解析

机器人基础：关节、运动结构全解析

1. 机器人的基本组成

机器人手臂通常由多个连杆和关节组成，这些连杆和关节通过特定的连接方式和几何结构，构成了机器人的核心架构。机器人的运动自由度取决于连杆和关节的数量、类型以及它们的连接几何方式。随着时间的推移，为了实现机器人末端执行器的理想运动，人们开发出了众多富有创意的设计。

1.1 连杆

在工业机器人中，为了确保运动操作的精度和效率，通常使用刚性连杆。不过，在一些特殊应用场景，如太空机器人或电缆驱动的并联机器人中，由于重量限制或实际约束等因素，会使用柔性连杆。但这里我们主要讨论刚性连杆，在分析机器人整体运动时，会忽略其应变和变形。

从运动学角度来看，机器人的连杆是指在两个机器人关节之间相互连接的一组固体组件，理想情况下，它能消除这两个关节之间的相对运动。例如，一根两端带有旋转关节的简单金属杆就可以被视为一个机器人连杆。

1.2 关节

机器人的连杆通过关节两两相连。关节允许两个连杆在一个或多个方向上进行相对运动，同时限制在其他方向上的运动。根据两个连杆之间所需运动的类型和性质，机器人中使用了多种类型的关节，具体如下：
- 旋转关节（R） ：这是机械臂中最常用的关节。如图1.1(a)所示，它允许两个连杆沿关节轴进行相对旋转运动。该关节限制了垂直于关节轴方向的旋转以及三个方向的平移运动，因此为两个连杆之间的旋转运动提供了一个自由度，属于主要关节类型之一。许多工业机器人仅使用这种关节，因为使用编码器等传感器测量旋转以及使用电动机施加旋转扭矩命令都很容易实现。
- 移动关节（P） ：另一