连杆和关节的功能和应用

机器人手臂，由多个连杆和连接连杆的关节串联而成。关节与连杆的关系如图2-1所示。

关节即运动副，是两构件直接接触并能产生相对运动的可动连接。根据运动形式来看，关节包括移动关节（prismatic joint）和转动关节（revolute joint），移动关节可用符号P表示，转动关节可用符号R表示。

1.转动关节

转动关节又称为转动副，两个构件绕公共轴线作相对转动。

按照轴线的方向与连杆方向的关系，转动关节可分为回转关节和摆动关节。

（1）回转关节。回转关节是两连杆相对运动的转动轴线与连杆的纵轴线（沿连杆长度方向设置的轴线）共轴的关节，旋转角可达360°以上，如图2-2（a）和图2-3所示。

图2-2　转动关节示意图

（2）摆动关节。摆动关节是两连杆相对运动的转动轴线与两连杆的纵轴线垂直的关节，通常受到结构的限制，转动角度小，如图2-2（b）和图2-3所示。(www.xing528.com)

图2-3　PUMA 560的转动关节

2.移动关节

移动关节又称为移动副、滑动关节，是使两个连杆的组件中的一件相对于另一件作直线运动的关节，两个连杆之间只作相对移动，如图2-4所示。

图2-4　移动关节

刚体在空间有六个自由度，机器人末端执行工作任务，也需要六个自由度。而末端的位置和姿态的改变是依靠各关节的运动组合实现的，关节的数量决定了末端的自由度数量，所以有时把机器人的关节数量认定为机器人自由度数量。

各关节之间的连接构件就是连杆，机器人肩关节与肘关节、肘关节与腕关节的连杆较长，调节腰关节、肩关节、肘关节能较大地改变末端的位置，腰关节、肩关节、肘关节也称为定位关节；腕关节各自由度之间的连杆短，腕关节的运动较大改变末端的姿态，腕关节为定向关节。通常腰关节也称1轴，肩关节称为2轴，肘关节称为3轴，腕关节分别为4轴、5轴、6轴；所以1、2、3轴为定位关节，4、5、6轴是定向关节。