1、机身结构的基本形式和特点
机器人机身(或称立柱)是支承臂部及手部的部件。
（1）机身与臂部的配置形式
（2）机身的典型结构
机身结构一般由机器人总体设计确定。现介绍回转与升降机身和回转与俯仰机身。
1）回转与升降机身
机身的回转与升降可液压缸实现。回转运动采用摆动油缸，升降运动采用升降油缸。布局时有两种方式: 一是升降油缸在下，回转油缸在上， 这种方式因摆动油缸安置在升降活塞杆的上方，故升降活塞杆的尺寸要加大，另一种是回转油缸在下，升降油缸在上，这时回转油缸的驱动力矩要设计得大一些，
另外，有时会采用一些传动机构将直线运动变为旋转运动，实现机身的回转。如图2.31所示，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2.31 链传动实现机身回转的原理图
(ａ) 单杆活塞气缸驱动链传动机构 (ｂ) 双杆活塞气缸驱动链传动机构
2）回转与俯仰机身
机器人手臂的俯仰运动一般采用活塞油(气) 缸与连杆机构实现。手臂俯仰运动用的活塞缸位于手臂的下方，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立柱连接，如图2.32所示。
图2.32 回转与俯仰机身图
（3）机身驱动力(力矩)计算
1）垂直升降运动驱动力的计算
2）回转运动驱动力矩的计算
3）升降立柱下降不卡死 (不自锁)的条件计算
偏重力臂的大小为：
偏重力矩：
根据升降立柱平衡条件：
升降立柱依靠自重下降而不引起卡死的条件：
即：
（4）机身设计要注意的问题
• 1）刚度和强度大，稳定性要好
• 2）运动灵活，导套不宜过短，避免卡死
• 3）驱动方式适宜
• 4）结构布置合理
2、臂部结构的基本形式和特点
（1）臂部的典型机构
1）臂部伸缩机构
行程小时，采用油(气) 缸直接驱动: 行程较大时，可采用油(气) 缸驱动齿条传动的倍增机构或步进电动机及伺服电动机驱动，也可采用丝杠螺母或滚珠丝杠传动，为了增加手臂的刚性，防止手臂在伸缩运动时绕轴线转动或产生变形，臂部伸缩机构需设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。常用的导向装置有单导向杆和双导向杆等，可根据手臂的结构、抓重等因素选取。
图2.34所示为采用四根导向柱的臂部伸缩结构。手臂的垂直伸缩运动由油缸3驱动，其特点是行程长，抓重大，工件形状不规则时，为了防止产生较大的偏重力矩，可采用四根导向柱。这种结构多用于箱体加工线上。
图2.34 四导向柱式臂伸缩机构
1—手部； 2—夹紧缸； 3—油缸； 4 —导向柱；
5—运行架； 6—行走车轮； 7—轨道； 8—支座；
2）手臂俯仰运动机构
通常采用摆臂油(气) 缸驱动、铰链连杆机构传动实现手臂的俯仰，如图2.35所示。
图2.35 摆动缸驱动连杆俯仰臂机构
1 —手部; 2 —夹紧缸; 3 —升降缸; 4 —小臂;
5，7 —摆动缸; 6 —大臂; 8 —立柱
3）手臂回转与升降机构
手臂回转与升降机构常采用回转缸与升降缸单独驱动，适用于升降行程短而回转角度小于360°的情况，也有采用升降缸与气马达-锥齿轮传动的结构。
（2）机器人手臂材料的选择
优先选择强度大而密度小的材料做手臂。其中，非金属材料有尼龙、聚乙烯（PEH）和碳素纤维等；金属材料以轻合金（特别是铝合金）为主。
（3）臂部设计要注意的问题
3、机器人的平稳性和臂杆平衡方法
为了减小驱动力矩和增加运动的平稳性，需要对手臂进行动力平衡。常见机器人臂杆的平衡方法有四种， 即质量平衡法、弹簧平衡法、气或液压平衡法和采用平衡电动机。下面仅对质量平衡法和弹簧平衡法加以介绍。
（1）质量平衡方法
臂杆质量平衡的原理是合理地分布臂杆质量，使臂杆重心尽可能落在支点上，必要时甚至采用在适当位置配置平衡质量(即配重) 的方法，使臂杆的重心落在支点上。在关节型机器人的应用中. 由于小臂杆质量对驱动扭矩的不利影响更大。因而在小臂杆上使用质量平衡法更为普遍。
图2.36所示为一种在质量平衡技术中最经常使用的平行四边形平衡机构， 图中L2,L3和G2,G2分别代表下臂和上臂的长度与质心；ｍ2，ｍ3和θ2，θ3分别代表它们的质量与转角，ｍ为可移动的平衡质量，用来平衡下臂和上臂的质量。杆ＳＡ、ＡＢ与上臂、下臂铰接. 构成一个平行四边形平衡系统。可以证明，只要满足下式，就能使平行四边形结构处于平衡状态，即保证其力矩和为零。
图2.36 机器人平行四边形平衡机构
（2）弹簧力平衡方法
弹簧平衡一般可以使用长弹簧。分析表明，在关节模型中，只要采用合适刚度和长度的弹簧平衡系统，可以全部平衡关节模型重力项。
如图2.37所示，设杆２代表要平衡的臂杆，平衡时在杆２的尾端离转动中心r2处安装一根长弹簧。长弹簧的另一端安装在长度为r1的固定连杆１上,固定连杆１的另一端固定在转动中心Ｏ上。如果杆２的原始位置和固定连杆1垂直，工作时杆２顺时针转动了角度θ，则在工作位置上弹簧力Ｆ 产生的平衡力矩Ｍ0为
图2.37 弹簧平衡原理
