工业机器人正革新工业界，逐渐替代传统人力操作。无论是制造业、电子业、汽车产业还是物流领域，工业机器人的应用已经无处不在。它们能够执行堆叠、码垛、分拣、焊接、搬运、喷涂等任务，具备与人类相似的高效率和不知疲倦的特点。但是，为什么工业机器人能够取代传统人工劳动？其中的原理是什么？这个账号将一直陪伴您一同探索这些奥秘。
本文将着重介绍工业机器人中一个看似平凡但却至关重要的方面——臂部结构。要理解工业机器人的运作，首先需要从人的手臂出发。我们的手臂具备卓越的灵活性和精密度，但在处理重物或需要不断重复动作时，人体容易疲劳。这时，工业机器人的臂部结构成为了解决这一问题的不可或缺的方案。
工业机器人的臂部结构包括大臂和小臂，它们不仅支持腕部和手部，更重要的是确保机器人能够按照精确的轨迹从一个位置移动到另一个位置。臂部的结构、工作范围、灵活性、负载能力和定位精度都直接影响着机器人的性能表现。
1.臂部特点特点：工业机器人的臂部一般有2～3个自由度，即伸缩、回转、俯仰或升降。专用机械手的臂部一般有1～2个自由度，为伸缩、回转或直行。（2）臂部的重量较大，受力一般比较复杂，在运动时，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的静、动载荷，特别是高速运动时，将产生较大的惯性力，引起冲击，影响定位的准确性。（3）工业机器人的臂部一般与控制系统和驱动系统一起安装在机身上。
2.臂部设计要求臂部的结构形式必须根据机器人的运动形式、抓取重量、动作自由度、运动精度等因素来确定。设计时要注意以下要求:
（1）刚度要大，要有足够的承载能力。手臂部分在工作时，相当于一个悬臂梁，为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状设计要合理，一般用空心轴制作臂杆和导向杆，用工字钢和槽钢制作支承板。
（2）导向性要好。为防止手臂在直线移动过程中沿运动轴线发生相对转动，保证手部的方向正确，应设置导向装置或设计方形、花键等形式的臂杆。
（3）重量要轻。为提高机器人的运动速度，要尽量减轻臂部运动部分的重量，以减小整个手臂对回转轴的转动惯量。
（4）运动要平稳，定位精度要高。由于臂部运动速度越高，重量越大，惯性力引起的定位前的冲击就越大，会造成运动不平稳，定位精度不高。所以应尽量减小臂部运动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时还要采取一定形式的缓冲措施。
机器人的臂部由大臂、小臂或多臂组成。臂部的驱动方式主要有液压驱动、气动驱动和电动驱动等形式，其中电动驱动形式为通用。而它的臂部机构也相当丰富，包括伸缩机构、俯仰机构和臂部回转和升降机构。
（1）臂部伸缩机构
机器人臂部的伸缩运动分为直线运动，具体操作方式根据行程长度不同而变化。当行程较短时，采用油（汽）缸直接驱动。而当行程较长时，可以选择使用油（汽）缸结合齿条传动的倍增机构或采用步进电机和伺服电动机进行驱动。也可以考虑使用丝杆螺母或滚珠丝杆传动。
为了提高手臂的刚性，防止在伸缩运动过程中手臂绕轴线旋转或发生变形，需要在臂部结构上添加导向装置，或设计成方形或花键等形状的臂杆常见的导向装置包括单导向杆和双导向杆等。
在双导向杆臂部的伸缩结构中，臂部和腕部通过连接板安装在升降液压缸的上端。当双作用液压缸的两个腔分别通入压力油时，会推动活塞杆（即臂部）做直线往复运动。导向杆在导向套内移动，以防止臂部发生转动，并同时充当腕部回转缸和手部夹紧液压缸的输油管道。由于伸缩液压缸位于两根导向杆之间，导向杆承受弯曲力，而活塞杆只受拉压力，因此结构受力简单，传动平稳，外观整洁美观，结构紧凑。
（2）臂部俯仰机构
机器人的臂部俯仰运动一般采用活塞液压缸与连杆机构来实现。臂部的俯仰运动所用的活塞缸位于臂部的下方，其活塞杆和臂部用铰链连接，缸体采用尾部耳环或中部销轴等方式与立柱连接，如下图所示。
下图为铰接活塞缸实现臂部俯仰的机构示意。采用铰接活塞缸5、7和连杆机构，使小臂4相对大臂6和大臂6相对立柱8实现俯仰运动。
（3）臂部回转和升降机构
实现机器人臂部的回转运动有多种不同的结构形式可选，其中常见的包括叶片式回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构和连杆机构等。让我们以齿轮传动机构中的活塞缸和齿轮齿条机构为例来说明臂部的回转。
在齿轮传动机构中，齿轮齿条机构通过齿条的往复移动，驱动与臂部相连接的齿轮做往复回转运动，从而实现臂部的回转。这个齿轮齿条机构可以由压力油或压缩气体驱动。升降和回转运动的结构如图【臂部升降和回转运动的结构】所示。
活塞液压缸的两个腔分别输入压力油，推动齿条活塞7做往复移动（参见A-A剖面）。齿条7与齿轮4啮合，导致齿轮4做往复回转运动。由于齿轮4、臂部升降缸体2和连接板8都通过螺钉连接在一起，而连接板又与臂部牢固连接，因此可以实现臂部的回转运动。
升降液压缸的活塞杆通过连接盖5与机座6连接并固定，缸体2沿导向套3上下移动。由于升降液压缸外部有导向套，因此这个结构具有良好的刚性和平稳的传动。
正是一大批科研人员的辛勤研究，使得工业机器人参与的项目不断落地。深度发挥了在实际应用中巨大的作用。工业机器人在制造业、医疗领域、甚至太空探索中都发挥着关键作用。不同臂部结构适用于不同的工业场景，它们推动了现代工业的发展，提高了效率和安全性。
