[科普中国]-直角坐标机器人

直角坐标机器人 (cartesian robot )是指能够实现自动控制的、可重复编程的、多自由度的、运动自由度建成空间直角关系的、多用途的操作机。又称大型的直角坐标机器人，也称桁架机器人或龙门式机器人，其工作的行为方式主要是通过完成沿着X、Y、Z轴上的线性运动来进行的。1

概念直角坐标机器人是以XYZ直角坐标系统为基本数学模型，以伺服电机、步进电机为驱动的单轴机械臂为基本工作单元，以滚珠丝杆、同步皮带、齿轮齿条为常用的传动方式所架构起来的机器人系统，可以完成在XYZ三维坐标系中任意一点的到达和遵循可控的运动轨迹。

直角坐标机器人采用运动控制系统实现对其的驱动及编程控制，直线、曲线等运动轨迹的生成为多点插补方式，操作及编程方式为引导示教编程方式或坐标定位方式。2

主要特点1、自由度运动，每个运动自由度之间的空间夹角为直角；

2、自动控制的，可重复编程，所有的运动均按程序运行；

3、一般由控制系统、驱动系统、机械系统、操作工具等组成。

4、灵活，多功能，因操作工具的不同功能也不同。

5、高可靠性、高速度、高精度。

6、可用于恶劣的环境，可长期工作，便于操作维修。3

设计方法1、使用要求的分析：每一个机器人都是根据特定的要求的产生而设计的，设计的第一步就是要将使用要求分析清楚，确定设计时需要考虑的参数，包括：机器人的定位精度，重复定位精度；机器人的负载大小，负载特性；机器人运动的自由度数量，每自由度的运动行程；机器人的工作周期或运动速度，加减速特性；机器人的运动轨迹，动作的关联；机器人的工作环境、安装方式；机器人的运行工作制、运行寿命；其他特殊要求。4

2、 本机械模型初建：机器人从机械结构分大体可分为龙门结构、壁挂结构，垂挂结构，根据安装空间的要求选择不同的结构，每种结构的力学特性、运动特性都是不一样的。后续的设计必须是基于一个确定的结构。

3、运动性能计算：

有关该性能的参数有：

平均速度：V=S/t ；

最大速度Vmax=at，a=F/M；

其中：S为运动行程；t为定位运动时间；F加速时的驱动力；M运动物体质量。

4、力学特性分析

一个机器人是由许多定位单元组成的，每根定位系统都要分析。需要分析的项目如下：水平推力Fx；正压力Fz；侧压力Fy；机械强度校核：每个定位单元，每个梁都要进行校核，尤其双端支撑梁和悬臂梁。4

应用作为一种成本低廉、系统结构简单的自动化机器人系统解决方案，直角坐标机器可以被应用于点胶、滴塑、喷涂、码垛、分拣、包装、焊接、金属加工、搬运、上下料、装配、印刷等常见的工业生产领域，在替代人工，提高生产效率，稳定产品质量等方面都具备显著的应用价值。

针对不同的应用场合，对直角坐标机器人有不同的设计要求，比如根据对精度、速度的要求选择不同的传动方式，根据特定的工艺要求为末端工作头选择不同的夹持设备（夹具、爪手、安装架等），以及对于示教编程，坐标定位、视觉识别等工作模式的设计选择等，从而使之能满足于不同领域、不同工况的应用要求。5

本词条内容贡献者为:

于仁业 - 高级工程师 - 中航工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司