1.基本结构与特点

垂直串联型是工业机器人最常用的结构形式，可用于加工、搬运、装配、包装等各种场合。

垂直串联结构机器人的本体部分一般由5～7个关节在垂直方向依次串联而成，典型结构如图2－17所示的六关节串联型。

图2－17　六轴典型结构

为了便于区分，在机器人上，通常将能够在四象限进行360°或接近360°回转的旋转轴（图中用实线表示的轴）称为回转轴（Roll）；将只能在第三象限进行小于270°回转的旋转轴（图中用虚线表示的轴）称为摆动轴（Bend）。

图2－17所示的六轴垂直串联结构的机器人可以模拟人类从腰部到手腕的运动。其6个运动轴分别为腰部回转轴S（Swing）、下臂摆动轴L（Lower Arm Wiggle）、上臂摆动轴U（Upper Arm Wiggle）、腕回转轴R（Wrist Rotation）、腕弯曲轴B（Wrist Bending）、手回转轴T（Turning）。

垂直串联结构机器人的末端执行器的作业点运动，由手臂和手腕、手的运动合成。六轴典型结构机器人的手臂部分有腰、肩、肘3个关节，它用来改变手腕基准点（参考点）的位置，称为定位机构；手腕部分有腕回转、弯曲和手回转3个关节，它用来改变末端执行器的姿态，称为定向机构。

在垂直串联结构的机器人中，腰部回转轴S称为腰关节，它可使得机器人中除基座外的所有后端部件，绕固定基座的垂直轴线，进行四象限360°或接近360°回转，以改变机器人的作业面方向。下臂摆动轴L称为肩关节，它可使机器人下臂及后端部件进行垂直方向的偏摆，实现参考点的前后运动。上臂摆动轴U称为肘关节，它可使机器人上臂及后端部件进行水平方向的偏摆，实现参考点的上下运动（俯仰）。

腕回转轴R、腕弯曲轴B、手回转轴T通称为腕关节，它用来改变末端执行器的姿态。腕回转轴R用于机器人手腕及后端部件的四象限360°或接近360°回转运动；腕弯曲轴B用于手部及末端执行器的上下或前后、左右摆动运动；手回转轴T可实现末端执行器的四象限360°或接近360°回转运动。

六轴垂直串联结构机器人通过以上定位机构和定向机构的串联，较好地实现了三维空间内的任意位置和姿态控制，它对于各种作业都有良好的适应性，因此，可用于加工、搬运、装配、包装等各种场合。

但是，六轴垂直串联结构机器人也存在固有的缺点。首先，末端执行器在笛卡儿坐标系上的三维运动（X、Y、Z轴）需要通过多个回转、摆动轴的运动合成，且运动轨迹不具备唯一性，X、Y、Z轴的坐标计算和运动控制比较复杂，加上X、Y、Z轴位置无法直接检测，因此，要实现高精度的位置控制非常困难。其次，由于结构所限，这种机器人存在运动干涉区域，限制了作业范围。再次，在如图2－17所示的典型结构上，所有轴的运动驱动机构都安装在相应的关节部位，机器人上部的质量大、重心高，高速运动时的稳定性较差，承载能力也受到一定的限制等。(www.daowen.com)

2.简化结构

机器人末端执行器的姿态与作业对象和要求有关，在部分作业场合，有时可省略1～2个运动轴，简化为4～5轴垂直串联结构的机器人；或者以直线轴代替回转摆动轴。如图2－18所示为机器人的简化结构。

图2－18　机器人的简化结构

（a）五轴；（b）四轴

例如，对于以水平面作业为主的大型机器人，可省略腕回转轴R，直接采用如图2－18（a）所示的五轴结构；对于搬运、码垛作业的重载机器人，可采用如图2－18（b）所示的四轴结构，省略腰部回转轴S和腕回转轴R，直接通过手回转轴T来实现执行器的回转运动，以简化结构、增加刚性、方便控制等。

3.七轴结构

六轴垂直串联结构的机器人，由于结构限制，作业时存在运动干涉区域，使得部分区域的作业无法进行。为此，工业机器人生产厂家又研发了如图2－19所示的七轴垂直串联结构的机器人，图中1～7就是这七个轴。

图2－19　七轴结构

七轴垂直串联结构的机器人在六轴机器人的基础上，增加了下臂回转轴LR（Lower Arm Rotation），使得手臂部分的定位机构扩大到腰回转、下臂摆动、下臂回转、上臂摆动4个关节，手腕基准点（参考点）的定位更加灵活。

例如，当机器人上部的运动受到限制时，它仍然能够通过下臂的回转，避让上部的干涉区，从而完成下部作业。此外，它还可以在正面运动受到限制时，通过下臂的回转，避让正面的干涉区，进行反向作业。