（1）运动惯量原则   由于操作机运动部件多，运动状态经常改变，必然产生冲击和振动，采用运动惯量原则，可增加操作机运动平稳性，提高操作机动力学特性。为此，在设计时应注意在满足强度和刚度的前提下，尽量减小运动部件的质量，并注意运动部件对转轴的质心配置。
   （2）尺度规划优化原则   当设计要求满足一定工作空间要求时，通过尺度优化以选定的臂杆尺寸，这将有利于操作机刚度的提高，使运动惯量进一步降低。
   （3）高强度材料选用原则   由于操作机从手腕、小臂、大臂到机座是依次作为负载起作用的，选用高强度材料以减轻零部件的质量是十分必要的。
   （4）刚度设计的原则   操作机设计中，刚度是比强度更重要的问题，要使刚度，必须恰当地选择杆件剖面形状和尺寸，提高支承刚度和接触刚度，合理地安排作用在臂杆上的力和力矩，尽量减少杆件的弯曲变形。
  （5）可靠性原则   机器人操作机因机构复杂、环节较多，可靠性问题显得尤为重要。一般来说，元器件的可靠性应高于部件的可靠性，而部件的可靠性应高于整机的可靠性。可以通过概率设计方法设计出可靠度满足要求的零件或结构，也可以通过系统可靠性综合方法评定操作机系统的可靠性。
   （6）工艺性原则   机器人操作机是一种高、高集成度的自动机械系统，良好的加工和装配工艺性是设计时要体现的重要原则之一。仅有合理的结构设计而无良好的工艺性，必然导致操作机性能的降低和成本的提高。
 2．操作机的设计方法和步骤
   （1）确定工作对象和工作任务  开始设计操作机之前，首先要确定工作对象、工作任务。
    1）焊接任务：如果工作对象是一辆汽车或是一个复杂曲面的物体，工作任务是对其进行弧焊或点焊，则要求机器人的制造很高，弧焊任务对机器人的轨迹和位姿及速度稳定性有很高的要求，点焊任务对机器人的位姿有很高的要求，两种任务都要求机器人具备摆弧的功能，同时要能在狭小的空间内自由地运动，具备防碰撞功能，故机器人的自由度至少为六个。
    2）喷漆任务：如果工作对象是一辆汽车或是一个复杂曲面的物体，工作任务是喷涂汽车的内部和车门或是复杂曲面物体的表面，则要求机器人手腕要灵活，能够在狭小的空间内自由地运动，具备防碰撞功能；要求机器人能够在长时间内连续稳定可靠地工作；同时要求机器人具备光滑的流线型外表面，漆、气管线能从其横臂和手腕内部通过，使机器人外表不易积漆积灰，不会污染已喷好的工作对象，且漆、气管线也不易损坏；因喷漆机器人是在易燃易爆的工作环境中工作，故要具备防爆的功能。同时对机器人的轨迹和位姿及速度稳定性也有较高的要求。机器人的自由度至少应为六个。
    3）搬运任务：如果工作对象比较笨重，工作任务是定点搬运，定位要求高，则对机器人的承载能力和定位有高的要求。如果工作对象比较轻巧，工作任务也是定点搬运，但要求轻拿轻放，且定位要求高，则对机器人的速度稳定和定位有高的要求。
    4）装配任务：对机器人的速度稳定密和位姿有很高的要求。
    有些机器人能完成多种工作任务，如MOTOMAN－SKI20系列机器人，既可以用于搬运也可以用于点焊，具有快速、精巧、强有力和安全性高的特点；另一种MOTOMAN－SK6／SK16系列机器人，可以完成弧焊、搬运、涂胶、喷釉和装配多种任务，具有高速、精巧和可靠性高的特点。
    设计新型机器人时，要充分考虑以上诸多因素，并应多参考国内外同类产品的先进机型，参考其设计参数，经过反复研究和比较，确定出所要机械部分的特点，定出设计方案。
   （2）确定设计要求
    1）负载：根据用户工作对象和工作任务的要求，参考国内外同类产品的先进机型，确定机器人的负载。一般喷漆和弧焊机器人的负载为5～6kg。
    2）：根据用户工作对象和工作任务的要求，参考国内外同类产品的先进机型，确定机器人未端的复合速度和机器人各单轴的角速度。
    3）：根据用户工作对象和工作任务的要求，参考国内外同类产品的先进机型，确定机器人的重复定位、如弧焊机器人的重复定位为±0.4mm，ABB公司开发的Model 5003型喷漆机器人的重复定位为±1mm。同时要确定构成机器人的零件的、臂体的尺寸、形位和传动链的间隙，如齿轮的和传动间隙；还要确定机器人上所用的元器件的，如减速器的传动、轴承的等等。
 
    4）示教方式：根据用户工作对象和工作任务的要求，确定机器人的示教方式。一般机器人的示教方式有下列几种：
    ①离线示教（离线编程）；
    ②示教盒示教；
    ③人工手把手示教。
    如果是喷漆机器人，就应该具备人工手把手示教的功能，而对于其他机器人，有前两种功能就可以了。
    5）工作空间：根据用户工作对象和工作任务的要求，参考国内外同类产品的先进机型，确定机器人的工作空间的大小和形状。
    6）尺寸规划：根据对工作空间的要求，参考国内外同类产品的先进机型，确定机器人的臂杆长度和臂杆转角，并进行尺寸优化。
   （3）机器人运动的耦合分析  对大多数非直接驱动的机器人而言，前面关节的运动会引起后面关节的附加运动，产生运动耦合效应。比如将六个轴的电动机均装在机器人的转塔内，通过链条、连杆或齿轮传动其他关节的设计，再比如同心的齿轮套传动腕部关节的设计，都会产生运动耦合效应。为了解耦，在编机器人运动学控制软件时，后面的关节要多转一个相应的转数来补偿。对一台六自由度的机器人来讲，如果从2、3轴之间开始就有运动耦合，且3、4、5、6轴之间都有运动耦合，那么3、4、5、6轴电动机就必须多转相应的转数（有时是正转，有时是反转，依结构而定），来消除运动耦合的影响，3轴要消除2轴的，4轴要消除2轴和3轴的，依此类推，如果都要正转，到了6轴，电动机就必须有相当高的速度来消除那么多轴的影响，有时电动机的转速会不够，且有运动耦合关系的轴太多，机器人的运动学分析和控制就会很麻烦。故设计六自由度的交流伺服机器人，一般情况下，前4个轴的运动都设计成是相对独立的，而运动耦合只发生在4、5、6轴之间，即5轴的运动受到4轴运动的影响，6轴的运动受到4轴和5轴运动的影响。这样做，既能保证机械结构的紧凑，又不会使有耦合关系的轴大多。
   （4）机器人手臂的平衡  平衡机器人操作手臂的重力矩优点如下：
    ·如果是喷漆机器人，则便于人工手把手示教。
    ·使驱动器基本上只需克服机器人运动时的惯性力，而忽略重力矩的影响。故可选用体积较小、功耗较小的驱动器。
    ·免除了机器人手臂在自重下落下伤人的危险。
    ·在伺服控制中因减少了负载变化的影响，因而可实现更的伺服控制。
    一般机器人操作机因1轴转塔旋转，故不要平衡，4、5、6轴的手臂往往因重力很小，也不要平衡，故要平衡的是2、3轴手臂的重力矩。
    1）配重平衡机构：此种机构原理如图2a所示。设手臂质量为m1，配重质量为m2，因关节中心在同一直线上，则不平衡力矩为
                                       M1＝m1glcosγ
    配重产生的力矩为
                                       M2＝m2glcosγ
    静力平衡条件为
                                           M1＝M2
     即                                   m1l＝m2l
    
这种平衡机构简单，平衡效果好，易于调整，工作可靠，但增加了手臂的惯量和关节的负载，适用于不平衡力矩较小的情况。
    2）弹簧平衡机构：其原理如图2b所示，臂的不平衡力矩为
                                 M1＝M11-M12＝mglcosγ-Ia
式中 M11——静不平衡力矩；
     M12——惯性力矩；
       I——手臂对关节轴的转动惯量；
       a——臂运动平均加速度。
    弹簧产生的平衡力矩为

式中  F——汽缸活塞推力；
    其余参数同上。
    静力平衡条件为
                                 M2＝M11
    动力平衡条件为
                                M2＝M11+M12
    汽缸平衡机构多用在重载搬运和点焊机器人操作机上，液压的体积小，平衡力大；气动的具有很好的阻尼作用，但体积较大。
    （5）机器人动力学分析   机器人因各轴的重力矩均已基本平衡，故在这些轴运转时，电动机主要需克服的是由各轴转动惯量所带来的动力矩。
    1轴：经分析，当机器人末端伸到远处时，1轴运转起来的转动惯量为。计算可得到此处1轴的转动惯量J1如起动时间取为T1，则动力矩为
                               M1＝J1ω1/T1
    2轴：经分析，当小臂相对于大臂的夹角为时，2轴运转起来的转动惯量为，经计算可得到此处2轴的转动惯量为J2。如起动时间取为T2，则动力矩为
                               M2＝J2ω2/T2
    3轴：机器人小臂相对于大臂上部中心运转起来的转动惯量即是3轴的转动惯量。同理有
                               M3＝J3ω3/T3
    4轴：4轴无重力矩平衡装置，故4轴电动机既要克服起动时的动力矩，也要克服运转时由手腕和负载引起的重力矩。经计算，得出4轴的转动惯量，继而计算出4轴所需的传动扭矩。
    5轴：5轴也无重力矩平衡装置，故5轴电动机也是既要克服起动时的动力矩，也要克服运转时由手腕和负载引起的重力矩。经计算，得出5轴的转动惯量，继而计算出的5轴所需的传动扭矩。
    6轴：6轴也无重力矩平衡装置，故6轴电动机也是既要克服起动时的动力矩，也要克服运转时由手腕和负载引起的重力矩。经计算，得出6轴的转动惯量，继而计算出的6轴所需的传动扭矩。
    （6）电动机的选用   选用好交流伺服电动机，是操作机设计的关键。由于机器人要求结构紧凑、重量轻、运动特性好，故希望在同样功率的情况下，电动机重量要轻、外形尺寸要小。特别是装在机器人横臂或立臂内部的电动机，重量要尽可能轻，外形尺寸要尽可能小。
    根据动力学计算得到的各轴所需的传动扭矩，除以减速器的减速比，再将传动链的效率，如减速机的效率、轴承的效率和齿轮的效率等考虑进去，并考虑各轴所需的转速（运动耦合因素也要考虑在内），就可以选用电动机了。
    在选用时要注意，交流伺服电动机的速度是可调节的，且在相当大的转速范围内电动机输出的转矩是恒定的，故选用电动机时只要电动机的额定转速大于各轴所需的转速就行。
    同时还要注意与交流伺服电动机配置在一起的位置编码器的选用，并注明电动机是否需要带制动器等。
   （7）减速器的选用  机器人上所用的减速器，常见的有RV减速器和谐波减速器。
    RV减速器具有长期使用不需再加润滑剂、寿命长、刚度好、减速比大、低振动、高、保养便利等优点，适用于在机器人上使用。它的传动效率为0.8，相对于同样减速比的齿轮组，这样的效率是很高的。
    它的缺点是重量重，外形尺寸较大。
    谐波减速器的优点是重量较轻，外形尺寸较小，减速比范围大，高。
    机器人设计中，一般1、2、3轴均采用RV减速器，4、5、6轴常用谐波减速器。
   （8）机器人臂体校核   机器人的手臂要进行强度校核和刚度校核，在满足强度和刚度的情况下，手臂要尽可能采用轻型材料，以减少运动惯量，并给平衡机构减少压力。
   （9）机构零件校核
    1）轴承校核：设计中所用的所有重要轴承都要经过强度校核。在满足尺寸和强度要求的情况下，尽可能地选用国产轴承，以降低机器人的成本。
    2）轴的校核：设计中所用的所有较重要的轴都要经过强度校核和刚度校核。
    3）齿轮选用：设计中所用的所有齿轮都要经过强度校核。
    4）键及花键：设计中所用的所有较重要的键及花键都要经过强度校核。
    5）销与螺钉：设计中所用的所有较重要的销与螺钉都要经过强度校核。
   （10）机械加工工艺性考虑校核   机器人的设计要充分考虑加工装配的方便，且要便于维修和调整。