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平衡系统设计的途径主要有三种：质量平衡、弹簧力平衡、可控力平衡[21]
。
（1）.质量平衡法——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。这种方法虽然会使臂杆的总质量有所增加，但由
于重力悬臂力矩减小，使总的驱动扭矩、扭矩间的耦合和非线性程度有所降低。
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
小臂杆上使用平衡技术更为普遍；对于大臂臂杆，主要使用弹簧力或其他可控力，
如气、液、电力等进行平衡。
（2）. 弹簧平衡法——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。实际应用时由于许多因素的作用，所制造弹簧的刚度很难完全满足要求的条
件，此时，可通过适当改变弹簧的长度和刚度加以修正。
（3） . 气动和液压平衡法——气动和液压平衡的原理和弹簧平衡的原理很相
似，但前者在两个方面有显著优点，即平衡缸中的压力是恒定的，不会随臂杆的
位置变化而变化；同时平衡缸的压力很容易得到调节和控制，有利于提高整个机
器人的动态性能，因此应用较广泛。这种平衡技术的缺点是需要动力源和储能器，
因而系统比较复杂，结构比较庞大，不像弹簧平衡或质量平衡那么简单；而且设
计时如果采用这种方案，需考虑动力源一旦中断时(如手臂会因自重下滑等)的防
范措施，以免发生事故。
综合比较以上三种平衡方法，最终确定选择弹簧平衡法作为所设计喷漆机器
人的平衡方式。 本科毕业设计说明书（论文） 第10页 共34页
2.5 喷漆机器人总体方案确定
综合考虑以上各方面内容， 确定机器人采取关节型坐标形式，步进电机驱动，
间接传动形式传动，弹簧平衡法平衡。各部分具体方案分别在后续设计中进行计
算和讨论。
喷漆机器人各部件位置安排有两种总体设计方案：
第一种方案：腕部的两台驱动电机安装在大臂体中下部，小臂平衡弹簧斜拉
至大臂体中上部，小臂驱动电机安装于大臂中部伸出的背板上，大臂平衡弹簧从
大臂中下部斜拉至随机身一起旋转的搁板上，大臂驱动电机也铰接在在搁板伸出
的支架上，如图2-5所示。
图2-5 喷漆机器人总体方案一示意图
第二种方案：腕部两台驱动电机安装在大臂体中部，基准位置时，小臂平衡
弹簧直拉至大臂中下部伸出的支架上，小臂驱动电机铰接在大臂伸出的支架上，
大臂平衡弹簧从大臂中部斜拉至可随机身一起旋转的搁板上，大臂驱动电机与大
臂平衡弹簧分别置于大臂体前后两侧，铰接在隔板伸出的支架上，如图 2-6所示。
图2-6 喷漆机器人总体方案二示意图
对比两种方案，虽然第一种方案结构紧凑，简单明了，但斜拉小臂平衡弹簧
会引入平衡力之外的力，增加大小臂联接轴的负担；腕部驱动电机安装在小臂体
一端也会增加小臂结构的质量和转动惯量，导致电机的驱动负担增大。第二种方
案中，虽然腕部传动环节的传动距离被拉长，但更有利于机身稳定，大臂上的各
部分结构布置也更合理。因此，决定采用第二种方案。