[科普中國]-機器人操作器

簡介

機器人一詞源于斯洛伐克語，其原意為“農(nóng)奴”，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中，機器人一詞被定義為“在自動控制下通過編程可完成不同作業(yè)的機器”。它和人的外形可以沒有相似之處，但卻可以在某種程度上效仿人的動作和智能功能。機器人是一種靈活的、具有多目的用途的自動化系統(tǒng)。無論哪一種機器人都是由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)這三個基本部分組成的。

在機器人學(xué)的研究中，最基本、最重要的問題之一是機器人操作器的機構(gòu)學(xué)問題，這是因為：當進行機器人設(shè)計時，首先提出來的問題是確定機器人操作器中運動副的種類和數(shù)目，以及為了使機器人產(chǎn)生給定的運動所需要的各連桿的幾何尺寸；從事機器人研究和應(yīng)用的工程技術(shù)人員，也必須對一個給定的機器人所能產(chǎn)生的運動有一個清楚的了解。1

機器人系統(tǒng)本質(zhì)上，機器人系統(tǒng)由四部分組成：

機構(gòu)部分機構(gòu)部分主要由各種機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成，如工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由機身、手臂、末端操作器三大件組成，每一大件都有若干自由度，構(gòu)成一個多自由度的機械系統(tǒng)。若機身具備行走機構(gòu)便構(gòu)成行走機器人；若機身不具備行走及腰轉(zhuǎn)機構(gòu)，則構(gòu)成單機器人臂，手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端操作器直接裝在手腕上，它可以是二手指或多手指的手爪，也可以是噴漆槍、焊具等作業(yè)工具。2

驅(qū)動部分驅(qū)動部分主要由各種傳動構(gòu)成驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)可以是液壓傳動、氣動傳動、電動傳動，或者把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng)；可以直接驅(qū)動或者通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機構(gòu)進行間接驅(qū)動。2

感知部分感知部分由感受系統(tǒng)和機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)組成。感受系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成，獲取內(nèi)部和外部環(huán)境中有意義的信息。使用智能傳感器可以提高機器人的機動性、適應(yīng)性和智能化水準。盡管人類的感受系統(tǒng)對感知外部世界信息是及其靈巧的，然而對于一些特殊的信息，傳感器比人類的感受系統(tǒng)更為有效。機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)，是實現(xiàn)機器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。機器人與外部設(shè)備集成為一個功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。2

智能部分智能部分主要由人機交互系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)組成，人機交互系統(tǒng)是使操作人員參與機器人控制以及與機器人取得聯(lián)系的裝置，控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號支配機器人的執(zhí)行機構(gòu)去完成規(guī)定的運動和功能。智能機器人多傳感器信息的融合、運動規(guī)劃、環(huán)境建模、智能推理等需要大量的內(nèi)存和高速、實時處理能力。馮.諾依曼結(jié)構(gòu)作為智能機器人的控制器已經(jīng)力不從心。隨著光子計算機和并行處理結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，智能機器人的處理能力會更高，機器人會具有更高的智能。根據(jù)智能機器人的任務(wù)分解，在面向設(shè)備的基礎(chǔ)級可以采用常規(guī)的自動控制技術(shù)。在協(xié)調(diào)級和組織級，由于存在不確定性，控制模型無法建立或建立的模型不夠精確，控制效果不盡如人意，因此，需要采用智能控制方法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、模糊控制、專家控制及集成智能控制等。2

操作器的組成部分操作器是機器人的執(zhí)行系統(tǒng)，是機器人握持工件或工具、完成各種運動和操作任務(wù)的機械部分。一般由下面幾個部分組成：

機身機身是用來支持手臂并安裝驅(qū)動設(shè)置等部件的，它主要由實現(xiàn)臂部升降、平移或俯仰等運動的機構(gòu)及有關(guān)的導(dǎo)向裝置等組成，故常把它與臂部合并考慮，并不單列為一部分。1

臂部臂部是操作器的主要執(zhí)行部件，其作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運動，從而使手部按照一定的運動軌跡由某一位置到達另一指定位置。1

腕部腕部是操作器連接臂部和手部的部件，其主要作用是改變和調(diào)整手部在空間的方位，從而使手爪中所握持的工件或工具取得某一特定的姿態(tài)。1

手部手部是操作器的執(zhí)行部件之一，其作用是抓取工具或握持工具。1

操作器的自由度所謂操作器的自由度，是指在確定操作器所有構(gòu)件的位置時所必須給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目。在典型的工業(yè)機器人的情況下，操作器的主運動鏈通常是一個裝在固定機架上的開式運動鏈，為了驅(qū)動方便，每一個關(guān)節(jié)位置通常由單個變量來規(guī)定，因此操作器的運動副僅包含單自由度的運動副：轉(zhuǎn)動副和移動副。在機器人學(xué)中，我們稱其為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)。由于每一關(guān)節(jié)具有一個自由度，故機器人的自由度數(shù)目等于操作器中各部件自由度的總和。1

操作器的結(jié)構(gòu)分類就操作器結(jié)構(gòu)坐標系的特點，可以分為以下幾類：

直角坐標型直角坐標型又稱為直移型，其三個基本關(guān)節(jié)均為移動關(guān)節(jié)，即臂部只有伸縮、升降和平移運動，其運動圖形可以是一條直線、一個矩形或一個長方體。

（1）優(yōu)點：這種操作器結(jié)構(gòu)簡單，運動直觀性強，便于實現(xiàn)高精度。

（2）缺點：是占據(jù)空間位置較大，相應(yīng)的工作范圍較小。

據(jù)文獻統(tǒng)計，這種機器人約占機器人總產(chǎn)量的14%左右。1

圓柱坐標型圓柱坐標型又稱為會轉(zhuǎn)型，其三個基本關(guān)節(jié)中，兩個為移動關(guān)節(jié)，一個為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，即臂部除了具有伸縮和升降自由度外，還有一水平回轉(zhuǎn)自由度。其運動圖形可以是一個圓弧、一個扇形平面、一個圓柱面或一個空心圓柱體。

（1）優(yōu)點：同直角坐標型操作器相比，圓柱坐標型操作器除了保持運動直觀性強的優(yōu)點外，還具有占據(jù)空間較小、結(jié)構(gòu)緊湊、工作范圍大的特點。

（2）缺點：受升降機構(gòu)的限制，一般不能提升地面上或較低位置的工件。

據(jù)文獻統(tǒng)計，這種機器人約占機器人總產(chǎn)量的47%左右。1

球坐標型球坐標型又稱為俯仰型，其三個基本關(guān)節(jié)中，兩個為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，一個為移動關(guān)節(jié)，即臂部除具有伸縮和水平回轉(zhuǎn)自由度外，還有一俯仰運動自由度，其運動圖形為一個空心球體。

（1）優(yōu)點：同圓柱坐標型操作器相比，這種操作器在占據(jù)同樣空間的情況下，其工作范圍擴大了，由于其具有俯仰自由度，因此還能將臂伸向地面，完成從地面提取工件的任務(wù)。

（2）缺點：:運動直觀性差，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，臂端的位置誤差會隨臂的伸長而放大。

據(jù)文獻統(tǒng)計，這種機器人約占機器人總產(chǎn)量的13%左右。1

關(guān)節(jié)型關(guān)節(jié)型操作器的臂部由大臂和小臂兩部分組成，大臂與小臂之間以肘關(guān)節(jié)相連，大臂與機身之間以肩關(guān)節(jié)相連。大臂具有水平回轉(zhuǎn)和俯仰兩個自由度，小臂相對于大臂做屈伸運動，因此這種操作器又稱為屈伸型。其運動圖形為一球體。

（1）優(yōu)點：關(guān)節(jié)型操作器具有人的手臂的某些特征，與其他類型的操作器相比，它占據(jù)空間最小，工作范圍最大，此外還可以繞過障礙物提取和運送工件。因此，近年來受到普遍重視。

（2）缺點：運動直觀性更差，驅(qū)動控制比較復(fù)雜。

據(jù)文獻統(tǒng)計，這種機器人約占機器人總產(chǎn)量的25%左右。

除了上述四種基本坐標型操作器外，還有各種復(fù)合坐標型操作器。1