機(jī)器人操作器

機(jī)器人操作器機(jī)器人的執(zhí)行系統(tǒng)01簡(jiǎn)介操作器的組成部分操作器的結(jié)構(gòu)分類機(jī)器人系統(tǒng)操作器的自由度目錄03050204基本信息機(jī)器人操作器是機(jī)器人的執(zhí)行系統(tǒng)，是機(jī)器人握持工件或工具、完成各種運(yùn)動(dòng)和操作任務(wù)的機(jī)械部分，一般由機(jī)身、臂部、腕部、手部4個(gè)部分組成，其結(jié)構(gòu)可分為4類：直角坐標(biāo)型操作器、圓柱坐標(biāo)型操作器、球坐標(biāo)型操作器、關(guān)節(jié)型操作器。關(guān)于自由度，機(jī)器人的自由度數(shù)目等于操作器中各部件自由度的總和。簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介機(jī)器人一詞源于斯洛伐克語(yǔ)，其原意為“農(nóng)奴”，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中，機(jī)器人一詞被定義為“在自動(dòng)控制下通過(guò)編程可完成不同作業(yè)的機(jī)器”。它和人的外形可以沒(méi)有相似之處，但卻可以在某種程度上效仿人的動(dòng)作和智能功能。機(jī)器人是一種靈活的、具有多目的用途的自動(dòng)化系統(tǒng)。無(wú)論哪一種機(jī)器人都是由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)這三個(gè)基本部分組成的。在機(jī)器人學(xué)的研究中，最基本、最重要的問(wèn)題之一是機(jī)器人操作器的機(jī)構(gòu)學(xué)問(wèn)題，這是因?yàn)椋寒?dāng)進(jìn)行機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)，首先提出來(lái)的問(wèn)題是確定機(jī)器人操作器中運(yùn)動(dòng)副的種類和數(shù)目，以及為了使機(jī)器人產(chǎn)生給定的運(yùn)動(dòng)所需要的各連桿的幾何尺寸；從事機(jī)器人研究和應(yīng)用的工程技術(shù)人員，也必須對(duì)一個(gè)給定的機(jī)器人所能產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)有一個(gè)清楚的了解。

機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)構(gòu)部分驅(qū)動(dòng)部分感知部分智能部分機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)構(gòu)部分機(jī)構(gòu)部分主要由各種機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成，如工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由機(jī)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(gè)多自由度的機(jī)械系統(tǒng)。若機(jī)身具備行走機(jī)構(gòu)便構(gòu)成行走機(jī)器人；若機(jī)身不具備行走及腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，則構(gòu)成單機(jī)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。

驅(qū)動(dòng)部分驅(qū)動(dòng)部分主要由各種傳動(dòng)構(gòu)成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以是液壓傳動(dòng)、氣動(dòng)傳動(dòng)、電動(dòng)傳動(dòng)，或者把它們結(jié)合起來(lái)應(yīng)用的綜合系統(tǒng)；可以直接驅(qū)動(dòng)或者通過(guò)同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接驅(qū)動(dòng)。

感知部分感知部分由感受系統(tǒng)和機(jī)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(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化水準(zhǔn)。盡管人類的感受系統(tǒng)對(duì)感知外部世界信息是及其靈巧的，然而對(duì)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(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。機(jī)器人與外部設(shè)備集成為一個(gè)功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。

智能部分智能部分主要由人機(jī)交互系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)組成，人機(jī)交互系統(tǒng)是使操作人員參與機(jī)器人控制以及與機(jī)器人取得的裝置，控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。智能機(jī)器人多傳感器信息的融合、運(yùn)動(dòng)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(shí)時(shí)處理能力。馮.諾依曼結(jié)構(gòu)作為智能機(jī)器人的控制器已經(jīng)力不從心。隨著光子計(jì)算機(jī)和并行處理結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，智能機(jī)器人的處理能力會(huì)更高，機(jī)器人會(huì)具有更高的智能。根據(jù)智能機(jī)器人的任務(wù)分解，在面向設(shè)備的基礎(chǔ)級(jí)可以采用常規(guī)的自動(dòng)控制技術(shù)。在協(xié)調(diào)級(jí)和組織級(jí)，由于存在不確定性，控制模型無(wú)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)絡(luò)方法、模糊控制、專家控制及集成智能控制等。

操作器的組成部分機(jī)身臂部腕部手部操作器的組成部分機(jī)身機(jī)身是用來(lái)支持手臂并安裝驅(qū)動(dòng)設(shè)置等部件的，它主要由實(shí)現(xiàn)臂部升降、平移或俯仰等運(yùn)動(dòng)的機(jī)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。

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(dòng)它們?cè)诳臻g運(yùn)動(dòng)，從而使手部按照一定的運(yùn)動(dòng)軌跡由某一位置到達(dá)另一指定位置。

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)。

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。

操作器的自由度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(shí)所必須給定的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目。在典型的工業(yè)機(jī)器人的情況下，操作器的主運(yùn)動(dòng)鏈通常是一個(gè)裝在固定機(jī)架上的開(kāi)式運(yùn)動(dòng)鏈，為了驅(qū)動(dòng)方便，每一個(gè)關(guān)節(jié)位置通常由單個(gè)變量來(lái)規(guī)定，因此操作器的運(yùn)動(dòng)副僅包含單自由度的運(yùn)動(dòng)副：轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副。在機(jī)器人學(xué)中，我們稱其為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)。由于每一關(guān)節(jié)具有一個(gè)自由度，故機(jī)器人的自由度數(shù)目等于操作器中各部件自由度的總和。

操作器的結(jié)構(gòu)分類直角坐標(biāo)型圓柱坐標(biāo)型球坐標(biāo)型關(guān)節(jié)型操作器的結(jié)構(gòu)分類直角坐標(biāo)型直角坐標(biāo)型又稱為直移型，其三個(gè)基本關(guān)節(jié)均為移動(dòng)關(guān)節(jié)，即臂部只有伸縮、升降和平移運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)圖形可以是一條直線、一個(gè)矩形或一個(gè)長(zhǎng)方體。（1）優(yōu)點(diǎn)：這種操作器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)直觀性強(qiáng)，便于實(shí)現(xiàn)高精度。（2）缺點(diǎn)：是占據(jù)空間位置較大，相應(yīng)的工作范圍較小。據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，這種機(jī)器人約占機(jī)器人總產(chǎn)量的14%左右。

圓柱坐標(biāo)型圓柱坐標(biāo)型又稱為會(huì)轉(zhuǎn)型，其三個(gè)基本關(guān)節(jié)中，兩個(gè)為移動(dòng)關(guān)節(jié)，一個(gè)為轉(zhuǎn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)圖形可以是一個(gè)圓弧、一個(gè)扇形平面、一個(gè)圓柱面或一個(gè)空心圓柱體。（1）優(yōu)點(diǎn)：同直角坐標(biāo)型操作器相比，圓柱坐標(biāo)型操作器除了保持運(yùn)動(dòng)直觀性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)。（2）缺點(diǎn)：受升降機(jī)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(xiàn)統(tǒng)計(jì)，這種機(jī)器人約占機(jī)器人總產(chǎn)量的47%左右。

球坐標(biāo)型球坐標(biāo)型又稱為俯仰型，其三個(gè)基本關(guān)節(jié)中，兩個(gè)為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，一個(gè)為移動(dòng)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(yùn)動(dòng)自由度，其運(yùn)動(dòng)圖形為一個(gè)空心球體。（1）優(yōu)點(diǎn)：同圓柱坐標(biāo)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(kuò)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(diǎn)：:運(yùn)動(dòng)直觀性差，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，臂端的位置誤差會(huì)隨臂的伸長(zhǎng)而放大。據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，這種機(jī)器人約占機(jī)器人總產(chǎn)量的13%左右。

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(jī)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(gè)自由度，小臂相對(duì)于大臂做屈伸運(yùn)動(dòng)，因此這種操作器又稱為屈伸型。其運(yùn)動(dòng)圖形為一球體。（1）優(yōu)點(diǎn)：關(guān)節(jié)型操作器具有人的手臂的某些特征，與其他