機器人操作器

機器人操作器是機器人的執行系統，是機器人握持工件或工具、完成各種運動和操作任務的機械部分，一般由機身、臂部、腕部、手部4個部分組成，其結構可分為4類：直角坐標型操作器、圓柱坐標型操作器、球坐標型操作器、關節型操作器。關於自由度，機器人的自由度數目等於操作器中各部件自由度的總和。

基本介紹

• 中文名：機器人操作器
• 外文名：Robot manipulator
• 組成部分：機身、臂部、腕部、手部
• 結構分類：直角、圓柱、球坐標型、關節型
• 自由度：操作器中各部件自由度的總和。
• 性能指標：雅可比矩陣的條件數

簡介

機器人一詞源於斯洛伐克語，其原意為“農奴”，在現代科學技術中，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慧型功能。機器人是一種靈活的、具有多目的用途的自動化系統。無論哪一種機器人都是由執行系統、驅動系統、控制系統這三個基本部分組成的。

在機器人學的研究中，最基本、最重要的問題之一是機器人操作器的機構學問題，這是因為：當進行機器人設計時，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目，以及為了使機器人產生給定的運動所需要的各連桿的幾何尺寸；從事機器人研究和套用的工程技術人員，也必須對一個給定的機器人所能產生的運動有一個清楚的了解。

機器人系統

本質上，機器人系統由四部分組成：

機構部分

機構部分主要由各種機械結構系統組成，如工業機器人的機械結構系統由機身、手臂、末端操作器三大件組成，每一大件都有若干自由度，構成一個多自由度的機械系統。若機身具備行走機構便構成行走機器人；若機身不具備行走及腰轉機構，則構成單機器人臂，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、焊具等作業工具。

驅動部分

驅動部分主要由各種傳動構成驅動系統。驅動系統可以是液壓傳動、氣動傳動、電動傳動，或者把它們結合起來套用的綜合系統；可以直接驅動或者通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機構進行間接驅動。

感知部分

感知部分由感受系統和機器人-環境互動系統組成。感受系統由內部感測器模組和外部感測器模組組成，獲取內部和外部環境中有意義的信息。使用智慧型感測器可以提高機器人的機動性、適應性和智慧型化水準。儘管人類的感受系統對感知外部世界信息是及其靈巧的，然而對於一些特殊的信息，感測器比人類的感受系統更為有效。機器人-環境互動系統，是實現機器人與外部環境中的設備相互聯繫和協調的系統。機器人與外部設備集成為一個功能單元，如加工製造單元、焊接單元、裝配單元等。

智慧型部分

智慧型部分主要由人機互動系統和智慧型控制系統組成，人機互動系統是使操作人員參與機器人控制以及與機器人取得聯繫的裝置，控制系統的任務是根據機器人的作業指令程式以及從感測器反饋回來的信號支配機器人的執行機構去完成規定的運動和功能。智慧型機器人多感測器信息的融合、運動規劃、環境建模、智慧型推理等需要大量的記憶體和高速、實時處理能力。馮.諾依曼結構作為智慧型機器人的控制器已經力不從心。隨著光子計算機和並行處理結構的出現，智慧型機器人的處理能力會更高，機器人會具有更高的智慧型。根據智慧型機器人的任務分解，在面向設備的基礎級可以採用常規的自動控制技術。在協調級和組織級，由於存在不確定性，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，需要採用智慧型控制方法，如神經網路方法、模糊控制、專家控制及集成智慧型控制等。

操作器的組成部分

操作器是機器人的執行系統，是機器人握持工件或工具、完成各種運動和操作任務的機械部分。一般由下面幾個部分組成：

機身

機身是用來支持手臂並安裝驅動設定等部件的，它主要由實現臂部升降、平移或俯仰等運動的機構及有關的導向裝置等組成，故常把它與臂部合併考慮，並不單列為一部分。

臂部

臂部是操作器的主要執行部件，其作用是支撐腕部和手部，並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。

腕部

腕部是操作器連線臂部和手部的部件，其主要作用是改變和調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。

手部

手部是操作器的執行部件之一，其作用是抓取工具或握持工具。

操作器的自由度

所謂操作器的自由度，是指在確定操作器所有構件的位置時所必須給定的獨立運動參數的數目。在典型的工業機器人的情況下，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，為了驅動方便，每一個關節位置通常由單個變數來規定，因此操作器的運動副僅包含單自由度的運動副：轉動副和移動副。在機器人學中，我們稱其為轉動關節和移動關節。由於每一關節具有一個自由度，故機器人的自由度數目等於操作器中各部件自由度的總和。

操作器的結構分類

就操作器結構坐標系的特點，可以分為以下幾類：

直角坐標型

直角坐標型又稱為直移型，其三個基本關節均為移動關節，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）優點：這種操作器結構簡單，運動直觀性強，便於實現高精度。

（2）缺點：是占據空間位置較大，相應的工作範圍較小。

據文獻統計，這種機器人約占機器人總產量的14%左右。

圓柱坐標型

圓柱坐標型又稱為會轉型，其三個基本關節中，兩個為移動關節，一個為轉動關節，即臂部除了具有伸縮和升降自由度外，還有一水平迴轉自由度。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點外，還具有占據空間較小、結構緊湊、工作範圍大的特點。

（2）缺點：受升降機構的限制，一般不能提升地面上或較低位置的工件。

據文獻統計，這種機器人約占機器人總產量的47%左右。

球坐標型

球坐標型又稱為俯仰型，其三個基本關節中，兩個為轉動關節，一個為移動關節，即臂部除具有伸縮和水平迴轉自由度外，還有一俯仰運動自由度，其運動圖形為一個空心球體。

（1）優點：同圓柱坐標型操作器相比，這種操作器在占據同樣空間的情況下，其工作範圍擴大了，由於其具有俯仰自由度，因此還能將臂伸向地面，完成從地面提取工件的任務。

（2）缺點：:運動直觀性差，結構較為複雜，臂端的位置誤差會隨臂的伸長而放大。

據文獻統計，這種機器人約占機器人總產量的13%左右。

關節型

關節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節相連，大臂與機身之間以肩關節相連。大臂具有水平迴轉和俯仰兩個自由度，小臂相對於大臂做屈伸運動，因此這種操作器又稱為屈伸型。其運動圖形為一球體。

（1）優點：關節型操作器具有人的手臂的某些特徵，與其他類型的操作器相比，它占據空間最小，工作範圍最大，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，驅動控制比較複雜。

據文獻統計，這種機器人約占機器人總產量的25%左右。

除了上述四種基本坐標型操作器外，還有各種複合坐標型操作器。