機器人操作器

機器人操作器機器人的執(zhí)行系統(tǒng)01簡介操作器的組成部分操作器的結(jié)構(gòu)分類機器人系統(tǒng)操作器的自由度目錄03050204基本信息機器人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，一般由機身、臂部、腕部、手部4個部分組成，其結(jié)構(gòu)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(guān)節(jié)型操作器。關(guān)于自由度，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。簡介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。

機器人系統(tǒng)機構(gòu)部分驅(qū)動部分感知部分智能部分機器人系統(tǒng)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。

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。

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。

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)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身臂部腕部手部操作器的組成部分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。

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。

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。

操作器的結(jié)構(gòu)分類直角坐標型圓柱坐標型球坐標型關(guān)節(jié)型操作器的結(jié)構(gòu)分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。

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。

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。

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