機器人系統(tǒng)簡介與典型機器人臂結構的介紹

　　第二章 機器人系統(tǒng)簡介

　　2.1 機器人的運動機構（執(zhí)行機構）

　　機器人的運動機構是機器人實現(xiàn)對象操作及移動自身功能的載體，可以大體

　　分為操作手（包括臂和手）和移動機構兩類。對機器人的操作手而言，它應該象

　　人的手臂那樣，能把（抓持裝工具的）手依次伸到預定的操作位置，并保持相應

　　的姿態(tài)，完成給定的操作；或者能夠以一定速度，沿預定空間曲線移動并保持手

　　的姿態(tài)，并在運動過程中完成預定的操作。移動機構應能將機器人移動到任意位

　　置，并保持預定方位姿勢。為此，它應能實現(xiàn)前進、后退、各方向的轉彎等基本

　　移動功能。在結構上它可以象人、獸、昆蟲，具有二足、四足或六足的步行機構，

　　也可以象車或坦克那樣采用輪或履帶結構

　　2.1.1 機器人的臂結構

　　機器人的臂通常采用關節(jié)——連桿鏈形結構，它由連桿和連桿間的關節(jié)組

　　成。關節(jié)，又稱運動副，是兩個構件組成相對運動的聯(lián)接。在關節(jié)的約束下，兩

　　連桿間只能有簡單的相對運動。機器人中常用的關節(jié)主要有兩類：

　?。?） 滑動關節(jié)（Prismatic joint）： 與關節(jié)相連的兩連桿只能沿滑動軸做直

　　線位移運動，移動的距離是滑動關節(jié)的主要變量，滑動軸一般和桿的軸線重合或

　　平行。

　?。?）轉動關節(jié)（Revolute joint）： 與關節(jié)相連的兩連桿只能繞關節(jié)軸做相對

　　旋轉運動，其轉動角度是關節(jié)的主要變量，轉動軸的方向通常與軸線重合或垂

　　直 。

　　桿件和關節(jié)的構成方法大致可分為兩種：（1） 桿件和手臂串聯(lián)連接，開鏈機

　　械手（2） 桿件和手臂串聯(lián)連接，閉鏈機械手。

　　以操作對象為理想剛體為例，物體的位置和姿態(tài)各需要3 個獨立變量來描

　　述。我們將確定物體在坐標系中位姿的獨立坐標數(shù)目稱為自由度（DOF（degree

　　of freedom））。而機器人的自由度是由有關節(jié)數(shù)和每個關節(jié)所具有的自由度數(shù)決

　　定的（每個關節(jié)可以有一個或多個自由度，通常為1 個）。機器人的自由度是獨

　　立的單獨運動的數(shù)目，是表示機器人運動靈活性的尺度。（由驅動器能產(chǎn)生主動

　　動作的自由度稱為主動自由度，不能產(chǎn)生驅動力的自由度稱為被動自由度。通常

　　開鏈機構僅使用主動自由度）機器人自由度的構成，取決于它應能保證完成與目

　　標作業(yè)相適應的動作。分析可知，為使機器人能任意操縱物體的位姿，至少須

　　6DOF，通常用三個自由度確定手的空間位置（手臂），三個自由度確定手的姿態(tài)

　?。ㄊ郑１容^而言，人的臂有七個自由度，手有二十個自由度，其中肩3DOF，肘

　　2 DOF，碗2DOF。這種比6 還多的自由度稱為冗余自由度。人的臂由于有這樣的

　　冗余性，在固定手的位置和姿態(tài)的情況下，肘的位置不唯一。因此人的手臂能靈

　　活回避障礙物。對機器人而言，冗余自由度的設置易于增強運動的靈活性，但由

　　于存在多解，需要在約束條件下尋優(yōu)，計算量和控制的難度相對增大。

　　典型的機器人臂結構有以下幾種：

　　（1）直角坐標型（Cartesian/rectanglar/gantry） （3P）

　　? 由三個線性滑動關節(jié)組成。

　　? 三個關節(jié)的滑動方向分別和直角坐標軸x，y，z 平行。

　　? 工作空間是個立方體