[科普中国]-机器人操作器

简介

机器人一词源于斯洛伐克语，其原意为“农奴”，在现代科学技术中，机器人一词被定义为“在自动控制下通过编程可完成不同作业的机器”。它和人的外形可以没有相似之处，但却可以在某种程度上效仿人的动作和智能功能。机器人是一种灵活的、具有多目的用途的自动化系统。无论哪一种机器人都是由执行系统、驱动系统、控制系统这三个基本部分组成的。

在机器人学的研究中，最基本、最重要的问题之一是机器人操作器的机构学问题，这是因为：当进行机器人设计时，首先提出来的问题是确定机器人操作器中运动副的种类和数目，以及为了使机器人产生给定的运动所需要的各连杆的几何尺寸；从事机器人研究和应用的工程技术人员，也必须对一个给定的机器人所能产生的运动有一个清楚的了解。1

机器人系统本质上，机器人系统由四部分组成：

机构部分机构部分主要由各种机械结构系统组成，如工业机器人的机械结构系统由机身、手臂、末端操作器三大件组成，每一大件都有若干自由度，构成一个多自由度的机械系统。若机身具备行走机构便构成行走机器人；若机身不具备行走及腰转机构，则构成单机器人臂，手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端操作器直接装在手腕上，它可以是二手指或多手指的手爪，也可以是喷漆枪、焊具等作业工具。2

驱动部分驱动部分主要由各种传动构成驱动系统。驱动系统可以是液压传动、气动传动、电动传动，或者把它们结合起来应用的综合系统；可以直接驱动或者通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机构进行间接驱动。2

感知部分感知部分由感受系统和机器人-环境交互系统组成。感受系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，获取内部和外部环境中有意义的信息。使用智能传感器可以提高机器人的机动性、适应性和智能化水准。尽管人类的感受系统对感知外部世界信息是及其灵巧的，然而对于一些特殊的信息，传感器比人类的感受系统更为有效。机器人-环境交互系统，是实现机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。2

智能部分智能部分主要由人机交互系统和智能控制系统组成，人机交互系统是使操作人员参与机器人控制以及与机器人取得联系的装置，控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。智能机器人多传感器信息的融合、运动规划、环境建模、智能推理等需要大量的内存和高速、实时处理能力。冯.诺依曼结构作为智能机器人的控制器已经力不从心。随着光子计算机和并行处理结构的出现，智能机器人的处理能力会更高，机器人会具有更高的智能。根据智能机器人的任务分解，在面向设备的基础级可以采用常规的自动控制技术。在协调级和组织级，由于存在不确定性，控制模型无法建立或建立的模型不够精确，控制效果不尽如人意，因此，需要采用智能控制方法，如神经网络方法、模糊控制、专家控制及集成智能控制等。2

操作器的组成部分操作器是机器人的执行系统，是机器人握持工件或工具、完成各种运动和操作任务的机械部分。一般由下面几个部分组成：

机身机身是用来支持手臂并安装驱动设置等部件的，它主要由实现臂部升降、平移或俯仰等运动的机构及有关的导向装置等组成，故常把它与臂部合并考虑，并不单列为一部分。1

臂部臂部是操作器的主要执行部件，其作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动，从而使手部按照一定的运动轨迹由某一位置到达另一指定位置。1

腕部腕部是操作器连接臂部和手部的部件，其主要作用是改变和调整手部在空间的方位，从而使手爪中所握持的工件或工具取得某一特定的姿态。1

手部手部是操作器的执行部件之一，其作用是抓取工具或握持工具。1

操作器的自由度所谓操作器的自由度，是指在确定操作器所有构件的位置时所必须给定的独立运动参数的数目。在典型的工业机器人的情况下，操作器的主运动链通常是一个装在固定机架上的开式运动链，为了驱动方便，每一个关节位置通常由单个变量来规定，因此操作器的运动副仅包含单自由度的运动副：转动副和移动副。在机器人学中，我们称其为转动关节和移动关节。由于每一关节具有一个自由度，故机器人的自由度数目等于操作器中各部件自由度的总和。1

操作器的结构分类就操作器结构坐标系的特点，可以分为以下几类：

直角坐标型直角坐标型又称为直移型，其三个基本关节均为移动关节，即臂部只有伸缩、升降和平移运动，其运动图形可以是一条直线、一个矩形或一个长方体。

（1）优点：这种操作器结构简单，运动直观性强，便于实现高精度。

（2）缺点：是占据空间位置较大，相应的工作范围较小。

据文献统计，这种机器人约占机器人总产量的14%左右。1

圆柱坐标型圆柱坐标型又称为会转型，其三个基本关节中，两个为移动关节，一个为转动关节，即臂部除了具有伸缩和升降自由度外，还有一水平回转自由度。其运动图形可以是一个圆弧、一个扇形平面、一个圆柱面或一个空心圆柱体。

（1）优点：同直角坐标型操作器相比，圆柱坐标型操作器除了保持运动直观性强的优点外，还具有占据空间较小、结构紧凑、工作范围大的特点。

（2）缺点：受升降机构的限制，一般不能提升地面上或较低位置的工件。

据文献统计，这种机器人约占机器人总产量的47%左右。1

球坐标型球坐标型又称为俯仰型，其三个基本关节中，两个为转动关节，一个为移动关节，即臂部除具有伸缩和水平回转自由度外，还有一俯仰运动自由度，其运动图形为一个空心球体。

（1）优点：同圆柱坐标型操作器相比，这种操作器在占据同样空间的情况下，其工作范围扩大了，由于其具有俯仰自由度，因此还能将臂伸向地面，完成从地面提取工件的任务。

（2）缺点：:运动直观性差，结构较为复杂，臂端的位置误差会随臂的伸长而放大。

据文献统计，这种机器人约占机器人总产量的13%左右。1

关节型关节型操作器的臂部由大臂和小臂两部分组成，大臂与小臂之间以肘关节相连，大臂与机身之间以肩关节相连。大臂具有水平回转和俯仰两个自由度，小臂相对于大臂做屈伸运动，因此这种操作器又称为屈伸型。其运动图形为一球体。

（1）优点：关节型操作器具有人的手臂的某些特征，与其他类型的操作器相比，它占据空间最小，工作范围最大，此外还可以绕过障碍物提取和运送工件。因此，近年来受到普遍重视。

（2）缺点：运动直观性更差，驱动控制比较复杂。

据文献统计，这种机器人约占机器人总产量的25%左右。

除了上述四种基本坐标型操作器外，还有各种复合坐标型操作器。1