机器人学(机器人的机型与结构).docVIP

第三章 机器人的机型与结构 3.1 串联机器人机械手的形态与自由度 机械手的动作形态是由三种不同的单位动作——旋转、回转、伸缩组合而成的。 如图3-1所示，旋转或回转是指运动机构产生相对转动，两者的不同仅在于转动部件的轴线与转动轴线是否同轴，因而常常把它们笼统地称为转动。伸缩是指运动机构产生直线运动，这在人臂的动作中是不存在的，但机械手引入了伸缩动作，运动范围就可以得到扩大。 根据单位动作组合方式的不同，机械手的动作形态一般归纳为以下四种类型：（1）直角坐标型（2）圆柱坐标型（3）极坐标型（4）多关节型。 （1）直角坐标机器人。 如图3-2所示，直角坐标型机器人可以在三个相互正交的方向上作直线伸缩运动，机器人的手爪位于一个笛卡尔坐标系内。有的机器人还利用旋转关节控制手爪的姿态。这类机器人手各个方向的运动是独立的，计算比较方便，末端位置和精度也是一定的，但由于占地面积大，往往限于特定的应用场合。 （2）圆柱坐标机器人。 圆柱坐标机器人主要由垂直柱子、水平手臂（或机械手）和底座构成。水平机械手装在垂直柱子上，能自由伸缩，并可沿垂直柱子上下运动。垂直柱子安装在底座上，并与水平机械手一起（作为一个部件）能在底座上移动。这样，这种机器人的工作包迹（区间）就形成一段圆柱面，如图3-3所示。因此，把这种机器人叫做圆柱坐标机器人。 （3）极坐标机器人。 这种机器人如图3-4所示。它像坦克的炮塔一样。机械手能够作里外伸缩运动、在垂直平面上摆动以及绕底座在水平面上转动。因此，这种机器人的工作包迹形成球面的一部分，并被称为球面坐标机器人。 （4）多关节型机器人。 这种机器人主要由底座（或躯干）、上臂和前臂构成。上臂和前臂可在通过底座的垂直平面上运动，如图3-5所示。在前臂和上臂间，机械手有个肘关节；而在上臂和底座之间，有个肩关节。在水平平面上的旋转运动，既可由肩关节进行，也可以绕底座旋转来实现。这种机器人的工作包迹形成球面的大部分，称为多关节型机器人。 机器人机械手具有的独立的单位动作组合数称之为自由度。 由于一个物体在三维空间中的位置和姿态分别需要三个独立的坐标才能得到确定。所以，能使手爪达到任意空间位置并具有任意姿态的机械手至少需要六个自由度。 自由度是表达机器人通用性、灵活性的主要指标。智能机器人往往需要更多的机动性（例如，当工作区存在障碍时，机械手手爪可以进入难以到达的地方），它的机械手可能具有六个以上的自由度。当然自由度越多，机械结构越复杂，从而控制也越困难。 3.2 并联机器人的提出、特点和应用 在串联机器人发展方兴未艾时，澳大利亚著名机构学教授Hunt于1978年提出，可以应用Stewart平台机构作为机器人机构。到80年代中期，国际上研究并联机构的学者还很少，仅有McDowell、Earl、Fichter、Yang、Lee、Duffy、Tesar等数人，研究成果也不多。到了80年代末特别是90年代以来，并联机构才被广泛注意，成为了新的热点许多大型会议均设专题讨论，国际上著名学者有Warldron、Roth、Gosselin、Fenton、Merlet、Angeles、Sugimoto、Lee、Kumar等。并联机构从结构上看，是用6根支杆将上下两平台联接而形成的，这6根支杆都可以独立地自由伸缩，它分别用球铰和虎克铰与上下平台联接，这样上平台与下平台就可进行6个独立运动，即有6个自由度，在三维空间可以作任意方向的移动和绕任何方向、位置的轴线转动。这种机构在1965年由Stewart提出，原是作为飞行模拟器用于训练飞行员的机舱由6个液压缸支撑和驱动，可以使机舱获得任意的位姿。 并联机器人与已经用的很好、很广泛的串联机器人相比往往使人感到它并不适合用作机器人，它没有那么大的活动空间，它的活动上平台远远不如串联机器人手部来的灵活。的确这种6-TPS结构的并联机构其工作空间只是一个厚度不大的蘑菇形空间，位于机构的上方，而表示灵活度的末端件三维转动的活动范围一般只在60°上下，角度最大也达不到±90°。可是和世界上任何事物一样都是一分为二的，若用并联机器人的优点比串联机器人的缺点，也同样令人吃惊。 首先，并联式结构其末端件上平台同时经由6根杆支承，与串联的悬臂梁相比，刚度大多了，而且结构稳定； 第二，由于刚度大，并联机器人较串联机器人在相同的自重或体积下有高得多的承载能力； 第三，串联机器人末端的误差是各个关节误差的积累和放大，因而误差大而精度低，并联机器人没有这样的积累和放大关系，误差因为平均而减小因而精度高； 第四，串联式机器人的驱动电机及传动系统都放在运动着的大小臂上，增加了系统的惯性恶化了动力性能，而并联机器人容易将电机置于机座上，减少了运动负荷； 第五，在位置求解上，串联机器人正解容易，但反解十分困难，而并联机器人正解困难反解却