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機器人學/機器人型別/機械臂

來自華夏公益教科書

機械臂是一種關節式機器人操縱器,允許機器人與其環境互動。許多機械臂都配備了機載控制器或轉換器,以簡化通訊,儘管它們可以被直接控制或以多種方式控制。由於這個原因,獨立的機械臂通常被歸類為完整的機器人。

機器人機械臂型別

有許多不同型別的機器人機械臂,但大多數可以根據其機械結構分為六大類。笛卡爾(也稱為龍門架)機器人具有三個與標準 X-Y-Z 笛卡爾座標軸重合的關節。圓柱形機械臂具有任意數量的關節,這些關節在圓柱形軸上工作,通常圍繞一個固定的杆旋轉。球形(極座標)機械臂是那些具有允許其在整個球形範圍內完全旋轉的關節的機械臂。SCARA 機器人有兩個平行的旋轉關節,允許在平面內完全移動,通常用於拾放工作。關節式機器人用於複雜的組裝操作,由三個或更多個旋轉關節組成。並聯機器人具有三個同時存在的稜柱形或旋轉關節,並允許傾斜重型或敏感平臺。

(從左到右)龍門架機器人、關節式機器人、SCARA 機器人


應用

機器人機械臂通常用於工業。重複性的自主機器人根據預定的運動和特定位置的物體重複執行一項任務。開始和停止命令由位置、加速度、減速、距離和方向決定。更復雜的操作基於感測器處理執行。如果物體方向或位置未知,機械臂通常與機器視覺和人工智慧配對,以識別物體並隨後控制機械臂。

標準機器人工廠設定


引數

機械臂通常由十四個不同的引數定義。

軸數 - 在平面內到達任何點需要兩個軸。在空間內到達一個點需要三個軸。滾動、俯仰和偏航控制對於末端執行器的完全控制是必需的。
自由度 - 機器人可以圍繞其進行方向控制的點數。人的手臂有七個自由度;關節式機械臂通常最多有 6 個自由度。
工作範圍 - 機器人可以包含的空間區域。
工作空間 - 機器人可以完全與其互動的空間區域。
運動學 - 關節的排列和型別(笛卡爾、圓柱形、球形、SCARA、關節式、並聯)
負載 - 可以提升和攜帶的重量
速度 - 可以由單個或總角速度或線性速度定義
加速度 - 限制短距離內的最大速度。加速度以每個自由度或軸來表示。
精度 - 作為最佳情況給出,並根據運動速度和與信封內最佳位置的距離進行修改。
重複性 - 與精度關係更為密切,而不是精度。具有較低重複性因子和較高精度的機器人通常只需要重新校準。
運動控制 - 對於某些應用,機械臂可能只需要移動到工作空間中的某些點。它們也可能需要與所有可能的點互動。
電源 - 通常使用電動機或液壓系統,儘管新的方法正在出現和測試。
驅動 - 電機可以直接連線到段以進行直接驅動。它們也可以透過齒輪或諧波驅動系統連線。
順應性 - 機器人關節在力作用下移動的距離或角度的度量。

末端執行器

機械臂本身只負責定位。末端執行器對於實際的環境互動是必要的。一些常見的選擇是夾具、噴霧器、研磨機、焊機和真空吸塵器,儘管還有許多其他選擇。複雜性差異很大,從齊平安裝的、不移動的零件(磁鐵或粘性墊)到具有各種輸入和輸出的多關節、多感測器零件。末端執行器通常根據應用選擇,許多機械臂適合多個末端執行器。

分佈

一份 2006 年的日本報告顯示,60% 的機器人機械臂安裝是用於關節式機器人,22% 用於龍門架,13% 用於 SCARA,4% 用於圓柱形。汽車行業擁有最高的工業機器人集中度,幾乎每 10 個人就有一個機器人。

生物建模

機器人元件的生物設計越來越受歡迎。目前,影子公司(以影子手聞名)正在研究一種仿生機械臂,該機械臂準確地模擬了人的手臂。該機械臂與人的手臂一樣,有七個自由度,這大大提高了其效率。

影子手


斯圖加特弗勞恩霍夫生產工程與自動化研究所 IPA 的研究人員已經開始研究一種以象鼻為模型的機械臂。該機械臂使用一根繩索,繩索在其中點連線到一根驅動軸。當軸旋轉時,繩索在兩個方向上纏繞在軸上,形成一個雙螺旋。他們的原型機械臂使用十個這樣的繩索系統,每個系統連線兩個電機(第二個電機作為增加安全的故障安全裝置)。

同樣,耶路撒冷希伯來大學的生物學家正在研究章魚觸手作為未來機器人機械臂開發的可能模型。尚未建造原型,但機械臂設計已於近期開始。

此外,在匹茲堡大學和卡內基梅隆大學進行的一項研究中,兩隻猴子學會了透過植入其大腦的感測器控制機器人機械臂。雖然目前並不實用,但這項研究證實了大腦控制的假肢是可行的,並激發了人們對該領域的興趣。

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