机器人系统简介与典型机器人臂结构的介绍

　　第二章 机器人系统简介

　　2.1 机器人的运动机构（执行机构）

　　机器人的运动机构是机器人实现对象操作及移动自身功能的载体，可以大体

　　分为操作手（包括臂和手）和移动机构两类。对机器人的操作手而言，它应该象

　　人的手臂那样，能把（抓持装工具的）手依次伸到预定的操作位置，并保持相应

　　的姿态，完成给定的操作；或者能够以一定速度，沿预定空间曲线移动并保持手

　　的姿态，并在运动过程中完成预定的操作。移动机构应能将机器人移动到任意位

　　置，并保持预定方位姿势。为此，它应能实现前进、后退、各方向的转弯等基本

　　移动功能。在结构上它可以象人、兽、昆虫，具有二足、四足或六足的步行机构，

　　也可以象车或坦克那样采用轮或履带结构

　　2.1.1 机器人的臂结构

　　机器人的臂通常采用关节——连杆链形结构，它由连杆和连杆间的关节组

　　成。关节，又称运动副，是两个构件组成相对运动的联接。在关节的约束下，两

　　连杆间只能有简单的相对运动。机器人中常用的关节主要有两类：

　　（1） 滑动关节（Prismatic joint）： 与关节相连的两连杆只能沿滑动轴做直

　　线位移运动，移动的距离是滑动关节的主要变量，滑动轴一般和杆的轴线重合或

　　平行。

　　（2）转动关节（Revolute joint）： 与关节相连的两连杆只能绕关节轴做相对

　　旋转运动，其转动角度是关节的主要变量，转动轴的方向通常与轴线重合或垂

　　直 。

　　杆件和关节的构成方法大致可分为两种：（1） 杆件和手臂串联连接，开链机

　　械手（2） 杆件和手臂串联连接，闭链机械手。

　　以操作对象为理想刚体为例，物体的位置和姿态各需要3 个独立变量来描

　　述。我们将确定物体在坐标系中位姿的独立坐标数目称为自由度（DOF（degree

　　of freedom））。而机器人的自由度是由有关节数和每个关节所具有的自由度数决

　　定的（每个关节可以有一个或多个自由度，通常为1 个）。机器人的自由度是独

　　立的单独运动的数目，是表示机器人运动灵活性的尺度。（由驱动器能产生主动

　　动作的自由度称为主动自由度，不能产生驱动力的自由度称为被动自由度。通常

　　开链机构仅使用主动自由度）机器人自由度的构成，取决于它应能保证完成与目

　　标作业相适应的动作。分析可知，为使机器人能任意操纵物体的位姿，至少须

　　6DOF，通常用三个自由度确定手的空间位置（手臂），三个自由度确定手的姿态

　　（手）。比较而言，人的臂有七个自由度，手有二十个自由度，其中肩3DOF，肘

　　2 DOF，碗2DOF。这种比6 还多的自由度称为冗余自由度。人的臂由于有这样的

　　冗余性，在固定手的位置和姿态的情况下，肘的位置不唯一。因此人的手臂能灵

　　活回避障碍物。对机器人而言，冗余自由度的设置易于增强运动的灵活性，但由

　　于存在多解，需要在约束条件下寻优，计算量和控制的难度相对增大。

　　典型的机器人臂结构有以下几种：

　　（1）直角坐标型（Cartesian/rectanglar/gantry） （3P）

　　� 由三个线性滑动关节组成。

　　� 三个关节的滑动方向分别和直角坐标轴x，y，z 平行。

　　� 工作空间是个立方体