機(jī)器人系統(tǒng)簡介與典型機(jī)器人臂結(jié)構(gòu)的介紹

　　第二章 機(jī)器人系統(tǒng)簡介

　　2.1 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）

　　機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對象操作及移動(dòng)自身功能的載體，可以大體

　　分為操作手（包括臂和手）和移動(dòng)機(jī)構(gòu)兩類。對機(jī)器人的操作手而言，它應(yīng)該象

　　人的手臂那樣，能把（抓持裝工具的）手依次伸到預(yù)定的操作位置，并保持相應(yīng)

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

　　的姿態(tài)，并在運(yùn)動(dòng)過程中完成預(yù)定的操作。移動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)能將機(jī)器人移動(dòng)到任意位

　　置，并保持預(yù)定方位姿勢。為此，它應(yīng)能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、各方向的轉(zhuǎn)彎等基本

　　移動(dòng)功能。在結(jié)構(gòu)上它可以象人、獸、昆蟲，具有二足、四足或六足的步行機(jī)構(gòu)，

　　也可以象車或坦克那樣采用輪或履帶結(jié)構(gòu)

　　2.1.1 機(jī)器人的臂結(jié)構(gòu)

　　機(jī)器人的臂通常采用關(guān)節(jié)——連桿鏈形結(jié)構(gòu)，它由連桿和連桿間的關(guān)節(jié)組

　　成。關(guān)節(jié)，又稱運(yùn)動(dòng)副，是兩個(gè)構(gòu)件組成相對運(yùn)動(dòng)的聯(lián)接。在關(guān)節(jié)的約束下，兩

　　連桿間只能有簡單的相對運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人中常用的關(guān)節(jié)主要有兩類：

　?。?） 滑動(dòng)關(guān)節(jié)（Prismatic joint）： 與關(guān)節(jié)相連的兩連桿只能沿滑動(dòng)軸做直

　　線位移運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)的距離是滑動(dòng)關(guān)節(jié)的主要變量，滑動(dòng)軸一般和桿的軸線重合或

　　平行。

　?。?）轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)（Revolute joint）： 與關(guān)節(jié)相連的兩連桿只能繞關(guān)節(jié)軸做相對

　　旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)角度是關(guān)節(jié)的主要變量，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的方向通常與軸線重合或垂

　　直 。

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

　　械手（2） 桿件和手臂串聯(lián)連接，閉鏈機(jī)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(gè)獨(dú)立變量來描

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

　　of freedom））。而機(jī)器人的自由度是由有關(guān)節(jié)數(shù)和每個(gè)關(guān)節(jié)所具有的自由度數(shù)決

　　定的（每個(gè)關(guān)節(jié)可以有一個(gè)或多個(gè)自由度，通常為1 個(gè)）。機(jī)器人的自由度是獨(dú)

　　立的單獨(dú)運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，是表示機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性的尺度。（由驅(qū)動(dòng)器能產(chǎn)生主動(dòng)

　　動(dòng)作的自由度稱為主動(dòng)自由度，不能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力的自由度稱為被動(dòng)自由度。通常

　　開鏈機(jī)構(gòu)僅使用主動(dòng)自由度）機(jī)器人自由度的構(gòu)成，取決于它應(yīng)能保證完成與目

　　標(biāo)作業(yè)相適應(yīng)的動(dòng)作。分析可知，為使機(jī)器人能任意操縱物體的位姿，至少須

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

　?。ㄊ郑?。比較而言，人的臂有七個(gè)自由度，手有二十個(gè)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(jī)器人而言，冗余自由度的設(shè)置易于增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)的靈活性，但由

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

　　典型的機(jī)器人臂結(jié)構(gòu)有以下幾種：

　?。?）直角坐標(biāo)型（Cartesian/rectanglar/gantry） （3P）

　　? 由三個(gè)線性滑動(dòng)關(guān)節(jié)組成。

　　? 三個(gè)關(guān)節(jié)的滑動(dòng)方向分別和直角坐標(biāo)軸x，y，z 平行。

　　? 工作空間是個(gè)立方體