隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),從材料搬運(yùn)到機(jī)器維護(hù),從焊接到切割,從裝配到噴涂,我們發(fā)現(xiàn),這些工業(yè)機(jī)器人形狀各異,功能性能各不相同,那么是什么決定了工業(yè)機(jī)器人的靈活性和活動(dòng)范圍呢,這個(gè)問(wèn)題比較復(fù)雜,但是有一個(gè)關(guān)鍵因素在很大程度上決定了機(jī)器人的靈活性和活動(dòng)范圍,那就是工業(yè)機(jī)器人的自由度,通常也叫做軸數(shù)。

什么是工業(yè)機(jī)器人的自由度?

通常作為機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo),反映機(jī)器人動(dòng)作的靈活性,可用軸的直線移動(dòng)、擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的數(shù)目來(lái)表示。機(jī)器人機(jī)構(gòu)能夠獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)數(shù)目,稱(chēng)為機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)自由度,簡(jiǎn)稱(chēng)自由度(Degree of Freedom),由DOF簡(jiǎn)寫(xiě)表示。目前工業(yè)機(jī)器人采用的控制方法是把機(jī)械臂上每一個(gè)關(guān)節(jié)都當(dāng)作一個(gè)單獨(dú)的伺服機(jī)構(gòu),即每個(gè)軸對(duì)應(yīng)一個(gè)伺服器,每個(gè)伺服器通過(guò)總線控制,由控制器統(tǒng)一控制并協(xié)調(diào)工作。　

IS08373對(duì)工業(yè)機(jī)器人的解釋:“機(jī)器人具備自動(dòng)控制及可再編程、多用途功能,機(jī)器人操作機(jī)具有三個(gè)或三個(gè)以上的可編程軸,在工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中,機(jī)器人的底座可固定也可移動(dòng)”?？梢?jiàn),工業(yè)機(jī)器人的軸數(shù)是其重要技術(shù)指標(biāo)。

不同自由度的機(jī)器人在工業(yè)中的應(yīng)用

機(jī)器人軸的數(shù)量決定了其自由度。是不是自由度越多越好呢?自由度越多就越接近人手的動(dòng)作機(jī)能,通用性就越好;但是自由度越多,結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,對(duì)機(jī)器人的整體要求就越高,這是機(jī)器人設(shè)計(jì)中的一個(gè)矛盾。隨著軸數(shù)的增加,機(jī)器人的靈活性也隨之增長(zhǎng)。但是,在目前的工業(yè)應(yīng)用中,用得多的是三軸、四軸、五軸雙臂和六軸的工業(yè)機(jī)器人,軸數(shù)的選擇通常取決于具體的應(yīng)用。這是因?yàn)?在某些應(yīng)用中,并不需要很高的靈活性,而三軸和四軸機(jī)器人具有更高的成本效益,并且三軸和四軸機(jī)器人在速度上也具有很大的優(yōu)勢(shì)。如果只是進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用,例如在傳送帶之間拾取放置零件,那么四軸的機(jī)器人就足夠了。如果機(jī)器人需要在一個(gè)狹小的空間內(nèi)工作,而且機(jī)械臂需要扭曲反轉(zhuǎn),六軸或者七軸的機(jī)器人是好的選擇。

目前在工業(yè)領(lǐng)域中以六軸機(jī)器人應(yīng)用為廣泛。帶有六個(gè)關(guān)節(jié)的工業(yè)機(jī)器人與人類(lèi)的手臂極為相似,它具有相當(dāng)于肩膀、肘部和腕部的部位,它的“肩膀”通常安裝在一個(gè)固定的基座結(jié)構(gòu)上。人類(lèi)手臂的作用是將手移動(dòng)到不同的位置,而六軸機(jī)器人的作用則是移動(dòng)末端執(zhí)行器,在機(jī)械臂末端安裝適用于特定應(yīng)用場(chǎng)景的各種執(zhí)行器,例如爪手、噴燈、鉆頭和噴漆器等,去完成不同的工作任務(wù)。

近期,各機(jī)器人廠商紛紛發(fā)布新的人機(jī)協(xié)作機(jī)器人,它們幾乎全部都采用七個(gè)軸的冗余自由度工業(yè)機(jī)器人。國(guó)際知名機(jī)器人廠商紛紛發(fā)力,推出七軸機(jī)器人新產(chǎn)品,以搶占高端新市場(chǎng),但真正產(chǎn)品化的七軸工業(yè)機(jī)器人與傳統(tǒng)的四軸、六軸的工業(yè)機(jī)器人相比,從產(chǎn)品種類(lèi)、銷(xiāo)售占比目前差距都十分明顯。

冗余自由度機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

六個(gè)自由度是具有完成空間定位能力的小自由度數(shù),多于六軸的機(jī)器人,統(tǒng)一稱(chēng)為冗余自由度機(jī)器人。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)研究旨在解決機(jī)器人機(jī)械臂的末端執(zhí)行器在到達(dá)空間某一位姿時(shí),各關(guān)節(jié)的移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),是整個(gè)機(jī)器人學(xué)的基石和關(guān)鍵。隨著人類(lèi)文明的高速發(fā)展,在許多工業(yè)、高空、深海、核廢料及危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境中的工作都需要機(jī)器人來(lái)完成,這對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的可靠性、可操作性、智能性提出更高的要求。未來(lái),隨著其精度不斷增加,冗余自由度機(jī)器人在避障、克服奇異點(diǎn)、靈活性和容錯(cuò)性方面具有更多的優(yōu)勢(shì),面對(duì)復(fù)雜的工作環(huán)境和多變的作業(yè)需求,冗余自由度工業(yè)機(jī)器人將擁有更多的用武之地。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái),它將取代人工進(jìn)行更加精密的操作。