六自由度机器人介绍(五篇)

六自由度机器人介绍篇一

机 器 人

工业机器人是在生产环境中以提高生产效率的工具，它能做常规乏味的装配线工作，或能做那些对于工人来说是危险的工作，例如，第一代工业机器人是用来在 核电站中更换核燃料棒，如果人去做这项工作，将会遭受有害的放射线的辐射。工业机器人亦能工作在装配线上将小元件装配到一起，如将电子元件安放在电路印制板，这样，工人就能从这项乏味的常规工作中解放出来。机器人也能按程序要求用来拆除炸弹，辅助残疾人，在社会的很多应用场合下履行职能。

机器人可以认为是将手臂末端的工具、传感器和（或）手爪移到程序指定位置的一种机器。当机器人到达位置后，它将执行某种任务。这些任务可以是焊接、密封、机器装料、拆卸以及装配工作。除了编程以及系统的开停之外，一般来说这些工作可以在无人干预下完成。如下叙述的是机器人系统基本术语：

1.机器人是一个可编程、多功能的机械手，通过给要完成的不同任务编制各种动作，它可以移动零件、材料、工具以及特殊装置。这个基本定义引导出后续段落的其他定义，从而描绘出一个完整的机器人系统。

2.预编程位置点是机器人为完成工作而必须跟踪的轨迹。在某些位

置点上机器人将停下来做某些操作，如装配零件、喷涂油漆或焊接。这些预编程点贮存在机器人的贮存器中，并为后续的连续操作所调用，而且这些预编程点想其他程序数据一样，可在日后随工作需要而变化。因而，正是这种编程的特征，一个工业机器 人很像一台计算机，数据可在这里储存、后续调用与编译。

3.机器手是机器人的手臂，它使机器人能弯曲、延伸和旋转，提供这些运动的是机器手的轴，亦是所谓的机器人的自由度。一个机器人能有3~16轴，自由度一词总是与机器人轴数相关。

4.工具和手爪不是机器人自身组成部分，但它们是安装在机器人手臂末端的附件。这些连在机器人手臂末端的附件可使机器人抬起工件、点焊、刷漆、电弧焊、钻孔、打毛刺以及根据机器人的要求去做各种各样的工作。

5.机器人系统还可以控制机器人的工作单元，工作单元是机器人执行任务所处的整体环境，该单元包括控制器、机械手、工作平台、安全保护装置或者传输装置。所有这些为保证机器人完成自己任务而必须的装置都包括在这一工作单元中。另外，来自外设的信号与机器人通讯，通知机器人何时装配工件、取工件或放工件到传输装置上。机器人系统有三个基本部件：机械手、控制器和动力源。

a.机械手

机械手做机器人系统中粗重工作，它包括两个部分：机构与附件，机械手也用联接附件基座，图21-1表示了一机器人基座与附件之间的联接情况。

机械手基座通常固定在工作区域的地基上，有时基座也可以移动，在这种情况下基座安装在导轨回轨道上，允许机械手从一个位置移到另外一个位置。

正如前面所提到的那样，附件从机器人基座上延伸出来，附件就是机器人的手臂，它可以是直动型，也可以是轴节型手臂，轴节型手臂也是大家所知的关节型手臂。

机械臂使机械手产生各轴的运动。这些轴连在一个安装基座上，然后再连到拖架上，拖架确保机械手停留在某一位置。

在手臂的末端上，连接着手腕（图21-1），手腕由辅助轴和手腕凸缘组成，手腕是让机器人用户在手腕凸缘上安装不同的工具来做不同的工作。

机械手的轴使机械手在某一区域内执行任务，我们将这个区域为机器人的工作单元，该区域的大小与机械手的尺寸相对应，图21-2列举了一个典型装配机器人的工作单元。随着机器人机械结构尺寸的增加，工作单元的范围也必须相应的增加。

机械手的运动有执行元件或驱动系统来控制。执行元件或驱动系统

允许各轴力经机构转变为机械能，驱动系统与机械传动链相匹配。由链、齿轮和滚珠丝杠组成的机械传动链驱动着机器人的各轴。

b.控制器

机器人控制器是工作单元的核心。控制器储存着预编程序供后续调用、控制外设，及与厂内计算机进行通讯以满足产品更新的需要。

控制器用于控制机械手运动和在工作单元内控制机器人外设。用户可通过手持的示教盒将机械手运动的程序编入控制器。这些信息储存在控制器的储存器中以备后续调用，控制器储存了机器人系统的所有编程数据，它能储存几个不同的程序，并且所有这些程序均能编辑。

控制器要求能够在工作单元内与外设进行通信。例如控制器有一个输入端，它能标识某个机加工操作何时完成。当该加工循环完成后，输入端接通，告诉控制器定位机械手以便能抓取已加工工件，随后，机械手抓取一未加工件，将其放置在机床上。接着，控制器给机床发出开始加工的信号。

控制器可以由根据事件顺序而步进的机械式轮鼓组成，这种类型的控制器可用在非常简单的机械系统中。用于大多数机器人系统中的控制器代表现代电子学的水平，是更复杂的装置，即它们是由微处理器操纵的。这些微处理器可以是8位、16位或32位处理器。它们可以使得控制器在操作过程中显得非常柔性。

控制器能通过通信线发送电信号，使它能与机械手各轴交流信息，在机器人的机械手和控制器之间的双向交流信息可以保持系统操作和位置经常更新，控制器亦能控制安装在机器人手腕上的任何工具。

控制器也有与厂内各计算机进行通信的任务，这种通信联系使机器人成为计算机辅助制造（cam）系统的一个组成部分。

存储器。给予微处理器的系统运行时要与固态的存储装置相连，这些存储装置可以是磁泡，随机存储器、软盘、磁带等。每种记忆存储装置均能贮存、编辑信息以备后续调用和编辑。

c.动力源

动力源是给机器人和机械手提供动力的单元。传给机器人系统的动力源有两种，一种是用于控制器的交流电，另一种是用于驱动机械手各轴的动力源，例如，如果机器人的机械手是有液压和气压驱动的，控制信号便传送到这些装置中，驱动机器人运动。

液压与气压系统

仅有以下三种基本方法传递动力：电气，机械和流体。大多数应用系统实际上是将三种方法组合起来而得到最有效的最全面的系统。为了合理地确定采取哪种方法。重要的是了解各种方法的显著特征。例如液压系统在长距离上比机械系统更能经济地传递动力。然而液压系统与电气系统相比，传递动力的距离较短。

液压动力传递系统涉及电动机，调节装置和压力和流量控制，总的来说，该系统包括：

泵：将原动机的能量转换成作用在执行部件上的液压能。阀：控制泵产生流体的运动方向、产生的功率的大小，以及到达执行部件流体的流量。功率大小取决于对流量和压力大小的控制。

执行部件：将液压能转成可用的机械能。

介质即油液：可进行无压缩传递和控制，同时可以润滑部件，使阀体密封和系统冷却。

联接件：联接各个系统部件，为压力流体提供功率传输通路，将液体返回油箱（贮油器）。

油液贮存和调节装置：用来确保提供足够质量和数量并冷却的液体。

液压系统在工业中应用广泛。例如冲压`钢类工件的磨削几一般加工业、农业、矿业、航天技术、深海勘探、运输、海洋技术，近海天然气和石油勘探等行业，简而言之，在日常生活中有人不从液压技术中得到某种益处。

液压系统成功而又广泛使用的秘密在于它的通用性和易操作性。液压动力传递不会象机械系统那样受到机器几何形状的制约，另外，液压系统不会像电气系统那样受到材料物理性能的制约，它对传递功率几乎没有量的限制。例如，一个电磁体的性能受到钢的磁饱和极限的限制，相反，液压系统的功率仅仅受材料强度的限制。

企业为了提高生产率将越来越依靠自动化，这包括远程和直接控制生产操作、加工过程和材料处理等。液压动力之所以成为自动化的组成部分，是因为它有如下主要的特点：

1.控制方便精确

通过一个简单的操作杆和按扭，液压系统的操作者便能立即起动，停止、加减速和能提供任意功率、位置精度为万分之一英寸的位置控制力。图13-1是一个使飞机驾驶员升起和落下起落架的液压系统，当飞行向某方向移动控制阀，压力油流入液压缸的某一腔从而降下起落架。飞行员向反方向移动控制阀，允许油液进入液压缸的另一腔，便收回起落架。

2.增力 一个液压系统（没有使用笨重的齿轮、滑轮和杠杆）能简单

有效地将不到一盎司的力放大产生几百吨的输出。

3.恒力或恒扭矩

只有液压系统能提供不随速度变化而变化的恒力或恒扭矩，他可以驱动对象从每小时移动几英寸到每分钟几百英寸，从每小时几转到每分钟几千转。

4.简便、安全、经济

总的来说，液压系统比机械或电气系统使用更少的运动部件，因此，它们运行与维护简便。这使得系统结构紧凑，安全可靠。例如 一种用于车辆上的新型动力转向控制装置一淘汰其他类型的转向动力装置，该转向部件中包含有人力操纵方向控制阀和分配器。因为转向部件是全液压的，没有方向节、轴承、减速齿轮等机械连接，使得系统简单紧凑。

另外，只需要输入很小的扭矩就能产生满足极其恶劣的工作条件所需的控制力，这对于因操作空间限制而需要小方向盘的场合很重要，这也是减轻司机疲劳度所必须的。

液压系统的其他优点包括双向运动、过载保护和无级变速控制，在已有的任何动力、系统中液压系统也具有最大的单位质量功率比。

尽管液压系统具有如此的高性能，但它不是可以解决所有动力传递问题的灵丹妙药。液压系统也有缺点，液压油有污染，并且泄露不可能完全避免，另外如果油液渗漏发生在灼热设备附近，大多数液压油能引起火灾。

气压系统

气压系统是用压力气体传递和控制动力，正如名称所表明的那样，气压系统通常用空气（不用其他气体）作为流体介质，因为空气是安全、成本低而又随处可得的流体，在系统部件中产生电弧有可能点燃泄露物的场合下（使用空气作为介质）尤其安全。

在气压系统中，压缩机用来压缩并提供所需的空气。压缩机一般有活塞式、叶片式和螺旋式等类型。压缩机基本上是根据理想气体法则，通过减小气体体积来增加气体压力的。气压系统通常考虑采用大的中央空气压缩机作为一个无限量的气源，这类似于电力系统中只要将插头插入插座边可获得电能。用这种方法，压力气体可以总气体源输送到整个工厂的各个角落，压力气体可通过空气滤清器除去污物，这些污染可能会损坏气动组件的精密配合部件如阀和汽缸等，随后输送到各个回路中，接着空气流经减压阀以减小气压值适合某一回路使用。因为空气不是好的润滑油，气压系统需要一个油雾器将细小的油雾注射到经过减压阀减压空气中，这有帮助于减少气动组件精密配合运动件的磨损。

由于来自大气中的空气含不同数量的水分，这些水分是有害的，它可以带走润滑剂引起的过分磨损和腐蚀，因此，在一些使用场合中，要用空气干燥器来除去这些有还的水分。由于气压系统直接向大气排

气，会产生过大的噪声，因此可在气阀和执行组件排气口安装销声器来降低噪声，以防止操作人员因接触噪声及高速空气粒子有可能引发的伤害。

用气动系统代替液压系统有以下几条理由：液体的惯性远比气体大，因此，在液压系统中，当执行组件加速减速和阀突然开启关闭时，油液的质量更是一个潜在的问题，根据牛顿运动定律，产生加速度运动油液所需的力要比加速同等体积空气所需的力高出许多倍。液体比气体具有更大的粘性，这会因为内摩擦而引起更大的压力和功率损失；另外，由于液压系统使用的液体要与大气隔绝，故它们需要特殊的油箱和无泄露系统设计。气压系统使用可以直接排到周围环境中的空气，一般来说气压系统没有液体系统昂贵。

然而，由于空气的可压缩性，使得气压系统执行组件不可能得到精确的速度控制和位置控制。气压系统由于压缩机局限，其系统压力相当低（低于250psi），而液压力可达1000psi之高，因此液压系统可以是大功率系统，而气动系统仅用于小功率系统，典型例子有冲压、钻孔、夹紧、组装、铆接、材料处理和逻辑控制操作等。

六自由度机器人介绍篇二

六自由度并联机器人基于grassmann-cayley代数的奇异性条件

patricia ben-horin和moshe shoham，会员，ieee

摘要

本文研究了奇异性条件大多数的六自由度并联机器人在每一个腿上都有一个球形接头。首先,确定致动器螺丝在腿链中心。然后用凯莱代数和相关的分解方法用于确定哪些条件的导数(或刚度矩阵)包含这些螺丝是等级不足。这些工具是有利的,因为他们方便操纵坐标-简单的表达式表示的几何实体,从而使几何解释的奇异性条件是更容易获得。使用这些工具,奇异性条件(至少)144种这类的组合被划定在四个平面所相交的一个点上。这四个平面定义为这个零距螺丝球形关节的位置和方向。指数terms-grassmann-cayley代数，奇点，三条腿的机器。

一、介绍

在过去的二十年里,许多研究人员广泛研究并联机器人的奇异性。不像串联机器人,失去在奇异配置中的自由度,尽管并联机器人的执行器都是锁着但是他们的的自由度还是可以获得的。因此,这些不稳定姿势的全面知识为提高机器人的设计和确定机器人的路径规划是至关重要的。

主要的方法之一,用于寻找奇异性并行机器人是基于计算雅可比行列式进行的。gosselin和安杰利斯[1]分类奇异性的闭环机制通过考虑两个雅克比定义输入速度和输出速度之间的关系。当圣鲁克和gosselin[2]减少了算术操作要求定义的雅可比行列式高夫·斯图尔特平台(gsp),从而使数值计算得到多项式。

另一个重要的工具,为分析螺旋理论中的奇异性,首先阐述了1900的论文[6]和开发机器人应用程序。几项研究已经应用这个理论找到并联机器人的奇异性,例如,[11]-[14]。特别注意到情况,执行机构是线性和代表螺丝是零投的。在这些情况下,奇异的配置是解决通过使用几何,寻找可能的致动器线依赖[15]-[17]。其他分类方法闭环机制可以被发现在[18]-[22]。

在本文中,我们分析了奇异点的一大类三条腿的机器人,在每个腿链有一个球形接头上的任何点。我们只关注了正运动学奇异性。首先,我们发现螺丝相关执行机构的每个链。因为每一个链包含一个球形接头,自致动器螺丝是相互联合的,他们是通过球形关节的零螺距螺杆螺丝。然后我们使用grassmann-cayley代数和相关的发展获得一个代数方程,它源于管理行机器人包含的刚度矩阵。直接和高效检索的几何意义的奇异配置是最主要的一个优点,在这里将介绍其方法。

虽然之前的研究[53]分析7架构普惠制,各有至少三条并发关节,本文扩展了奇点分析程度更广泛的一类机器人有三条腿和一个球形关节。使用降低行列式和grassmann-cayley运营商我们获得一个通用的条件,这些机器人的奇异性提供在一个简单的几何意义方式计算中。

本文的结构如下。第二节详细描述了运动学结构的并联机器人。第三节包含一个简短的在螺丝和大纲性质的背景下驱动器螺丝,零距螺丝作用于中心的球形关节。第四部分包含一个介绍grassmann-cayley代数的基本工具用于寻找奇异性条件。这部分还包括刚度矩阵(或导数)分解成坐标自由表达。第五节中一个常见的例子给出了这种方法。最后,第六章比较了使用本方法结果与结果的其他技术。

二、运动构架

本文阐述了6自由度并联机器人有六间连通性基础和移动平台。肖海姆和罗斯[54]提供了调查可能的结构,产生基于流动公式6自由度的grubler和kutzbach。他们寻找了所有的可能性,满足这个公式对关节的数目和任何链接。gsp和三条腿的机器人结构的一个子集所列出的6自由度shoham和罗斯。一个类似的例子也证实了了podhorodeski和pittens[55],他发现了一个类的三条腿的对称并联机器人,球形关节、转动关节的平台在每个腿比其他结构潜在有利。正如上面所讨论的,大多数的报告文献限制他们的分析结构和球形关节位于移动平台和棱柱关节作为驱动的关节。在这个分类,我们包括五种类型的关节和更多的可选职位的球形关节。

我们处理机器人有三个链连接到移动平台,每个驱动有两个1自由度关节或一个二自由度关节。这些链不一定是平等的,但都有移动和连接六个基地和之间的平台。除了球形接头(s),关节考虑是棱镜(p),转动(r)、螺旋(h)、圆柱(c)和通用(u),前三个是1自由度关节和最后两个二自由度的关节。所有的可能性都显示在表i和ii。该列表只包含机器人,有平等的连锁,总计144种不同的结构,但是机器人与任何可能的组合链也可以被认为是membersof这类方法。组合的总数,大于500 000,计算方式如下:

三、管理方法

本节涉及螺丝和平台运动的确定。因为考虑机器人有三个串行链,每个驱动器螺丝的方向可以由其互惠到其他关节螺钉固定在链条。被动球形接头在每个链部队驱动器螺丝为零距(行)并且通过它的中心。因此,三个平面是创建中心位于自己的球形关节。

以下简要介绍了螺旋理论,广泛的解决[7],[73],[75];我们解决在第二节中列出相互的所有关节螺钉系统。

上述类的机器人的几何结果奇点现在相比其他方法获得的结果要准确。首先,我们比较奇异条件在上述3 gsp平台与结果报告线几何方法。

根据相对几何条件的他行方法区分不同的几种类型沿着棱镜致动器[81]的奇异性。我们表明,所有这些奇异点是特定情况下的条件通过(17 c)提供,这是有效的三条腿以及6:3 gsp平台的机器人的考虑。这种结构的奇异的配置根据线几何分析包括五种类型:3 c、4 b、4 d,5 a和5 b[17],[36]。

四、奇异性分析

本节确定奇异性条件定义在第二节的机器人。第一部分包括寻找方向的执行机构的行动路线,基于解释第三节中介绍。他行通过球形接头中心,而他们的方向取决于关节的分布和位置。第二部分包括应用程序的方法使用了grassmann-cayley代数在第四节定义奇点。因为每对线满足在一个点(球形接头),所有例子的解决方案是象征性地平等,无论点位置的腿或腿的对称性。我们从文献中举例说明使用三个机器人的解决方案。

1.方向的致动器螺丝

第一个例子是3-prps机器人提出behi[61][见图3(a)]。对于每个腿驱动螺丝躺在这家由球形接头中心和转动关节轴。特别是,致动器螺杆是垂直于轴的,和致动器螺杆是垂直于轴的,这些方向被描绘在图3(b)。第二个例子是the3-usr机器人提出simaan et al。[66][见图4(a)]。每条腿有驱动器螺丝躺在通过球形接头中心和包含转动关节轴中。驱动器螺丝穿过球形接头中心并与转动关节轴相连。这些方向被描绘在图4(b)。

第三个例子是3-ppsp byun建造的机器人和[65][见图5(一个)]。每条腿,驱动螺丝躺在飞机通过球形接头中心和正常的棱镜接头轴。驱动器螺丝垂直于轴的,和致动器螺杆是垂直于轴的,这些方向被描绘在图5(b)。

图3(a)3-prps机器人提出behi[61]

(b)飞机和致动器螺丝

图4(a)3自由度机器人提出simaan和shoham[66]

(b)飞机和致动器螺丝的3自由度机器人

图5(a)3-ppsp机器人提出byun[65]

(b)飞机和致动器螺丝

2、.奇异性条件

雅克(或superbracket)的机器人是分解成普通支架monomials使用麦