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理论原理

移动机器人技术漫谈(九):机械臂与机械手

移动机器人需要配备相应的执行机构才能完成对目标物体的操作,机械臂和机械手是移动机器人最常用的执行机构之一。机械臂是指高精度,多输入多输出、高度非线性、强耦合的复...

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发布于 1个月前 阅读:178

       移动机器人需要配备相应的执行机构才能完成对目标物体的操作。对于不同的应用场合,执行机构可以是机电系统、液压系统、气动系统中的一种或是把它们结合起来应用的综合系统。

      (1) 机电执行机构:机电执行机构采用直流伺服电机、交流伺服电机或步进电机作为动力源,具有精确度高、动态特性好、结构紧凑等优点,其缺点是功率密度低、大推力时成本高、易发热。

      (2) 液压执行机构:液压执行机构采用液压泵(齿轮泵、叶片泵、柱塞泵和螺杆泵)、液压站等作为动力源,具有机构惯量小、输出功率大、可实现无极调速等优点,其缺点是加工难度大、抗污染能力差、维护成本高。

      (3) 气动执行机构:气动执行机构采用洁净、干燥、具有稳定压力和足够流量的压缩空气作为动力源,其优点是动作速度快、能量损失小、维护简单,其缺点是控制精度不高、稳定性较差、噪声大。

       以伺服电机为动力源的机械臂和机械手是移动机器人最常用的执行机构之一,以下分别介绍。

  • 机械臂

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       机械臂是多输入多输出(SISO)的非线性复杂机电系统。机械臂最早应用于工业机器人,走过了从第一代示教机械臂、第二代感知机械臂到第三代智能机械臂的发展历程。

       (1) 第一代机械臂,即示教机械臂,这类机械臂以示教/再现的方式的进行工作。这种工作方式只能按照事先示教的位置和姿态进行重复的动作而对周围环境无感觉的功能,其应用范围受到一定的限制。

       (2) 第二代机械臂,即感知机械臂,这类机械臂是具有如视觉、力觉、触觉等外部感觉功能的机械臂。这种机械臂由于具有外部的感觉功能,因此可以根据外界的情况修改自身的动作,从而完成较为复杂的作业。

       (3)第三代机械臂,即智能机械臂,这类机械臂除了具有外部感觉功能外,还具有规划和决策的功能。从而可以适应因为环境的变化而自主进行工作。智能机械臂目前还处于研究阶段,距离实际应用还有一段距离。

       机械臂的分类方法很多,主要包括:

       (1) 按用途分为:工业机械臂、服务机械臂、空间机械臂、医疗机械臂等;

       (2) 按尺寸分为:小型机械臂,中型机械臂,大型机械臂;

       (3) 按自由度数分为:两自由度机械臂,三自由度机械臂,四自由度机械臂,五自由度机械臂,六自由度机械臂、七自由度机械臂等;

       (4) 按关节连接方式分为:串联机械臂,并联机械臂,混联机械臂;

       (5) 按坐标形式划分:直角坐标机械臂,圆柱坐标机械臂,球面坐标机械臂,关节坐标机械臂(水平关节式、垂直关节式),混合坐标机械臂等。

       关节型机械臂是使用最多的一种机械臂类型,其特点是结构紧凑、空间占用小、工作空间较大、通用性强。移动机器人搭载的关节型机械臂通常是具有3~7个自由度的轻量型机械臂,在人机协作等场景还需要机械臂具有力/力矩检测能力,以确保人机协作的安全性。

       机械臂的主要性能指标包括:自由度数量、最大臂展、工作空间、负载自重比等。

  • 机械手

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       机械手是一种能模仿人手某些动作功能,用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。特点是可以通过编程来完成各种预期的作业,构造和性能上兼有人手灵活性和机械高效性的优点。 机械手最早应用在工业机器人上,它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化,能在有害环境下操作以保护人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

       机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。机械手根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式,如夹持型、托持型和吸附型等。机械手通过其运动机构,使手部完成各种移动、转动(摆动)、伸缩或复合运动来实现规定的动作,以改变被抓持物件的位置和姿态。机械手的运动机构以连杆、齿轮、线驱动比较常见。

       机械手的种类,按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手;按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种;按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置,如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件,在加工中心中更换刀具等。 自由度是机械手设计的关键参数,自由度越多,机械手的灵活性越大、通用性越广,其结构也越复杂。为了抓取空间中任意位置和方位的物体,至少需有6个自由度。

       机械手一般需要与机械臂联合使用,可弥补机械臂自由度的不足,扩大机械臂的工作空间。然而,机械手的配备相应增加了机械臂的末端负载,使机械臂的实际负载能力下降。因此,在机械臂与机械手的选配上,应从工作空间、末端负载、操作灵活性等方面加以综合考虑,才能组合出最适宜的机械手臂。


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他很懒,什么都没有留下~