随着机器人产业的飞速发展,工业机器人已经广泛应用于各行各业,从材料搬运到机器维护,从焊接到切割,从装配到喷涂,我们发现,这些工业机器人形状各异,功能性能各不相同,那么是什么决定了工业机器人的灵活性和活动范围呢,这个问题比较复杂,但是有一个关键因素在很大程度上决定了机器人的灵活性和活动范围,那就是工业机器人的自由度,通常也叫做轴数。
什么是工业机器人的自由度?
通常作为机器人的技术指标,反映机器人动作的灵活性,可用轴的直线移动、摆动或旋转动作的数目来表示。机器人机构能够独立运动的关节数目,称为机器人机构的运动自由度,简称自由度(Degree of Freedom),由DOF简写表示。目前工业机器人采用的控制方法是把机械臂上每一个关节都当作一个单独的伺服机构,即每个轴对应一个伺服器,每个伺服器通过总线控制,由控制器统一控制并协调工作。
IS08373对工业机器人的解释:“机器人具备自动控制及可再编程、多用途功能,机器人操作机具有三个或三个以上的可编程轴,在工业自动化应用中,机器人的底座可固定也可移动”。可见,工业机器人的轴数是其重要技术指标。
不同自由度的机器人在工业中的应用
机器人轴的数量决定了其自由度。是不是自由度越多越好呢?自由度越多就越接近人手的动作机能,通用性就越好;但是自由度越多,结构越复杂,对机器人的整体要求就越高,这是机器人设计中的一个矛盾。随着轴数的增加,机器人的灵活性也随之增长。但是,在目前的工业应用中,用得最多的是三轴、四轴、五轴双臂和六轴的工业机器人,轴数的选择通常取决于具体的应用。这是因为,在某些应用中,并不需要很高的灵活性,而三轴和四轴机器人具有更高的成本效益,并且三轴和四轴机器人在速度上也具有很大的优势。如果只是进行一些简单的应用,例如在传送带之间拾取放置零件,那么四轴的机器人就足够了。如果机器人需要在一个狭小的空间内工作,而且机械臂需要扭曲反转,六轴或者七轴的机器人是最好的选择。
目前在工业领域中以六轴机器人应用最为广泛。带有六个关节的工业机器人与人类的手臂极为相似,它具有相当于肩膀、肘部和腕部的部位,它的“肩膀”通常安装在一个固定的基座结构上。人类手臂的作用是将手移动到不同的位置,而六轴机器人的作用则是移动末端执行器,在机械臂末端安装适用于特定应用场景的各种执行器,例如爪手、喷灯、钻头和喷漆器等,去完成不同的工作任务。
近期,各机器人厂商纷纷发布最新的人机协作机器人,它们几乎全部都采用七个轴的冗余自由度工业机器人。国际知名机器人厂商纷纷发力,推出七轴机器人新产品,以抢占高端新市场,但真正产品化的七轴工业机器人与传统的四轴、六轴的工业机器人相比,从产品种类、销售占比目前差距都十分明显。
冗余自由度机器人的发展趋势
六个自由度是具有完成空间定位能力的最小自由度数,多于六轴的机器人,统一称为冗余自由度机器人。机器人运动学研究旨在解决机器人机械臂的末端执行器在到达空间某一位姿时,各关节的移动或旋转运动,是整个机器人学的基石和关键。随着人类文明的高速发展,在许多工业、高空、深海、核废料及危险作业环境中的工作都需要机器人来完成,这对机器人运动控制的可靠性、可操作性、智能性提出更高的要求。未来,随着其精度不断增加,冗余自由度机器人在避障、克服奇异点、灵活性和容错性方面具有更多的优势,面对复杂的工作环境和多变的作业需求,冗余自由度工业机器人将拥有更多的用武之地。相信在不远的将来,它将取代人工进行更加精密的操作。
