隨著目前機器人產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,各類工業(yè)機器人已經(jīng)廣泛應用于各行各業(yè),從簡單的材料搬運到機器維護,從焊接到切割,從裝配到噴涂,我們可以發(fā)現(xiàn),這些工業(yè)機器人形狀各異,功能性能各不相同,那么有什么是決定了工業(yè)機器人的靈活性和活動范圍呢,這個問題比較復雜,但是有一個關(guān)鍵因素在很大程度上決定了機器人的靈活性和活動范圍,那就是工業(yè)機器人的自由度,通常也叫做軸數(shù)。

什么是工業(yè)機器人的自由度?

通常作為機器人的技術(shù)指標,反映機器人動作的靈活性,可用軸的直線移動、擺動或旋轉(zhuǎn)動作的數(shù)目來表示。機器人機構(gòu)能夠獨立運動的關(guān)節(jié)數(shù)目,稱為機器人機構(gòu)的運動自由度,簡稱自由度(Degree of Freedom),由DOF簡寫表示。目前工業(yè)機器人采用的控制方法是把機械臂上每一個關(guān)節(jié)都當作一個單獨的伺服機構(gòu),即每個軸對應一個伺服器,每個伺服器通過總線控制,由控制器統(tǒng)一控制并協(xié)調(diào)工作。

不同自由度的機器人在工業(yè)中的應用

機器人軸的數(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作機能,通用性就越好;但是自由度越多,結(jié)構(gòu)越復雜,對機器人的整體要求就越高,這是機器人設計中的一個矛盾。隨著軸數(shù)的增加,機器人的靈活性也隨之增長。但是,在目前的工業(yè)應用中,用得最多的是四軸和六軸的工業(yè)機器人,軸數(shù)的選擇通常取決于具體的應用。這是因為,在某些應用中,并不需要很高的靈活性,而三軸和四軸機器人具有更高的成本效益,并且三軸和四軸機器人在速度上也具有很大的優(yōu)勢。如果只是進行一些簡單的應用,例如在傳送帶之間拾取放置零件,那么四軸的機器人就足夠了。如果機器人需要在一個狹小的空間內(nèi)工作,而且機械臂需要扭曲反轉(zhuǎn),六軸或者七軸的機器人是最好的選擇。

目前在工業(yè)領(lǐng)域中以六軸機器人應用最為廣泛。帶有六個關(guān)節(jié)的工業(yè)機器人與人類的手臂極為相似,它具有相當于肩膀、肘部和腕部的部位,它的“肩膀”通常安裝在一個固定的基座結(jié)構(gòu)上。人類手臂的作用是將手移動到不同的位置,而六軸機器人的作用則是移動末端執(zhí)行器,在機械臂末端安裝適用于特定應用場景的各種執(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。

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

冗余自由度機器人的發(fā)展趨勢
六個自由度是具有完成空間定位能力的最小自由度數(shù),多于六軸的機器人,統(tǒng)一稱為冗余自由度機器人。機器人運動學研究旨在解決機器人機械臂的末端執(zhí)行器在到達空間某一位姿時,各關(guān)節(jié)的移動或旋轉(zhuǎn)運動,是整個機器人學的基石和關(guān)鍵。隨著人類文明的高速發(fā)展,在許多工業(yè)、高空、深海、核廢料及危險作業(yè)環(huán)境中的工作都需要機器人來完成,這對機器人運動控制的可靠性、可操作性、智能性提出更高的要求。未來,隨著其精度不斷增加，冗余自由度機器人在避障、克服奇異點、靈活性和容錯性方面具有更多的優(yōu)勢,面對復雜的工作環(huán)境和多變的作業(yè)需求,冗余自由度工業(yè)機器人將擁有更多的用武之地。相信在不遠的將來,它將取代人工進行更加精密的操作。