隨著機器人產業的飛速發展,工業機器人已經廣泛應用于各行各業,從材料搬運到機器維護,從焊接到切割,從裝配到噴涂,我們發現,這些工業機器人形狀各異,功能性能各不相同,那么是什么決定了工業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,那就是工業機器人的自由度,通常也叫做軸數。

什么是工業機器人的自由度?

通常作為機器人的技術指標,反映機器人動作的靈活性,可用軸的直線移動、擺動或旋轉動作的數目來表示。機器人機構能夠獨立運動的關節數目,稱為機器人機構的運動自由度,簡稱自由度(Degree of Freedom),由DOF簡寫表示。目前工業機器人采用的控制方法是把機械臂上每一個關節都當作一個單獨的伺服機構,即每個軸對應一個伺服器,每個伺服器通過總線控制,由控制器統一控制并協調工作?！?/p>

IS08373對工業機器人的解釋:“機器人具備自動控制及可再編程、多用途功能,機器人操作機具有三個或三個以上的可編程軸,在工業自動化應用中,機器人的底座可固定也可移動”?？梢?工業機器人的軸數是其重要技術指標。

不同自由度的機器人在工業中的應用

機器人軸的數量決定了其自由度。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,結構越復雜,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。隨著軸數的增加,機器人的靈活性也隨之增長。但是,在目前的工業應用中,用得多的是三軸、四軸、五軸雙臂和六軸的工業機器人,軸數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工作,而且機械臂需要扭曲反轉,六軸或者七軸的機器人是好的選擇。

目前在工業領域中以六軸機器人應用為廣泛。帶有六個關節的工業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構上。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行器,在機械臂末端安裝適用于特定應用場景的各種執行器,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布新的人機協作機器人,它們幾乎全部都采用七個軸的冗余自由度工業機器人。國際知名機器人廠商紛紛發力,推出七軸機器人新產品,以搶占高端新市場,但真正產品化的七軸工業機器人與傳統的四軸、六軸的工業機器人相比,從產品種類、銷售占比目前差距都十分明顯。

冗余自由度機器人的發展趨勢

六個自由度是具有完成空間定位能力的小自由度數,多于六軸的機器人,統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行器在到達空間某一位姿時,各關節的移動或旋轉運動,是整個機器人學的基石和關鍵。隨著人類文明的高速發展,在許多工業、高空、深海、核廢料及危險作業環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勢,面對復雜的工作環境和多變的作業需求,冗余自由度工業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。