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深度阐释:七轴柔性多关节工业机器人~

视频中的机器人是新松公司7轴柔性多关节机器人,是国内首台7自由度协作机器人,具备快速配置、牵引示教、视觉引导、碰撞检测等功能。

众所周知,目前较先进的传统机器人一般最多具有六个自由度,其中,前三个自由度引导夹手装置至所需的位置,而后三个自由度用来决定末端执行装置的方向。

在三维空间内,刚体需要六个独立参数确定其位姿,因此,机器人的任务空间最多需要六个自由度就足够了,一般不要求机器人具有六个以上的独立自由度,而过多的自由度就会产生冗余自由度。

冗余度机器人,是指含有主动关节数多于完成某一作业任务所需的最少自由度数的一类机器人。其实,如上文所说,六个自由度是具有完成空间定位能力的最小自由度数,而增加的自由度便可改善机器人相关的运动学和动力学特性。

虽说真正产品化的七自由度工业机器人与传统的六自由度,甚至更少自由度的工业机器人相比,无论是从产品种类,还是销售占比差距都十分明显。但正是由于其拥有有别于非冗余自由度机器人的冗余特性,使得七自由度的机器人优于六自由度机器人,而成为人们关注的焦点,也使得对冗余度机器人的研究变得日趋重要。

我国对于七轴机器人的科研工作始于20世纪90年代初,而当时项目的领军人物正是我国已故的著名机器人技术专家、中国工程院院士张启先,而张启先院士的主要贡献之一便是完成了七自由度冗余机器人样机的研制。

上世纪80年代末,由于研制难度及其之大,国际上研制出七自由度冗余机器人样机的国家寥寥无几。而张启先院士率领课题组经过几年的艰苦拼搏,在1993年年底完成了首台七自由度冗余机器人样机的研制,并一次通过“863”课题验收和部级鉴定。

尽管我国在冗余自由度机器人方面取得一定成果,但主要停留在学术论文、科研报告和实验样机的阶段,并没有实现真正的产品化发展,这无疑制约了我国机器人产品向高端产业化迈进的步伐。

到底七轴机器人比六轴机器人强在哪儿?从技术角度看,主要有以下几个层面。

1)改善运动学特性

在机器人的运动学问题中,三个问题使得机器人的运动受到非常大的限制。

第一是奇异构型。当机器人处于奇异构型时,它的末端执行器不能绕某个方向进行运动,或者施加力矩,因而奇异构型极大的影响了运动规划。

第二是关节位移超限。在真实工作情况下,机器人每个关节的运动的角度范围是受到限制的,最理想的状态是正负180度,但是很多关节是做不到的。另外,七轴机器人可以避免角速度运动过快,让角速度分配得比较均匀。

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