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機器人的自由度

機器人的自由度

 

自由度是機器人的一個重要技術(shù)指標,它是由機器人的結(jié)構(gòu)決定的,并直接影響到機器人的機動性。

 

1. 剛體的自由度

 

物體上任何一點都與坐標軸的正交集合有關(guān)。物體能夠?qū)ψ鴺讼颠M行獨立運動的數(shù)目稱為自由度(DOFdegree of freedom)。物體所能進行的運動(見圖1. 3)有:

 

圖表1.3 剛體的六個自由度

 

沿著坐標軸oxoyoz的三個平移運動T1T2T3

繞著坐標軸oxoyoz的三個旋轉(zhuǎn)運動R1R2R3

這意味著物體能夠運用三個平移和三個旋轉(zhuǎn),相對于坐標系進行定向和運動。

一個簡單物體有六個自由度。當兩個物體間確立起某種關(guān)系時,每一物體就對另一物體失去一些自由度。這種關(guān)系也可以用兩物體間由于建立連接關(guān)系而不能進行的移動或。轉(zhuǎn)動來表示。

 

2. 機器人的自由度

 

人們期望機器人能夠以準確的方位把它的端部執(zhí)行裝置或與它連接的工具移動到給定點。如果機器人的用途預(yù)先是不知道的,那么它應(yīng)當具有六個自由度;不過,如果工具本身具有某種特別結(jié)構(gòu),那么就可能不需要六個自由度。例如,要把一個球放到空間某個給定位置,有三個自由度就足夠了(見圖1.4(a))。又如,要對某個旋轉(zhuǎn)鉆頭進行定位與定向,就需要五個自由度;這個鉆頭可表示為某個繞著它的主軸旋轉(zhuǎn)的圓柱體(見圖1.4(b))。

機器人機械手的手臂一般具有三個自由度,其他的自由度數(shù)為末端執(zhí)行裝置所具有。

 

 

圖表1.4 機器人自由度舉例

 

當要求某一機器人鉆孔時,其鉆頭必須轉(zhuǎn)動。不過,這一轉(zhuǎn)動總是由外部的馬達帶動的。因此,不把它看做機器人的一個自由度。這同樣適用于機器人的機械手。機械手的夾手應(yīng)能開閉。不過,也不能把夾手的這個開閉所用的自由度當做機器人的自由度之一,因為這個自由度只對夾手的操作起作用,這一點是很重要的,必須記住。

 

圖表1.5自由度與機動度

 

 

3.自由度與機動性

 

不能把自由度描述為一個事物對另一個事物的屬性。圖1.5(a)就是一例。圖中,對于固定底座來說,點A沒有自由度,點B有兩個自由度,而點C有三個自由度。如果點D的位置被確定,那么用于移動D的關(guān)節(jié)C在理論上將是冗余的,盡管在實際上并沒有這種需要。這時,可以認為關(guān)節(jié)C再沒有自由度了,但具有機動度(degree of mobUity)。不過,如果CD是由定位點C來定向的,那么關(guān)節(jié)C就成為一個自由度,它能夠使CD在一定范圍內(nèi)定向。如果要使CD指向任何方向,那么就需要另外兩個自由度。

有兩點值得記住:

1)并不是所有的機動性都構(gòu)成一個自由度。從所執(zhí)行的作用來考慮,一個關(guān)節(jié)可能成為一個自由度,但是并非一成不變的。例如,在圖1.5(b)中,盡管有很多關(guān)節(jié)數(shù)(五個), 但是在任何情況下這臺機器人的獨立自由度不多于兩個。

2)一般不要求機器人具有六個以上的獨立自由度,但是可以采用多得多的機動度。 弄清這一點對于建立機器人的控制是十分重要的。過多的自由度可能產(chǎn)生冗余自由度。盡管如此,仍然有人正在研究具有九個自由度的機器人,以求得到更大的機動性。

 

 

 

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