生物生产机器人 参考资料（中文课件）----第四章.doc

机械手的构造
机械手(Manipulators)被定义为具有类似人类上肢的机能,使工作对象能在空间内移动的机构。机械手由数个关节与杆件构成,每个关节具有1个或数个自由度(degree of freedom)。自由度越多,机械手的运动柔性就越好,同时机构越复杂,控制也越困难。
。旋转关节由三种不同的符号表示,直动关节由两种符号表示,机械手的机构随自由度数量、关节种类、杆长及偏移值而变化。
直动关节          转动关节

在设计机械手时,不仅要考虑基本结构,而且要考虑其内部构成。所谓内部构成是指手臂的粗细、形状、电机的安装位置、传动装置的种类(链条、皮带、齿轮等)、减速器与减速比、执行元件的种类(电动、液动、气动)、有无重力平衡、制动器等附属零件的配备、轴及轴承等机械零件的类型等,基本结构主要与运动学性能相关,内部构成主要与动力学性能相关,所以评价机械手机构的好坏需要选择合适的评价指标。下面是一些典型机械手形式。

笛卡尔坐标机械手(Cartesian Coordinate Manipulators)由三条相互垂直的线性轴所组成(相当于三个直动关节),来确定末端执行器的空间位置。(JIS B0138-1980)显示了典型直角坐标机械手的基本结构。它是具有5个自由度的直角坐标机械手的关节构成,其中两个为旋转关节,能大致确定末端执行器的位置。这种末端执行器又称为直角坐标机器人。三个自由度使末端执行器能在垂直和水平范围内运动。构造简单且可获得高的定位精度,坐标计算和控制亦较容易。。由于这种机械手有一个龙门式移动机构,所以比较适合从秧盘中拿取秧苗或者从犁垄中拿取小植株。
 
     
                    

在圆柱坐标机械手中,两个直动关节和一个旋转关节形成三个自由度来确定位置。与直角坐标相比,在相同连接长度的情况下,前者拥有更大的活动空间。。

将圆柱坐标机械手结构中的z向直动自由度转换为旋转自由度φ就形成了极坐标机械手,(JIS B0138-1980)。这种机械手由两个旋转自由度和一个直动自由度来确定位置。该机械手又被称为球坐标机械手。它的运动空间比上述两种都要大。如果直动关节利用的是圆柱桶中的伸缩结构,则此机械手已经紧凑到可以在诸如犁垄中的狭窄空间中工作。
      
极坐标机械手                            多关节机械手 

,就是说具有与人的肩、肘、腕相对应的关节。从肩到肘叫上臂,从肘到腕称下臂。它也被叫做外卷坐标机器人或者关节手臂机器人。这种机械手在位置控制过程中的三个自由度里不包含直动关节。该机械手在三维空间内运动时,其运动柔性最佳,移动速度高,而且动作范围大。但坐标计算及控制较复杂,定位精度也不算高,由于转动关节太多,不适于重载。
人类手臂的构造
冗长机械手 
如前所述,6个自由度的机械手,其执行器前端可移动到其运动范围内三维空间的任意位置。如作用的工作对象左右对称,可以从环绕其轴的任意方向接近(如大多数水果),那么5个自由度便可满足要求。但是,为了能避开障碍物,则需要以特殊的姿势运动,这种情况下需要6个以上的自由度。通过更换执行元件,机械手可以实现很多的运作方式。基于这个优点,专家研究出了冗长机械手。
   冗长机械手拥有大于7个自由度,事实上,人类手臂也只有7个自由度,,肩有3个自由度,肘有1-2个自由度,腕有2-3个自由度(腕的转动有时包含在肘自由度中)。我们的手具有很好的灵活性,能绕过目标物之前的障碍物取得目标。但是太多的自由度也会带来不必要的麻烦,由于需要大量的执行机构使机械手的质量变得沉重,控制也变得迟缓,根据工作对象和操作过程决定合适的机械结构(包括自由度,关节种类,连接长度)是很重要的。
机构评价
从古至今,在人类所从事的生物生产中,由于作物种类、栽培方式、种植时期的不同,其作业内容、作业范围、作业速度均不一致。当人类活动被机器人代替时,虽然有多种机械手可供选择使用,但究竟哪一种最适合于某种作物的作业,则要从运动学、力学、控制方法等多方面来评估。以下列举的几项指标对于生物生产中应用的机械基本结构尤为重要。