万勋冷知识 | 六轴、七轴,“可伸缩”才是机器手臂灵巧作业的核心要义吗?

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01

六轴,七轴

关节数一直是区分机械臂灵活度的关键指标


一直以来,工业机械臂和协作机械臂的一大性能指标是“关节自由度数(DoF)”,也就是通常说的“6轴、7轴”。拥有更多的关节数(轴数),一般意味着机械臂具有更灵活的作业性能,而6轴是能够到达作业空间中全部目的地的最小要求,低于6轴的机械臂是无法到达工作空间中的所有点的,因此作业灵巧性是受限制的。


按照机器人运动学的物理规律,一根六轴的串联机械臂(市面绝大多数灵巧机械臂都是串联机械臂)只能用有限的几种方式到达空间中它想要作业的点,因此六轴机械臂的作业必须需要作业环境是空的,只要在作业轨迹上或者近距离周围有障碍物,就很可能对手臂本体的关节摆放构成限制,手臂的“胳膊肘子”就可能不可避免的撞到障碍物,导致作业无法正常进行。

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六轴机械臂所需的作业空间要求较高

空间需要足够大且空


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6轴手臂运动关节的组合形式、各关节尺寸、空间位置

决定了最终的有效工作空间


而仿人手的七轴手臂则有无穷多种方式可以到达空间中的作业点,因此就没有六轴臂那样怕障碍物,它可以更多地通过“胳膊肘旋转折叠”的方式来灵活地避开障碍物,它可以选择从上、从下等不同方向到达末端的目的点,有效地完成作业操作。


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七轴由于胳膊肘可以旋转折叠

所需的空间相比六轴更小


大部分工业应用的机械臂是六轴,因为它们不太需要考虑避障,工作空间可以保证足够空旷且没有障碍物。而服务场景下更多七轴手臂正在被应用,因为服务场景中往往无法满足六轴臂所需的足够大的空旷空间。


02

柔韧臂轻轻松松就有十几个关节

它的“自由度”是多少,有几个轴?


柔韧臂与传统刚性机械臂的基本构性完全不同,它没有传统意义上的电机关节,而是采用了一系列的柔韧肌肉构成了一个阵列,分不同的“层关节”单元组成了完整的手臂。因此,如果单独以所使用的柔韧肌肉数来计算轴数的话,一根典型的柔韧臂可能有7-14“轴”,这大大超过了刚性手臂的电机关节数。


这种类似于大象鼻子的仿生设计,外表更加柔性,完美复刻象鼻灵活弯曲同时能利用肌肉稳定地完成各种作业任务的能力;


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类似象鼻的仿生设计

灵活性高、肌肉韧性十足


六轴、七轴的每个关节只能按照一定角度弯曲、旋转,关节无法串联实现更高灵活度。然而象鼻拥有多个关节,多个关节串联起来的象鼻想到达末端目的点有无穷种运动方式,运动学冗余度丰富。


同样拥有这么多关节数的柔韧臂,获得了更加丰富的运动学冗余度,更加灵活的姿态,并能降低空间需求完成避障,甚至穿越狭窄的空间,有效完成作业任务


从末端运动“自由度”的角度来看,由于柔韧臂也和刚性臂一样在三维物理空间中工作,因此它产生的末端自由度仍旧是刚体能够实现的6个自由度;但是,由于柔韧臂多个肌肉产生的运动学冗余,它可以在实现末端的6个自由度基础上,额外实现1个或多个手臂内部关节排布的“内部自由度(Null-space DoF)”,这提升了手臂避障和手肘灵巧摆放的灵活性,可以实现更好的避障或狭小空间作业。


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末端目标物位置固定

象鼻抓取目标物可以通过多种方式实现

即使有障碍物也可以灵活应对

运动学冗余度高,柔韧臂同理


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末端目标物位置固定

靠关节折叠与伸长

手臂只能通过一种方式进行抓取

空间中出现障碍物将大大影响抓取

六轴、七轴机械臂同理


03

“可伸缩”

才是狭小空间作业的关键


柔韧肌肉的基本运动模态是“伸缩”。随着内部气压的增加或减少,柔韧肌肉会变长或缩短,产生形变运动。由于柔韧肌肉的柔性,相邻肌肉间可以产生对抗式的拉扯,来增加整体手臂的刚度和稳定性。


在此伸缩运动的基础上,柔韧臂的每一层关节如果围绕着一个固定的点产生转动,则实现的是一个层关节的偏转运动;而柔韧关节如果自有伸展不受限制,则同一层柔韧肌肉的同时伸长和缩短则能够带来该层的整体伸缩形变。


基于以上的偏转和伸缩两种层关节运动,柔韧臂可以在工作空间内实现大范围的伸缩和偏转运动,甚至伸到狭小空间内进行抓取作业。


以大众熟知的迷宫为例,柔韧臂如同伸缩蛇,可以借由自身的伸缩性挤进迷宫入口,游走于迷宫当中;而传统刚性机械臂,由于自身已固定长度、不可伸缩的臂长和存在一定角度的关节,导致卡在狭窄的起始点,甚至进不去“狭小空间”,更不用说在狭小空间中作业,因此伸缩性是机械手臂灵巧作业的关键性指标。


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为何“能否在狭小空间作业”如此至关重要?生活中许多杂乱场景对于人来说已经习以为常,但对于机械臂来说就是等同于迷宫的狭小空间,障碍物繁多,随时有不可预料的新障碍物出现。


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在这种杂乱的服务场景中(例如咖啡馆、餐厅等),机器人应该在人已熟知的场景中与人协作,让机器人适应环境和人,而不是为机器人改造一个符合要求的空旷场景,这就要求机器人能利用自身伸缩性自由穿梭于狭小空间、真正融入场景中。


具备多轴数的柔韧臂,利用柔韧肌肉伸缩和关节的偏转运动实现整体的灵活弯曲及伸缩,在占据最小作业空间的同时,自由地上下左右穿梭在人与障碍物间,真正做到与人和环境融为一体。


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