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六軸機(jī)械手在各大工廠非常受歡迎，主要有哪些原因？使用過程中又有哪些問題？
活關(guān)節(jié)機(jī)器人一般也叫作六軸機(jī)器人，六軸機(jī)器人機(jī)械手臂越來越被認(rèn)為是一種很好的選擇方案，不僅能為機(jī)加工進(jìn)行上下料工作，而且能做有關(guān)吹塑、熱成形和增強(qiáng)塑料流程等方面的輔助工作。
六軸機(jī)械手在市場上以及各大工廠中受歡迎的原因是來自于很多方面因素的，不僅來自六軸機(jī)械手的外在因素同樣也來自于它的內(nèi)在因素，即可以在工作中呈現(xiàn)出高精度高速度的操作，這也是很多工廠生產(chǎn)過程中對(duì)于產(chǎn)品品質(zhì)的要求和保證。
六軸機(jī)器人機(jī)械手臂可以通過使用帶有轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的多重手臂把它們手臂終端的工具從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，這種活關(guān)節(jié)式的運(yùn)動(dòng)被形容成“擬人化”，也就是說，這些機(jī)器人的表現(xiàn)有人類的特征，特別是像手臂和手腕的運(yùn)動(dòng)。
一、六軸機(jī)械手受歡迎的原因
1、操作范圍廣泛
六軸機(jī)械手的受歡迎原因之二在于它的結(jié)構(gòu)和工具的特殊性，由于六軸機(jī)械手的操作工具是可以根據(jù)需要進(jìn)行更換的，所以六軸機(jī)械手可以適用更多產(chǎn)品的生產(chǎn)需要，不論是小型零件的生產(chǎn)還是大型機(jī)械的生產(chǎn)，只需要更換機(jī)械手的操作工具都可以完成生產(chǎn)需要。
2、自動(dòng)化程度高
自動(dòng)化是未來生產(chǎn)加工的發(fā)展方向，六軸機(jī)械手的自動(dòng)化程度是目前機(jī)械手中程度較高的一類產(chǎn)品，自動(dòng)化的程度高成為了很多先進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的選擇，為了迎合自身工廠中自動(dòng)化流水線的需要，六軸機(jī)械手正好滿足高自動(dòng)化需求也就自然而然的成為了這些工廠的選擇產(chǎn)品。
3、適用惡劣環(huán)境
六軸機(jī)械手以及沖壓機(jī)械手的發(fā)明也是為了替代人工無意義的重復(fù)性工作，同時(shí)也是為了能夠在人類無法承受的環(huán)境中進(jìn)行工作而發(fā)明的，六軸機(jī)械手可以在很多空氣稀薄甚至是高溫環(huán)境中持續(xù)工作，還可以延長自身的維修周期避免因維修造成影響工期進(jìn)度的情況。
焊接機(jī)械手軸的數(shù)量是不一樣的，有四軸的、五軸的、六軸的，所謂工業(yè)機(jī)械手的軸，可以用專業(yè)的名詞“自由度”來解釋。合理推測就是，當(dāng)機(jī)械手的軸數(shù)增加，機(jī)械手就有更高的靈活性。四軸機(jī)械手和六軸關(guān)節(jié)式機(jī)械手相比，其中四軸機(jī)械手是特別為高速取放作業(yè)而設(shè)計(jì)的，而六軸機(jī)械手則提供了更高的生產(chǎn)運(yùn)動(dòng)靈活性。
六軸機(jī)械手比四軸機(jī)械手多兩個(gè)關(guān)節(jié)，因此有更多的“行動(dòng)自由度”。
六軸機(jī)械手的頭一個(gè)關(guān)節(jié)能像四軸機(jī)械手一樣在水平面自由旋轉(zhuǎn)，后兩個(gè)關(guān)節(jié)能在垂直平面移動(dòng)。此外，六軸機(jī)械手有一個(gè)“手臂”，兩個(gè)“腕”關(guān)節(jié)，這讓它具有人類的手臂和手腕類似的能力。
六軸機(jī)械手更多的關(guān)節(jié)意味著他們可以拿起水平面上任意朝向的部件，以特別的角度放入包裝產(chǎn)品里。他們還可以執(zhí)行許多由熟練工人才能完成的操作。
六軸機(jī)械手臂由六組不同位置的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)馬達(dá)都能提供繞一軸向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其位置可參照下圖。從自由度的概念來看，六軸機(jī)械手臂已經(jīng)滿足三維空間中的六個(gè)自由度，理論上其末端可以到達(dá)空間中任何位置及角度，但為什么有時(shí)候機(jī)械手臂仍然會(huì)卡住呢？這是因?yàn)榱S機(jī)械手臂存在著一些奇異點(diǎn)
六軸機(jī)械手
當(dāng)機(jī)械手臂進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)模式，系統(tǒng)并未事先計(jì)算好過程中的手臂姿態(tài)，倘若在運(yùn)動(dòng)過程中遇到奇異點(diǎn)，會(huì)造成機(jī)械手臂卡住或跳錯(cuò)誤，使人相當(dāng)頭痛；但如果了解奇異點(diǎn)，就能在把普拿疼吃完之前使工作順利地完成了。
機(jī)械手臂的奇異點(diǎn)，依發(fā)生的原因可概括為兩大類：
1. 內(nèi)部馬達(dá)可運(yùn)作范圍的極限位置：
2. 根據(jù)不同型號(hào)的機(jī)械手臂中使用之馬達(dá)，會(huì)有不同的運(yùn)作范圍限制，也就是工作空間的概念，本文不加以贅述。
3. 數(shù)學(xué)模型上的錯(cuò)誤：
4. 也是本文要介紹的重點(diǎn)，如同其他數(shù)學(xué)上的奇異點(diǎn)，它發(fā)生于「無限」的情況下，例如：任何一個(gè)除以零的數(shù)；即便「無限」在數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)中已經(jīng)是個(gè)習(xí)以為常的概念，但在現(xiàn)實(shí)的物理世界中是無法達(dá)成的。
以下簡述奇異點(diǎn)學(xué)理上的成因
運(yùn)動(dòng)學(xué)上的奇異點(diǎn)解釋
運(yùn)動(dòng)學(xué)中，將機(jī)器手臂視為由「剛體」以及可提供平移或旋轉(zhuǎn)的「關(guān)節(jié) 」所組成，運(yùn)動(dòng)學(xué)探討剛體尺寸及關(guān)節(jié)參數(shù)對(duì)應(yīng)于運(yùn)動(dòng)鏈末端的位置及運(yùn)動(dòng)路徑之關(guān)系，可再劃分為兩個(gè)部分：
1. 正向運(yùn)動(dòng)學(xué) ：
2. 在給定已知的尺寸及關(guān)節(jié)參數(shù)的條件下，去求得運(yùn)動(dòng)鏈末端的位置及角度；在六軸機(jī)械手臂上，就是給定各軸角度，去求得末端的笛卡爾座標(biāo)；一組給定的關(guān)節(jié)參數(shù)只對(duì)應(yīng)唯一個(gè)末端座標(biāo)。
3. 反向運(yùn)動(dòng)學(xué)：
4. 欲求得任何可能的關(guān)節(jié)參數(shù)，使運(yùn)動(dòng)鏈末端達(dá)到特定位置及角度；在六軸機(jī)械手臂上，就是從已知的末端座標(biāo)，去求得各軸角度參數(shù)的組合；與正向運(yùn)動(dòng)學(xué)不同，一個(gè)末端位置可以由不同的手臂姿態(tài)來達(dá)成，對(duì)應(yīng)不只一組的關(guān)節(jié)參數(shù)。理論上，六軸機(jī)構(gòu)的一個(gè)末端位置可對(duì)應(yīng)多達(dá)十六組不同的關(guān)節(jié)參數(shù)。
而在反向運(yùn)動(dòng)學(xué)中，當(dāng)末端位于奇異點(diǎn)時(shí)，一個(gè)末端位置會(huì)對(duì)應(yīng)無限多組解；起因于運(yùn)動(dòng)學(xué)中使用Jacobian矩陣來轉(zhuǎn)換軸角度及機(jī)械手臂末端的關(guān)系，當(dāng)機(jī)械手臂中的兩軸共線時(shí)，矩陣內(nèi)并非完全線性獨(dú)立，造成Jacobian矩陣的秩會(huì)減少，其行列式值為零，使得Jacabian矩陣無反函數(shù)，反向運(yùn)動(dòng)學(xué)無法運(yùn)算，是為奇異點(diǎn)發(fā)生處。
在手臂末端接近奇異點(diǎn)時(shí)，微小的位移變化量就會(huì)導(dǎo)致某些軸的角度產(chǎn)生劇烈變化，產(chǎn)生近似無限大的角速度，而這在現(xiàn)實(shí)世界中是不可能的。
預(yù)先將要通過的奇異點(diǎn)標(biāo)示出來，且機(jī)械手臂各路徑均設(shè)定為等速運(yùn)動(dòng)，以方便辨別比較奇異點(diǎn)對(duì)機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)之影響。開始時(shí)，機(jī)械手臂以等速運(yùn)動(dòng)，但當(dāng)機(jī)械手臂接近奇異點(diǎn)時(shí)，手臂末端呈現(xiàn)幾乎停止的狀態(tài)下，進(jìn)行姿態(tài)的調(diào)整，即為上述的微小位移量造成角度劇烈變化之現(xiàn)象。特別提醒，影片中的運(yùn)動(dòng)路徑并未真正經(jīng)過奇異點(diǎn)，只是非常接近，若機(jī)械手臂經(jīng)過奇異點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)即會(huì)停止，并出現(xiàn)錯(cuò)誤訊息之提示。
在此給奇異點(diǎn)一個(gè)簡單的解釋，即當(dāng)機(jī)械手臂的其中兩個(gè)以上的軸共線時(shí)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械手臂發(fā)生無法預(yù)期的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
常見的奇異點(diǎn)發(fā)生時(shí)機(jī)
由于奇異點(diǎn)與機(jī)械手臂的姿態(tài)相關(guān)，并不是一個(gè)給定的位置，所以要列出所有的奇異點(diǎn)是有難度的，不過在此依照奇異點(diǎn)發(fā)生的狀況不同，將六軸機(jī)械手臂的奇異點(diǎn)分為三個(gè)種類：
1. 腕關(guān)節(jié)奇異點(diǎn)：
當(dāng)?shù)?/span>4軸與第6軸共線，會(huì)造成系統(tǒng)嘗試著將第4軸與第6軸瞬間旋轉(zhuǎn)180度。
腕關(guān)節(jié)奇異點(diǎn)
2.肩關(guān)節(jié)奇異點(diǎn)：
當(dāng)?shù)?/span>1軸與腕關(guān)節(jié)中心C點(diǎn)(第5軸與第6軸之交點(diǎn))共線，會(huì)造成系統(tǒng)嘗試將第1軸與第4軸瞬間旋轉(zhuǎn)180度。此類型有個(gè)特殊的情況，當(dāng)?shù)?/span>1軸與腕關(guān)節(jié)中心共線，且與第6軸共線時(shí)，會(huì)造成系統(tǒng)嘗試第1軸與第6軸瞬間旋轉(zhuǎn)180度，稱之為對(duì)齊奇異點(diǎn)
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肩關(guān)節(jié)奇異點(diǎn)
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對(duì)齊奇異點(diǎn)
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3.肘關(guān)節(jié)奇異點(diǎn)：
當(dāng)腕關(guān)節(jié)中心C點(diǎn)與第2軸、第3軸共平面時(shí)，會(huì)造成肘關(guān)節(jié)卡住，像是被鎖住一般，無法再移動(dòng)。
肘關(guān)節(jié)奇異點(diǎn)
以上奇異點(diǎn)之示范影片可參考這裡，影片中以顏色深淺代表軸之角速度，可以明顯看出上述發(fā)生之角速度瞬間增大之現(xiàn)象。
如何避免奇異點(diǎn)
奇異點(diǎn)常發(fā)生于兩軸共線時(shí)，當(dāng)機(jī)械手臂的軸數(shù)量增加時(shí)，發(fā)生奇異點(diǎn)的位置與機(jī)會(huì)同時(shí)增加。但因?yàn)闄C(jī)械手臂的自由度變多，也表示有更多可以避開奇異點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)路徑可以選擇。六軸機(jī)械手臂擁有六個(gè)自由度，可以達(dá)到空間中任何位置，而七軸機(jī)械手臂就是為了避開奇異點(diǎn)而產(chǎn)生，多一個(gè)自由度來增加避開奇異點(diǎn)的路徑選擇性，也同時(shí)可進(jìn)行複雜度更高的運(yùn)動(dòng)，因?yàn)檫@額外的軸，七軸機(jī)械手臂又被稱作冗余機(jī)械手。
也有人提出將工具與法蘭面的關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)工具的方向平行于法蘭面法線方向時(shí)，把工具調(diào)整一個(gè)微小的角度(5°~15°)，可減少運(yùn)動(dòng)路徑遇到奇異點(diǎn)的機(jī)會(huì)。雖無法完全避免，但因成本低且可簡單地進(jìn)行測試，不失為一個(gè)好方法。
理論上，機(jī)械手臂到達(dá)奇異點(diǎn)時(shí)角速度無限大，為避免損壞，機(jī)械手臂製造商會(huì)以軟體進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)速度過快時(shí)機(jī)械手臂停止，并產(chǎn)生錯(cuò)誤訊息。使用者也可以限制機(jī)械手臂經(jīng)過奇異點(diǎn)附近時(shí)的速度，使其緩慢地通過，避免停機(jī)。
而在ABB機(jī)械手臂控制器中，當(dāng)?shù)谖遢S角度為0°，即第四軸與第六軸共線時(shí)，會(huì)出現(xiàn)提醒訊息，并進(jìn)行以下兩種步驟來避免奇異點(diǎn)問題：
增加目標(biāo)點(diǎn)，調(diào)整姿態(tài)，避免第五軸角度出現(xiàn)0°的情況，這也是有時(shí)機(jī)械手臂運(yùn)行時(shí)會(huì)有一些無法預(yù)期的動(dòng)作的原因。
2. 修改MOVEL指令為MOVEJ指令，在非必須以直線運(yùn)動(dòng)的工作需求下，使用關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)取代直線運(yùn)動(dòng)，以MOVEJ指令可使機(jī)械手臂自主調(diào)整姿態(tài)避免運(yùn)行至奇異點(diǎn)附近。
最有效的方法還是在電腦上的模擬軟體先行確認(rèn)，嘗試將運(yùn)動(dòng)路徑調(diào)整至沒有奇異點(diǎn)。ABB的Robot Studio模擬功能可以監(jiān)控運(yùn)動(dòng)路徑是否接近奇異點(diǎn)，方便在接近奇異點(diǎn)附近的位置修改路徑，以順利完成工作。
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