機(jī)器人的動(dòng)力從何而來(lái)，其手臂如何實(shí)現(xiàn)靈活地運(yùn)動(dòng)

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當(dāng)你走進(jìn)工廠,或許會(huì)看到許多機(jī)器人在不停地工作,有的搬運(yùn)物料,有的舉著焊槍做焊接作業(yè)一些機(jī)器人“大力士”一下可提起數(shù)噸重的物體,它們不知疲倦地為人類“辛勤”地勞動(dòng)著。那么機(jī)器人的“力氣”究竟是從哪里來(lái)的呢?

機(jī)器人并不像人那樣靠肌肉的收縮和彈性產(chǎn)生力,當(dāng)我們把機(jī)器人進(jìn)行“解剖”以后,發(fā)現(xiàn)每個(gè)機(jī)器人都有外來(lái)的“動(dòng)力來(lái)源和精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),通過(guò)它們產(chǎn)生力并傳遞力。這些機(jī)構(gòu)統(tǒng)稱為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)其中最關(guān)鍵的是動(dòng)力的來(lái)源,叫做動(dòng)力源。

一般來(lái)說(shuō)機(jī)器人的動(dòng)力源可以由外部供給,也可以通過(guò)內(nèi)部其他種類的能源經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換而來(lái)。常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有三種:一種是靠電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的,稱為電氣驅(qū)動(dòng),其電源通常來(lái)自外部。另一種是靠壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動(dòng),稱為氣動(dòng)式驅(qū)動(dòng),有的機(jī)器人依靠電力在內(nèi)部產(chǎn)生氣動(dòng)力,也有的機(jī)器人靠外部設(shè)備提供氣動(dòng)力。還有一種是利用高壓油作為工作介質(zhì),通過(guò)液壓，進(jìn)行驅(qū)動(dòng),液壓裝置可以裝在機(jī)器人內(nèi)部,也可以裝在外部。有了這些動(dòng)力,再經(jīng)過(guò)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)換,就能使機(jī)器人做各種運(yùn)動(dòng),同時(shí)也產(chǎn)生了力,使機(jī)器人有力氣。

機(jī)器人“力氣”的大小可以根據(jù)機(jī)器人的用途進(jìn)行專門設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)。例如,一些機(jī)器人固定地做某些重復(fù)性的工作,工程師就可以根據(jù)需要,設(shè)計(jì)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)裝置,并進(jìn)行有效的控制。但也有些機(jī)器人工作狀況比較復(fù)雜,如既要抓石頭又要抓雞蛋,因此手爪用力必須是可調(diào)的。工程師就在機(jī)器人的手爪上安裝了許多測(cè)量力的傳感器,以測(cè)量和控制手爪上的力。

誕生于美國(guó)的第一臺(tái)機(jī)器人是液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。一般來(lái)說(shuō),依靠液壓產(chǎn)生的動(dòng)力可以非常大,有許多“大力士”機(jī)器人采用了液壓驅(qū)動(dòng)的方式。但用電驅(qū)動(dòng)的形式控制更成熟、更精確,因此許多有精密控制要求的機(jī)器人采用電驅(qū)動(dòng)形式。但也有些機(jī)器人采用電液驅(qū)動(dòng),既可產(chǎn)生較大力又易于控制。例如,德國(guó)研制的用于飛機(jī)清洗的“清洗巨人”是全世界最大清洗機(jī)器人,它的手臂長(zhǎng)度有33米,這個(gè)龐然大物的力氣主要就是靠液壓產(chǎn)生的,對(duì)它的精密控制是靠電液控制實(shí)現(xiàn)的。

對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō),除了“大腦”,手和腳對(duì)它也具有特別重要的意義。機(jī)器人的手必須能夠最大限度地模仿人的手指和手掌的功能,這樣,它才能代替人從事各種各樣的工作。

人的手指非常靈活,它可以向左右張開(kāi),又可以自由彎曲。指頭并攏并稍作彎曲,就可以捧起水來(lái)。手指張開(kāi)一點(diǎn),就能成為篩子;張得再大一點(diǎn),就可以當(dāng)梳子梳頭;完全張開(kāi),又可以當(dāng)作盛東西的盤子。至于手指的抓取功能,那就更多了。例如,當(dāng)拇指與其他手指相對(duì)時(shí),可抓取相當(dāng)大的物件;當(dāng)拇指尖與其他某一指尖相對(duì)時(shí),可以捏取很薄、很細(xì)小的物體等等。

機(jī)器人的手由臂梁、手臂、手腕和移動(dòng)等部件組成。臂梁和手臂可以伸縮、俯仰和擺動(dòng)。手腕用于抓取物件,并支持手指工作,這一部件直接關(guān)系到機(jī)器人手的靈活性。要使機(jī)器人靈活適用,就必須使它能在一定的空間范圍內(nèi)作自由運(yùn)動(dòng)。這種自由運(yùn)動(dòng)的程度叫做機(jī)器人的“自由度”。例如,機(jī)器人的手臂通過(guò)肩關(guān)節(jié)的作用,可以在前后左右的各個(gè)方向上任意動(dòng)作,可以上下俯視、左右搖擺、轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)器人的這種本領(lǐng)就叫機(jī)器人的“自由度”。自由度越大,機(jī)器人的動(dòng)作就越靈活,適應(yīng)性就越強(qiáng),用途也就越廣泛。

為了使機(jī)器人的手具有相當(dāng)大的自由度,人們?cè)跈C(jī)器人的手指部位裝上傳感器(傳遞感覺(jué)的儀器)。在傳感器的引導(dǎo)下,機(jī)器人的手不但十分靈活,而且能達(dá)到人們所要求的位置。
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