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把工業(yè)機(jī)器人拉下神壇，也拉下“人談”
1.工業(yè)機(jī)器人是機(jī)器還是人？
一說到工業(yè)機(jī)器人，人們立馬聯(lián)想到的是動(dòng)畫片中的“變形金剛”或者電影里的“超人”。然而，現(xiàn)實(shí)中的機(jī)器人始終還是離人們塑造的“機(jī)器人”偶像有不小的距離。即使全球較先進(jìn)的機(jī)器人，如日本本田公司的機(jī)器人也無非是一臺(tái)更加智能化的仿人機(jī)器人，機(jī)器人終歸是機(jī)器，而不是人。
我們來看看被中國(guó)粉絲們熱炒的工業(yè)機(jī)器人是如何被定義的。“robot”一詞在英文中的定義之廣泛遠(yuǎn)非中文“機(jī)器人”一詞可比，比如一臺(tái)打印機(jī)可以叫做“robot”，一臺(tái)智能化的機(jī)床也可以稱為“robot”，即使大家熟知的智能手機(jī)Android系統(tǒng)也是被谷歌以“robot”定義的……機(jī)器人如此，更何況工業(yè)機(jī)器人呢。
“Industry robot”（工業(yè)機(jī)器人）一詞的創(chuàng)立，就是為區(qū)別于上述廣泛的“robot”，而被冠詞“Industry”（產(chǎn)業(yè)）限定范圍的，工業(yè)機(jī)器人顧名思義就是工業(yè)用途的“robot”（機(jī)器人）。 如果用中文給個(gè)較為精確的定義，應(yīng)該叫做工業(yè)生產(chǎn)用智能機(jī)器，能被中文領(lǐng)域廣泛接受的象形描述是“工業(yè)機(jī)械手臂”。
對(duì)！工業(yè)機(jī)械手臂！就是這么稱呼的，我曾在展會(huì)、客戶推介會(huì)上多次聽到用戶這樣的稱呼。對(duì)于該稱呼我曾心里暗暗地表示不認(rèn)同，就一字之差，“機(jī)械臂”一詞抹殺了“機(jī)器人”的人格。然而，在行業(yè)里摸爬了2年后，終于能認(rèn)同“機(jī)械手臂”的冠名和定義！因?yàn)?，在你直觀的視覺印象中它就是一個(gè)類似于手臂的機(jī)器而已，它并非神奇到像人一樣智能化。
2.工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成
正如人的手臂的活動(dòng)：由基礎(chǔ)的骨骼肌膚構(gòu)成、需要消耗能量通過肌肉伸縮、需要大小腦及神經(jīng)系統(tǒng)控制動(dòng)作。機(jī)械手臂也具有這樣的結(jié)構(gòu)組成：
（1）機(jī)械系統(tǒng)：
正如人的手臂從肩關(guān)節(jié)到手指，中間由肘關(guān)節(jié)腕關(guān)節(jié)、大小臂過渡構(gòu)成。
機(jī)械手臂由機(jī)座、臂部、腕部及可旋轉(zhuǎn)的“關(guān)節(jié)”構(gòu)成，只不過這種構(gòu)成是鋼筋鐵骨、冰冷機(jī)械的，無非就是鋼鐵或者鋁合金的鑄造件，鐵塊數(shù)件而已。而機(jī)器人的“關(guān)節(jié)”畢竟不能像人的關(guān)節(jié)一樣是球形旋轉(zhuǎn)的，而是扇面形旋轉(zhuǎn)的。
整個(gè)的機(jī)械手臂就是依靠這樣的結(jié)構(gòu)組成，該部分因?yàn)楹推胀ǖ臋C(jī)器并無二致，故稱之為“機(jī)械系統(tǒng)”
（2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：
如人的手臂需要肌肉的伸縮拉動(dòng)，機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)也需要這樣能夠提供能源的驅(qū)動(dòng)部分。
機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按動(dòng)力源分為液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)三大類。目前主流采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，也可根據(jù)需要由三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
私服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式之所以成為主流，因?yàn)?span style="color:#337FE5;">伺服電機(jī)結(jié)合精密減速齒輪后，可以精確控制關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，目前可以精密到0.01mm級(jí)別。這不僅取決于伺服電機(jī)的精密程度，也更是與上一部分“機(jī)械系統(tǒng)”與下一部分“控制系統(tǒng)”緊密相關(guān)，有關(guān)伺服電機(jī)原理及減速齒輪在此不做贅述，興趣者可搜索了解。
（3）控制系統(tǒng)：
人有頭腦和神經(jīng)系統(tǒng)，機(jī)械手臂之所以被稱為“機(jī)器人”也與其本身有類似組成部分而得名，控制系統(tǒng)正式機(jī)械手臂的大小腦和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
控制系統(tǒng)是一個(gè)通過計(jì)算機(jī)軟硬件平臺(tái)及伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成的“大腦+神經(jīng)中樞”，機(jī)器人的精密運(yùn)動(dòng)（比如朝哪個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)多少度，以怎樣的動(dòng)作等）正是通過該部分精密計(jì)算后發(fā)號(hào)指令的。
居于控制系統(tǒng)核心的計(jì)算機(jī)通過操作系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)模型數(shù)據(jù)庫（可以理解為伸展、收縮、轉(zhuǎn)動(dòng)等的模型），對(duì)各種動(dòng)作指令進(jìn)行數(shù)-模轉(zhuǎn)換，并將一個(gè)動(dòng)作（如向前伸展2m）分解為不同的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍，再由伺服驅(qū)動(dòng)發(fā)送確定的脈沖（可以理解為力氣）到各個(gè)關(guān)節(jié)上的伺服電機(jī)，伺服電機(jī)根據(jù)收到的指令精確轉(zhuǎn)動(dòng)。
整個(gè)運(yùn)動(dòng)指令可以通過人為操作編輯后形成計(jì)算機(jī)代碼存放在電腦內(nèi)存中，根據(jù)設(shè)定好的程序做動(dòng)作，也可以通過外接的傳感器（如機(jī)器視覺、力度傳感等）收到的反饋信號(hào)做針對(duì)性的運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上，之所以工業(yè)機(jī)器人能以“人”性卻別與更多呆板的機(jī)器，也正是因?yàn)樗?span style="color:#337FE5;">通過計(jì)算機(jī)大腦能相對(duì)智能地處理外部信號(hào)。
3.機(jī)器人的軸、關(guān)節(jié)、自由度、結(jié)構(gòu)形式（串聯(lián)并聯(lián)）
我們稱機(jī)器人的1個(gè)關(guān)節(jié)為1個(gè)軸更合適，因?yàn)槊?個(gè)關(guān)節(jié)只能完成一個(gè)維度的旋轉(zhuǎn)。工業(yè)機(jī)械手臂因?yàn)椤瓣P(guān)節(jié)”數(shù)量的不同而區(qū)分，從簡(jiǎn)單的3關(guān)節(jié)到6關(guān)節(jié)不等，也有更多關(guān)節(jié)的機(jī)械手臂。
機(jī)器人的“關(guān)節(jié)”因部署位置的不同和組成結(jié)構(gòu)不同，又被區(qū)分為“并聯(lián)”（Δ）、“串聯(lián)”、“水平串聯(lián)”（Scara）：形象地比喻，并聯(lián)就像是平行四邊形的兩個(gè)對(duì)角，平行四邊形發(fā)生形變時(shí)，對(duì)角的“關(guān)節(jié)”是同時(shí)對(duì)等運(yùn)動(dòng)的；而串聯(lián)就像是人的手臂那樣單向連接。
機(jī)器人的自由度由關(guān)節(jié)數(shù)量和關(guān)節(jié)連接形式?jīng)Q定。限于篇幅，不做贅述，在此通過對(duì)“并聯(lián)”（Δ）、“串聯(lián)”、“水平串聯(lián)”（Scara）三種常見結(jié)構(gòu)的形象比喻說明：
（1）“并聯(lián)”（Δ）機(jī)器人被人們廣泛稱為“蜘蛛手”，因?yàn)楸M管它有很多個(gè)關(guān)節(jié)，但它手指末端只能以一種確定動(dòng)作達(dá)到一個(gè)點(diǎn)，蜘蛛手的末端總是朝向一個(gè)方向的。
（2）“水平串聯(lián)”（Scara）機(jī)器人類似于玩具蛇，它的基本運(yùn)動(dòng)是在一個(gè)水平面內(nèi)通過擺動(dòng)“伸縮”，市面常見的Scara機(jī)器人因?yàn)槟┒思友b了可上下伸縮的軸而能比玩具蛇更“靈活”一些，此處靈活僅指“蛇頭”可通過下顎脫離咬合關(guān)節(jié)上下運(yùn)動(dòng)而已。4軸的Scara機(jī)器人和“蜘蛛手”一樣只能做局限的動(dòng)作，蛇頭永遠(yuǎn)只能以一種確定動(dòng)作達(dá)到一個(gè)點(diǎn)。
（3）“串聯(lián)”機(jī)器人區(qū)別于上述的“蜘蛛手”和“眼睛蛇”，是因?yàn)樗懈鶑V闊的自由度，串聯(lián)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)至少不在一個(gè)維度的平面內(nèi)，所以它的末端可以靈活動(dòng)作，典型的例子：機(jī)器人末端可以圍繞空間一點(diǎn)做任意動(dòng)作。
更多更精彩的機(jī)器人知識(shí)，請(qǐng)關(guān)注www.x47f2nc.cn后續(xù)力作。歡迎訂閱欣志機(jī)器人微信公眾號(hào)：Think-automation。
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