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該主題包含 0 則回覆,有 1 個參與人,並且由  OmniXRI Jack2 月, 1 週 前 最後更新。

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    OmniXRI Jack
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    接連寫了「採收機器人_視覺篇」、「採收機器人_夾爪篇」後,大家應該對不同農作物的採收方式有了基本概念,接下來要繼續為大家整理採收機器人的機器手臂相關資訊。

    一般所謂「機器手臂」可分為狹義的和廣義的定義。前者具有類似人類手臂、關節、手掌和手指的機器手臂,和後者只要具有能從有限空間中任意兩點進行移動、取放物件的機構裝置,不管外形和移動方式都可算是機器手臂。

    常見機器手臂類型可分為下列幾大類。

    [1] 單軸式:
    可利用滑軌、皮帶、螺桿等傳動元件帶動夾爪直線運動,進行往復運動。

    [2] 直交軸式:
    利用數組單軸型機器手臂組合而成,可以是三軸直交式式或龍門式,通常採用直角(笛卡爾)座標系XYZ移動,使用上非常直覺,一般常見的3D印表機和Mini-FarmBot都是屬於此類。

    [3] 多軸關節式:
    此種類型仿人類手臂結構設計,最基本為三軸(關節)運動,包括縱(X)軸方向軸旋轉「翻滾(Row)」、垂直(Z)軸旋轉「偏擺(Yaw)」及橫(Y)軸旋轉「俯仰(Pitch)」,這種作法每個關節只能在單一方向上旋轉,和人類手臂的萬向關節(多方向)運動方式不同。移動時多半需先把直角座標系轉成極座標系(長度加角度)的表示方式,才能讓每個軸關節正確旋轉到指定位置。目前已有很多廠商將其擴展到六至七軸,以期能更接近真實人類手臂的工作方式。
    另外還有一種是利用氣、液壓缸加上連桿機構方式推動多軸關節運動,此類方式運動速度慢,且運動距離及角度不大,所以通常只用在重物搬移,像挖土機就是典型代表。

    [4] 水平關節式:
    又稱擇順應性關節機械手臂(Selective Compliance Articulated Robot Arm, SCARA),是由兩個旋轉軸取代XY方向移動,一個垂直移動軸來取放物件,採用圓柱型座標系(結合極座標系和直角座標系)來移動,因為Z軸移動距離有限,所較常用接近同一平面上物體的移動。相較於XYZ型所需要的空間較小,但使用上較不直覺,須用要反向運動學(Inverse kinematics)來計算兩個旋轉軸要移動到平面上某一點的真實轉動角度。

    [5] 並聯式:
    由於外觀為三角形所以又稱Delta式,主要由三組固定臂構成,三組固定臂其中一頭連到取放頭,另一頭分別裝在傳動馬達(旋轉式或直線式),運動時由三組固定桿移動到不同高度,進而移動到指定的XYZ座標。這類機械臂較少出現在農業用途,主要是高度較高,且工作行程僅不到一半高度,不適合橫向移動,但其移動速度較直交軸式快上許多,所以很多3D印表機都採用此種設計。

    [6] 伸縮式:
    基本上和單軸式類似,但透過多層套疊的方式,可延伸較長的手臂,像一般常用的伸縮雨傘,吊車都是典型代表。此類手臂很適合採收對象在很高的樹上。

    [7] 混合式及其它式:
    依特定功能或空間限制特別設計的機器手臂,比方說連桿機構,或者結合上述多種方式而產生的機器手臂。

    Fig. 1 機器手臂種類,
    (a)上銀單軸機器人, (b)FBTUG Mini FarmBot, (c)直交式3D列印機RepRap Ormerod,
    (d)三軸關節式, (e)新漢六軸關節式, (f)油壓連桿式挖土機,
    (g)水平關節式(SCARA), (h)並聯式(DELTA), (i)伸縮式吊車

    另外關於機器手臂的驅動,主要有伺服馬達和步進馬達,一些教學用小型機器手臂有時會採用舵機(簡易型伺服馬達)來做為主要動力。而為了能達到精準的空間移動及定位,通常還需要配置編碼器來偵測目前馬達實際的工作角度,而伺服馬達通常已有內建高精度編碼器,而步進馬達就需另外配置,有些大扭力專門用來做小型機器手臂的舵機有些也已有內建,方便大家開發使用。

    在設計上還要考慮下方的馬達除了自身運動所需動力外,還要負擔上方的機構、馬達、配線、夾爪等額外重量及運動所產生的反作用力,因此馬達越下方要越大,到夾爪端腕關節部份就要越小,才能讓機器手臂移動的較為順暢。

    以下就根據之前收集到的影片,摘錄代表性圖像來簡單說明,完整影片請參考「採收機器人_夾爪篇」。

    Fig. 2 採收機器人機器手臂種類,
    (a) 直交式, (b) 水平關節式(SCARA), (c) ~ (h) 多軸關節式,
    (i) 伸縮式, (j) 多段伸縮式, (k) (l) 連桿機構式

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