六軸機械手臂哪六軸

六轴工业机器人发展机械手臂通过使用旋转轴（或者叫活关节）进行数据装载、卸载和后处理技术工作。它使用问题一直线轴重新定位，可以自己做出灵活得像人类社会一样的动作。其具有六轴自由度，机器人系统可以有效执行管理操作人员的指令。大多数的运作，从工件旋转到复杂的工件放置和组装都可以直接进行。轨道安装式的好处是简化了手臂终端的工具资源配置。在某些特殊情况下，这些研究工具我们可以在部件运行环境之间信息共享。这类六轴机器人工程机械手臂的相当灵活，可以从机器的顶上或者不同侧面取出工件。

1.可编程: 六轴工业机器人的最大特点是柔性启动，是柔性制造系统的重要组成部分。工业机器人可以根据工作环境的变化和工件的变化进行重新编程。适用于高效、平衡的柔性生产线。

二、拟人化：六轴工业机器人可以结合我国机器人技术与人的特点。在六轴工业机器人的结构问题上有一个类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制管理上有电脑。其传感器提高了中国工业机器人对周围生活环境的自适应学习能力。

六軸機械手臂由六組不同位置的馬達驅動，每個馬達都能提供繞一軸向的旋轉運動，其位置可參照下圖。從自由度(Degree of Freedom)的概念來看，六軸機械手臂已經滿足三維空間中的六個自由度，理論上其末端End-Effector可以到達空間中任何位置及角度，但為什麼有時候機械手臂仍然會卡住呢？這是因為六軸機械手臂存在著一些奇異點(Singularity)。

當機械手臂進行直線運動模式(Linear Mode)，系統並未事先計算好過程中的手臂姿態(Configuration)，倘若在運動過程中遇到奇異點，會造成機械手臂卡住或跳錯誤。

運動學上的奇異點解釋

運動學(Kinematics)中，將機器手臂視為由「剛體」以及可提供平移或旋轉的「關節 (Joint)」所組成，運動學探討剛體尺寸及關節參數對應於運動鏈末端的位置及運動路徑之關係，可再劃分為兩個部分：

1.    正向運動學 (Forward Kinematics)：
2.    在給定已知的尺寸及關節參數的條件下，去求得運動鏈末端的位置及角度；在六軸機械手臂上，就是給定各軸角度，去求得末端的笛卡爾座標；一組給定的關節參數只對應唯一個末端座標。
3.    反向運動學 (Inverse Kinematics)：
4.    欲求得任何可能的關節參數，使運動鏈末端達到特定位置及角度；在六軸機械手臂上，就是從已知的末端座標，去求得各軸角度參數的組合；與正向運動學不同，一個末端位置可以由不同的手臂姿態來達成，對應不只一組的關節參數。理論上，六軸機構的一個末端位置可對應多達十六組不同的關節參數。

而在反向運動學中，當末端位於奇異點時，一個末端位置會對應無限多組解；起因於運動學中使用Jacobian矩陣來轉換軸角度及機械手臂末端的關係，當機械手臂中的兩軸共線時，矩陣內並非完全線性獨立，造成Jacobian矩陣的秩(Rank)會減少，其行列式值(Determinant)為零，使得Jacabian矩陣無反函數，反向運動學無法運算，是為奇異點發生處。

六轴机械手臂由六组不同位置的马达驱动，每个马达都能提供绕一轴向的旋转运动，其位置可参照下图。从自由度(Degree of Freedom)的概念来看，六轴机械手臂已经满足三维空间中的六个自由度，理论上其末端End-Effector可以到达空间中任何位置及角度，但为什么有时候机械手臂仍然会卡住呢？这是因为六轴机械手臂存在著一些奇异点(Singularity)。

Figure: 6-Axis Robot

当机械手臂进行直线运动模式(Linear Mode)，系统并未事先计算好过程中的手臂姿态(Configuration)，倘若在运动过程中遇到奇异点，会造成机械手臂卡住或跳错误，使人相当头痛；但如果了解奇异点，就能在把普拿疼吃完之前使工作顺利地完成了。

机械手臂的奇异点，依发生的原因可概括为两大类：

1. 内部马达可运作范围的极限位置：

2. 根据不同型号的机械手臂中使用之马达，会有不同的运作范围限制，也就是工作空间(Workspace)的概念，本文不加以赘述。

3. 数学模型上的错误：

4. 也是本文要介绍的重点，如同其他数学上的奇异点，它发生于「无限」的情况下，例如：任何一个除以零的数；即便「无限」在数学的观点中已经是个习以为常的概念，但在现实的物理世界中是无法达成的。

====以下简述奇异点学理上的成因====

运动学上的奇异点解释

运动学(Kinematics)中，将机器手臂视为由「刚体」以及可提供平移或旋转的「关节 (Joint)」所组成，运动学探讨刚体尺寸及关节参数对应于运动链末端的位置及运动路径之关系，可再划分为两个部分：

1. 正向运动学 (Forward Kinematics)：

2. 在给定已知的尺寸及关节参数的条件下，去求得运动链末端的位置及角度；在六轴机械手臂上，就是给定各轴角度，去求得末端的笛卡尔座标；一组给定的关节参数只对应唯一个末端座标。

3. 反向运动学 (Inverse Kinematics)：

4. 欲求得任何可能的关节参数，使运动链末端达到特定位置及角度；在六轴机械手臂上，就是从已知的末端座标，去求得各轴角度参数的组合；与正向运动学不同，一个末端位置可以由不同的手臂姿态来达成，对应不只一组的关节参数。理论上，六轴机构的一个末端位置可对应多达十六组不同的关节参数。

而在反向运动学中，当末端位于奇异点时，一个末端位置会对应无限多组解；起因于运动学中使用Jacobian矩阵来转换轴角度及机械手臂末端的关系，当机械手臂中的两轴共线时，矩阵内并非完全线性独立，造成Jacobian矩阵的秩(Rank)会减少，其行列式值(Determinant)为零，使得Jacabian矩阵无反函数，反向运动学无法运算，是为奇异点发生处。

在手臂末端接近奇异点时，微小的位移变化量就会导致某些轴的角度产生剧烈变化，产生近似无限大的角速度，而这在现实世界中是不可能的。

预先将要通过的奇异点标示出来，且机械手臂各路径均设定为等速运动，以方便辨别比较奇异点对机械手臂运动之影响。开始时，机械手臂以等速运动，但当机械手臂接近奇异点时，手臂末端呈现几乎停止的状态下，进行姿态的调整，即为上述的微小位移量造成角度剧烈变化之现象。特别提醒，影片中的运动路径并未真正经过奇异点，只是非常接近，若机械手臂经过奇异点，运动即会停止，并出现错误讯息之提示。

在此给奇异点一个简单的解释，即当机械手臂的其中两个以上的轴共线时，会导致机械手臂发生无法预期的运动状态。

常见的奇异点发生时机

由于奇异点与机械手臂的姿态相关，并不是一个给定的位置，所以要列出所有的奇异点是有难度的，不过在此依照奇异点发生的状况不同，将六轴机械手臂的奇异点分为三个种类：

1.Wrist Singularity (腕关节奇异点)：

当第4轴与第6轴共线，会造成系统尝试著将第4轴与第6轴瞬间旋转180度。

2.Shoulder Singularity (肩关节奇异点)：

当第1轴与腕关节中心C点(第5轴与第6轴之交点)共线，会造成系统尝试将第1轴与第4轴瞬间旋转180度。此类型有个特殊的情况，当第1轴与腕关节中心共线，且与第6轴共线时，会造成系统尝试第1轴与第6轴瞬间旋转180度，称之为Alignment Singularity (对齐奇异点)。

Figure: Shoulder Singularity

Figure: Alignment Singularity

3.Elbow Singularity (肘关节奇异点)：

当腕关节中心C点与第2轴、第3轴共平面时，会造成肘关节卡住，像是被锁住一般，无法再移动。

Figure: Elbow Singularity

以上奇异点之示范影片可参考这裡，影片中以颜色深浅代表轴之角速度，可以明显看出上述发生之角速度瞬间增大之现象。

如何避免奇异点

奇异点常发生于两轴共线时，当机械手臂的轴数量增加时，发生奇异点的位置与机会同时增加。但因为机械手臂的自由度变多，也表示有更多可以避开奇异点的运动路径可以选择。六轴机械手臂拥有六个自由度，可以达到空间中任何位置，而七轴机械手臂就是为了避开奇异点而产生，多一个自由度来增加避开奇异点的路径选择性，也同时可进行複杂度更高的运动，因为这额外的轴，七轴机械手臂又被称作Redundant Robot，

也有人提出将工具与法兰面(Flange)的关系进行调整，当工具的方向平行于法兰面法线方向时，把工具调整一个微小的角度(5°~15°)，可减少运动路径遇到奇异点的机会。虽无法完全避免，但因成本低且可简单地进行测试，不失为一个好方法。

Figure: Add a Small Angels

理论上，机械手臂到达奇异点时角速度无限大，为避免损坏，机械手臂製造商会以软体进行保护，当速度过快时机械手臂停止，并产生错误讯息。使用者也可以限制机械手臂经过奇异点附近时的速度，使其缓慢地通过，避免停机。

Z-Arm S1400

Z-Arm S622

Z-Arm S922

Z-Arm S1400

六轴协作智能机械臂，

        更大负载、更高精度。

有效负载: 10kg | 臂长: 1400mm

重复定位精度: ±0.05mm

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六轴机械臂，

        高度集成、应用广泛。

有效负载: 3kg | 臂长: 622mm

重复定位精度: ±0.02mm

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产品图片

六轴协作机械臂Z-Arm S622Z-Arm S922Z-Arm S1400重量15KG≈22KG≈40KG有效负载3KG5KG10KG工作范围622mm922mm1400mm安装面积φ130mmφ150mmφ190mm关节活动范围
软件限位极限1 轴： ±175°;
2 轴： +85°， -265°;
3 轴： ±150°;
4 轴： + 85°， -265°;
5轴： ±175°;
6轴： ±175°.1 轴： ±175°;
2 轴： +85°， -265°;
3 轴： ±160°;
4 轴： +85°， -265°;
5轴： ±175°;
6轴： ±175°.重复定位精度±0.02mm关节最大速度180°/s控制箱尺寸342*260*90mm (不含凸起物）自由度6控制箱
I/O 端口数字输入： 16;
数字输出： 16;
模拟输入:      2;
模拟输出： 2.末端 I/O 端口模拟输入： 1 ；       模拟输出：1
数字输入：2 ；         数字输出： 2防护等级IP54噪声＜65dB通讯Ethernet, TCP/IP, 485 通信I/O 电源24 / 1.5A协调操作具有碰撞检测功能，允许自定义碰撞等级供电220V / 50Hz使用环境①远离腐蚀性气体、液体及爆炸性气体
②避免设备在电流的不稳定条件下工作
③远离振动，且振动强度不高于0.5G
④避免尘土、烟雾及水温度0~45℃湿度20-80RH (不结露)

生物科技领域

医疗行业

服务运输业

化工业