Серийные манипуляторы являются наиболее распространенными промышленными роботами и представляют собой серию звеньев, соединенных моторизованными шарнирами, которые простираются от основания до рабочего органа. Часто у них есть антропоморфная структура рук, описываемая как «плечо», «локоть» и «запястье».
Серийные роботы обычно имеют шесть шарниров, поскольку для размещения манипулируемого объекта в произвольном положении и ориентации в рабочем пространстве робота требуется не менее шести степеней свободы .
Популярным применением серийных роботов в современной промышленности является робот-сборщик , называемый роботом SCARA , который имеет четыре степени свободы.
В самом общем виде серийный робот состоит из ряда жестких звеньев, соединенных шарнирами. Соображения по простоте производства и управления привели к созданию роботов только с вращающимися или призматическими соединениями и ортогональными, параллельными и/или пересекающимися осями соединений (вместо произвольно расположенных осей соединений).
Дональд Л. Пипер получил первый практически значимый результат в этом контексте, [1] названный 321 кинематической структурой : Обратная кинематика серийных манипуляторов с шестью вращающимися шарнирами и тремя последовательными пересекающимися шарнирами может быть решена в замкнутой форме, т.е. аналитически.
Этот результат оказал огромное влияние на проектирование промышленных роботов.
Основным преимуществом серийного манипулятора является большое рабочее пространство относительно размеров робота и занимаемой им площади. Основными недостатками этих роботов являются:
Положение и ориентация рабочего органа робота определяются на основе положений суставов с помощью геометрической модели руки робота. Для серийных роботов сопоставление положений суставов с положением рабочего органа легко, обратное сопоставление сложнее. Поэтому большинство промышленных роботов имеют специальную конструкцию, снижающую сложность обратного отображения.
Достижимая рабочая область рабочего органа робота — это множество достижимых рамок.
Рабочее пространство для ловкости состоит из точек достижимого рабочего пространства, в которых робот может генерировать скорости, охватывающие все касательное пространство в этой точке, т. е. он может перемещать манипулируемый объект с тремя степенями свободы и вращать объект с тремя степенями вращения. свобода.
Отношения между пространством суставов и декартовыми пространственными координатами объекта, удерживаемого роботом, в целом многозначны: одна и та же поза может быть достигнута последовательной рукой разными способами, каждый с разным набором координат суставов. Таким образом, доступное рабочее пространство робота разделено на конфигурации (также называемые режимами сборки), в которых кинематические связи локально взаимно однозначны.
Сингулярность — это конфигурация серийного манипулятора, в которой параметры сустава больше не полностью определяют положение и ориентацию рабочего органа. Особенности возникают в конфигурациях, когда оси суставов совпадают таким образом, что снижается способность руки позиционировать рабочий орган. Например, когда серийный манипулятор полностью выдвинут, он находится в так называемой граничной сингулярности. [2]
В особенности рабочий орган теряет одну или несколько степеней свободы поворота (мгновенно рабочий орган не может двигаться в этих направлениях).
Серийные роботы с менее чем шестью независимыми суставами всегда уникальны в том смысле, что они никогда не смогут охватить шестимерное искривленное пространство. Это часто называют архитектурной особенностью. Сингулярность обычно представляет собой не изолированную точку в рабочем пространстве робота, а подмногообразие.
Резервный манипулятор имеет более шести степеней свободы, а это означает, что он имеет дополнительные параметры суставов [3] , которые позволяют изменять конфигурацию робота, пока он удерживает свой рабочий орган в фиксированном положении и ориентации.
Типичный резервный манипулятор имеет семь суставов, например три в плече, один локтевой сустав и три в запястье. Этот манипулятор может перемещать локоть по кругу, сохраняя при этом определенное положение и ориентацию рабочего органа.
Робот-змея имеет гораздо больше шести степеней свободы, и его часто называют гиперизбыточным.