機(ji)械臂已有70多年(nian)歷(li)史，誕(dan)生于(yu)20世紀40年(nian)代，目前主要應用在航天、噴漆、弧焊、醫療(liao)等。從“遨龍(long)一號”到(dao)醫療(liao)領域可見的手術機(ji)器人，機(ji)械臂都(dou)不可或缺，占據(ju)著重(zhong)要地(di)位。
那么，不同機械臂是如何(he)實(shi)現控(kong)制(zhi)抓取(qu)呢(ni)？它(ta)與自由度有什么關(guan)系嗎？
針對機(ji)械(xie)臂系(xi)(xi)統而言(yan)，一(yi)般機(ji)械(xie)臂系(xi)(xi)統主要由機(ji)械(xie)本體系(xi)(xi)統和控制(zhi)驅動系(xi)(xi)統組成，對于機(ji)械(xie)臂控制(zhi)系(xi)(xi)統而言(yan)，一(yi)般需(xu)要多臺(tai)電機(ji)聯(lian)動來(lai)實現控制(zhi)。
下面針對不同類(lei)型的機械臂(bei)，了(le)解一(yi)下它們的自由度結構。
太空機械臂
以太空機(ji)(ji)械(xie)臂(bei)為例，一(yi)般它(ta)分為艙(cang)(cang)(cang)內(nei)機(ji)(ji)械(xie)臂(bei)和艙(cang)(cang)(cang)外機(ji)(ji)械(xie)臂(bei)兩(liang)大(da)(da)類。一(yi)般艙(cang)(cang)(cang)內(nei)機(ji)(ji)械(xie)臂(bei)尺寸不(bu)(bu)大(da)(da)。對(dui)于艙(cang)(cang)(cang)外機(ji)(ji)械(xie)臂(bei)而言(yan)，一(yi)般從幾米(mi)(mi)到幾十米(mi)(mi)。針對(dui)不(bu)(bu)同的(de)任務需求(qiu)，自由度(du)從5個到10個不(bu)(bu)等。通(tong)過利用機(ji)(ji)械(xie)臂(bei)的(de)定(ding)位功能，通(tong)過不(bu)(bu)同形勢手(shou)爪的(de)使用，可以完成(cheng)對(dui)于航天器艙(cang)(cang)(cang)內(nei)和艙(cang)(cang)(cang)外不(bu)(bu)同目標的(de)拾(shi)取(qu)、搬運、定(ding)位和釋放(fang)。
下面是兩種不同自由度太(tai)空機械臂：
● 歐洲(zhou)航天局在國際空間站(zhan)俄羅斯部(bu)分(fen)安裝了一個(ge)歐洲(zhou)機器人手(shou)臂（ERA），該臂長11m，具有7自(zi)由度(du)，對(dui)稱(cheng)結構。
歐洲機器人手臂ERA
如上圖，兩端各有一個手腕，利用(yong)兩個手腕可使機械臂在空間(jian)站上移動。
● 加(jia)拿大航(hang)天局研制的第一代Canadarm機械(xie)臂，首(shou)次于(yu)1981年搭乘航(hang)天飛機飛上太空(kong)。長15米，具有(you)6個(ge)自由度。
Canadarm機(ji)械(xie)臂(bei)
工業機器人機械臂
在工業機器人領域，設計中一般采取6個自由度。如下圖機械臂。
IRB 6400 RF機械(xie)臂
在圖(tu)中，前三個自由度用來確定位置，后三個來確定姿態，實現機械(xie)臂的控制。
手術機器人機械(xie)臂
在醫療領(ling)域，不同于普通(tong)機器(qi)人機械臂，手術機器(qi)人的機械臂往往需要很高的精度。
下面(mian)將側重談及手術機器人機械臂(bei)問題，可以讓你快(kuai)速了(le)解手(shou)術(shu)機器人(ren)的具(ju)體構造和核(he)心技術(shu)。
手(shou)術機(ji)器人(ren)的機(ji)械臂(bei)運動過(guo)程中，機(ji)械臂(bei)必須實現平穩順滑，能夠快速響應指令。一般(ban)手(shou)術機(ji)器人(ren)結構(gou)需要根據手(shou)術環境來(lai)調整，這樣(yang)才能滿足手(shou)術的不(bu)同要求。
下面是三種不同(tong)手術機器人系(xi)統，涉及了不同(tong)自由度的手術機器人機械臂：
● 1994年，第一代AESOP手(shou)(shou)術機器人系統問世，其(qi)中AESOP機械臂具有6個自(zi)由(you)(you)度，需要(yao)由(you)(you)醫生的手(shou)(shou)或者腳來控制，獲得腹腔穩定的圖像。
AESOP持鏡機器人系(xi)統
● ZEUS 機器人手(shou)術(shu)系統中，每(mei)個(ge)(ge)機械臂設(she)計具(ju)有6+1個(ge)(ge)自由度，1個(ge)(ge)用于(yu)(yu)位(wei)置(zhi)優化(hua)，6個(ge)(ge)自由度用于(yu)(yu)調整位(wei)姿。
ZEUS 機器人(ren)手術系統
● 達芬奇(qi)外(wai)科手(shou)術(shu)機(ji)器(qi)人的(de)系統中的(de)每一個(ge)機(ji)械臂具(ju)有(you)7個(ge)自(zi)由(you)度。其中，每個(ge)微器(qi)械具(ju)有(you)獨(du)立(li)的(de)4個(ge)自(zi)由(you)度，機(ji)械臂提(ti)供3個(ge)自(zi)由(you)度，這樣器(qi)械末端具(ju)有(you)7個(ge)自(zi)由(you)度。整體來說，其具(ju)有(you)很高的(de)靈活性。
達芬奇 Endo Wrist 仿真機械手
手(shou)術機(ji)器人機(ji)械臂(bei)主(zhu)要(yao)分為肩關(guan)節(jie)、肘關(guan)節(jie)和腕關(guan)節(jie)，一般每個關(guan)節(jie)都有2個電機(ji)，分別實現(xian)旋轉功(gong)能和彎曲(qu)功(gong)能。
一般(ban)來說(shuo)，隨(sui)著機(ji)械(xie)臂的(de)自由(you)度(du)(du)增(zeng)加(jia)，運動靈活性會增(zeng)加(jia)。但是，自由(you)度(du)(du)卻并非(fei)越(yue)高越(yue)好。一般(ban)的(de)專用機(ji)械(xie)手(shou)(shou)只有(you)2～4個自由(you)度(du)(du)，而通用機(ji)械(xie)手(shou)(shou)則多數為3～6個自由(you)度(du)(du)（不包括手(shou)(shou)指的(de)抓取(qu)動作(zuo)）。下面是空間機(ji)械(xie)臂、工業機(ji)器人(ren)機(ji)械(xie)臂、手(shou)(shou)術機(ji)器人(ren)機(ji)械(xie)臂自由(you)度(du)(du)分析（可(ke)包括手(shou)(shou)指的(de)抓取(qu)動作(zuo)）：
