機(jī)械臂已有70多年歷史，誕生于20世紀(jì)40年代，目前主要應(yīng)用在航天、噴漆、弧焊、醫(yī)療等。從“遨龍一號(hào)”到醫(yī)療領(lǐng)域可見(jiàn)的手術(shù)機(jī)器人，機(jī)械臂都不可或缺，占據(jù)著重要地位。
那么，不同機(jī)械臂是如何實(shí)現(xiàn)控制抓取呢？它與自由度有什么關(guān)系嗎？
針對(duì)機(jī)械臂系統(tǒng)而言，一般機(jī)械臂系統(tǒng)主要由機(jī)械本體系統(tǒng)和控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，對(duì)于機(jī)械臂控制系統(tǒng)而言，一般需要多臺(tái)電機(jī)聯(lián)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。
下面針對(duì)不同類型的機(jī)械臂，了解一下它們的自由度結(jié)構(gòu)。
太空機(jī)械臂
以太空機(jī)械臂為例，一般它分為艙內(nèi)機(jī)械臂和艙外機(jī)械臂兩大類。一般艙內(nèi)機(jī)械臂尺寸不大。對(duì)于艙外機(jī)械臂而言，一般從幾米到幾十米。針對(duì)不同的任務(wù)需求，自由度從5個(gè)到10個(gè)不等。通過(guò)利用機(jī)械臂的定位功能，通過(guò)不同形勢(shì)手爪的使用，可以完成對(duì)于航天器艙內(nèi)和艙外不同目標(biāo)的拾取、搬運(yùn)、定位和釋放。
下面是兩種不同自由度太空機(jī)械臂：
● 歐洲航天局在國(guó)際空間站俄羅斯部分安裝了一個(gè)歐洲機(jī)器人手臂（ERA），該臂長(zhǎng)11m，具有7自由度，對(duì)稱結(jié)構(gòu)。
歐洲機(jī)器人手臂ERA
如上圖，兩端各有一個(gè)手腕，利用兩個(gè)手腕可使機(jī)械臂在空間站上移動(dòng)。
● 加拿大航天局研制的第一代Canadarm機(jī)械臂，首次于1981年搭乘航天飛機(jī)飛上太空。長(zhǎng)15米，具有6個(gè)自由度。
Canadarm機(jī)械臂
工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂
在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，設(shè)計(jì)中一般采取6個(gè)自由度。如下圖機(jī)械臂。
IRB 6400 RF機(jī)械臂
在圖中，前三個(gè)自由度用來(lái)確定位置，后三個(gè)來(lái)確定姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的控制。
手術(shù)機(jī)器人機(jī)械臂
在醫(yī)療領(lǐng)域，不同于普通機(jī)器人機(jī)械臂，手術(shù)機(jī)器人的機(jī)械臂往往需要很高的精度。
下面將側(cè)重談及手術(shù)機(jī)器人機(jī)械臂問(wèn)題，可以讓你快速了解手術(shù)機(jī)器人的具體構(gòu)造和核心技術(shù)。
手術(shù)機(jī)器人的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)械臂必須實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)順滑，能夠快速響應(yīng)指令。一般手術(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)需要根據(jù)手術(shù)環(huán)境來(lái)調(diào)整，這樣才能滿足手術(shù)的不同要求。
下面是三種不同手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，涉及了不同自由度的手術(shù)機(jī)器人機(jī)械臂：
● 1994年，第一代AESOP手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)問(wèn)世，其中AESOP機(jī)械臂具有6個(gè)自由度，需要由醫(yī)生的手或者腳來(lái)控制，獲得腹腔穩(wěn)定的圖像。
AESOP持鏡機(jī)器人系統(tǒng)
● ZEUS 機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)中，每個(gè)機(jī)械臂設(shè)計(jì)具有6+1個(gè)自由度，1個(gè)用于位置優(yōu)化，6個(gè)自由度用于調(diào)整位姿。
ZEUS 機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)
● 達(dá)芬奇外科手術(shù)機(jī)器人的系統(tǒng)中的每一個(gè)機(jī)械臂具有7個(gè)自由度。其中，每個(gè)微器械具有獨(dú)立的4個(gè)自由度，機(jī)械臂提供3個(gè)自由度，這樣器械末端具有7個(gè)自由度。整體來(lái)說(shuō)，其具有很高的靈活性。
達(dá)芬奇 Endo Wrist 仿真機(jī)械手
手術(shù)機(jī)器人機(jī)械臂主要分為肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，一般每個(gè)關(guān)節(jié)都有2個(gè)電機(jī)，分別實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)功能和彎曲功能。
一般來(lái)說(shuō)，隨著機(jī)械臂的自由度增加，運(yùn)動(dòng)靈活性會(huì)增加。但是，自由度卻并非越高越好。一般的專用機(jī)械手只有2～4個(gè)自由度，而通用機(jī)械手則多數(shù)為3～6個(gè)自由度（不包括手指的抓取動(dòng)作）。下面是空間機(jī)械臂、工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂、手術(shù)機(jī)器人機(jī)械臂自由度分析（可包括手指的抓取動(dòng)作）：
