機(jī)械臂簡(jiǎn)介

機(jī)械臂是機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的自動(dòng)化機(jī)械裝置。在工業(yè)制造、醫(yī)療、娛樂服務(wù)、軍事、半導(dǎo)體制造、太空探索等領(lǐng)域都可以看到它們的身影。雖然它們的形狀各異，但都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是能夠接收指令并準(zhǔn)確定位三維（或二維）空間中的某一點(diǎn)來執(zhí)行操作。

類型

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，機(jī)械臂分為多關(guān)節(jié)機(jī)械臂、直角坐標(biāo)機(jī)械臂、球坐標(biāo)機(jī)械臂、極坐標(biāo)機(jī)械臂、圓柱坐標(biāo)機(jī)械臂等。右圖為常見的六度機(jī)械臂-自由機(jī)械臂。它由六個(gè)自由度組成：X運(yùn)動(dòng)、Y運(yùn)動(dòng)、Z運(yùn)動(dòng)、X旋轉(zhuǎn)、Y旋轉(zhuǎn)和Z旋轉(zhuǎn)。

機(jī)械臂百科

機(jī)械臂是機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的自動(dòng)化機(jī)械裝置。在工業(yè)制造、醫(yī)療、娛樂服務(wù)、軍事、半導(dǎo)體制造、太空探索等領(lǐng)域都可以看到它們的身影。雖然它們的形狀各異，但都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是能夠接收指令并準(zhǔn)確定位三維（或二維）空間中的某一點(diǎn)來執(zhí)行操作。

類型

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，機(jī)械臂分為多關(guān)節(jié)機(jī)械臂、直角坐標(biāo)機(jī)械臂、球坐標(biāo)機(jī)械臂、極坐標(biāo)機(jī)械臂、圓柱坐標(biāo)機(jī)械臂等。右圖為常見的六度機(jī)械臂-自由機(jī)械臂。它由六個(gè)自由度組成：X運(yùn)動(dòng)、Y運(yùn)動(dòng)、Z運(yùn)動(dòng)、X旋轉(zhuǎn)、Y旋轉(zhuǎn)和Z旋轉(zhuǎn)。

結(jié)構(gòu)形式

水平多關(guān)節(jié)機(jī)械臂一般具有三個(gè)主要自由度，Z1旋轉(zhuǎn)、Z2旋轉(zhuǎn)、Z運(yùn)動(dòng)。通過在執(zhí)行端添加X旋轉(zhuǎn)，Y旋轉(zhuǎn)可以到達(dá)空間中的任意坐標(biāo)點(diǎn)。笛卡爾坐標(biāo)系機(jī)器人手臂具有三個(gè)主要自由度。它由X運(yùn)動(dòng)、Y運(yùn)動(dòng)和Z運(yùn)動(dòng)組成。通過在執(zhí)行端添加X旋轉(zhuǎn)、Y旋轉(zhuǎn)、Z旋轉(zhuǎn)，可以到達(dá)空間中的任意坐標(biāo)點(diǎn)。右圖是常見的結(jié)構(gòu)形式之一。對(duì)于工業(yè)應(yīng)用來說，有時(shí)機(jī)械臂不需要有完整的六個(gè)自由度，而只需一個(gè)或幾個(gè)自由度。直角坐標(biāo)系機(jī)械臂可以由單軸機(jī)械臂組成。單軸機(jī)械臂作為組件廣泛應(yīng)用于工業(yè)中。下圖為單軸機(jī)械臂。單軸機(jī)械臂的組件化大大降低了工業(yè)設(shè)計(jì)成本。由于專業(yè)制造商有良好的質(zhì)量保證和批量生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，因此使用組件比自己設(shè)計(jì)機(jī)械臂更有優(yōu)勢(shì)。常見的正交機(jī)械手組合有懸臂式、龍門式、立式、臥式等多種樣式。對(duì)于半導(dǎo)體制造應(yīng)用，常用的機(jī)械臂用于傳送晶圓，例如下圖所示的雙臂式機(jī)械手。

功能組成

工作臂一般有伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降三種運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)由橫臂和生產(chǎn)立柱完成。手臂的基本功能是將爪子移動(dòng)到需要的位置并承受爪子抓取的工件的最大重量，以及手臂本身的重量等。

手臂由以下幾部分組成： (1)運(yùn)動(dòng)部件。如油缸、氣缸、齒條、凸輪等是驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件。 (2)導(dǎo)向裝置。是為了保證手臂的正確方向并承受工件重量引起的彎矩和扭矩。 （3）武器。起到連接和承受外力的作用。手臂上的零件，如油缸、導(dǎo)桿、控制部件等都安裝在手臂上。另外，根據(jù)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)和工作要求，手臂上一般安裝有管道、冷卻裝置、行程定位裝置和自動(dòng)檢測(cè)裝置。因此，手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、承載能力和運(yùn)動(dòng)精度直接影響機(jī)械手的工作性能。

設(shè)計(jì)要求

1、手臂應(yīng)承載能力大、剛性好、重量輕。手臂的剛性直接影響手臂抓取工件時(shí)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、運(yùn)動(dòng)速度以及定位精度。如果剛性差，會(huì)造成手臂在垂直面內(nèi)的彎曲變形和水平面內(nèi)的側(cè)向扭轉(zhuǎn)變形。手臂會(huì)振動(dòng)，或者工件在運(yùn)動(dòng)過程中被卡住而無法工作。為此，手臂一般采用剛性好的導(dǎo)桿來增加手臂的剛度。各支撐件和連接件的剛度也必須有一定的要求，以保證能承受所需的驅(qū)動(dòng)力。 2、手臂的運(yùn)動(dòng)速度要適當(dāng)，慣性要小。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度一般根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)拍要求來確定，但不宜一味追求高速度。手臂從靜止?fàn)顟B(tài)達(dá)到正常運(yùn)動(dòng)速度開始，并從正常速度減速到停止。速度變化過程就是速度特性曲線。手臂重量輕，啟動(dòng)和停止平穩(wěn)。 3、手臂動(dòng)作要靈活。手臂的結(jié)構(gòu)必須緊湊、小型，這樣手臂的動(dòng)作才能輕便、靈活。在動(dòng)臂上安裝滾動(dòng)軸承或采用滾珠導(dǎo)軌，也可以使臂運(yùn)動(dòng)輕快、平穩(wěn)。另外，對(duì)于懸臂機(jī)械手，還必須考慮零件在手臂上的布置，即計(jì)算移動(dòng)零件時(shí)手臂重量對(duì)旋轉(zhuǎn)、升降、支撐中心的偏心重力矩。重力力矩對(duì)手臂的運(yùn)動(dòng)非常不利。如果重心力矩過大，會(huì)引起手臂振動(dòng)，提升時(shí)會(huì)出現(xiàn)下沉現(xiàn)象。也會(huì)影響動(dòng)作的靈活性。嚴(yán)重時(shí)，手臂和立柱會(huì)卡住。因此，在設(shè)計(jì)手臂時(shí)，盡量使手臂的重心通過旋轉(zhuǎn)中心，或者盡可能靠近旋轉(zhuǎn)中心，以減少偏置力矩。

對(duì)于同時(shí)操作雙臂的機(jī)械臂，兩臂的布置應(yīng)盡可能關(guān)于中心對(duì)稱，以達(dá)到平衡。 4、定位精度高。為了獲得較高的位置精度，機(jī)械臂除了采用先進(jìn)的控制方法外，還注意以下結(jié)構(gòu)問題：（1）機(jī)械臂的剛度、重力矩、慣性力和緩沖效果直接影響機(jī)械臂的位置精度。 (2)增設(shè)定位裝置和行程檢測(cè)機(jī)構(gòu)。 (3)合理選擇機(jī)械手的坐標(biāo)形式。直角坐標(biāo)機(jī)械臂的位置精度較高，其結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)也比較簡(jiǎn)單，誤差較小。由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起的誤差就是放大時(shí)的尺寸誤差。當(dāng)角點(diǎn)位置固定時(shí)，手臂伸得越長(zhǎng)，誤差越大；關(guān)節(jié)機(jī)械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜，手端的定位由各關(guān)節(jié)相互角度決定。該誤差是累積誤差，因此精度較差，位置精度較難保證。 5、通用性強(qiáng)，能夠適應(yīng)多種作業(yè)；工藝優(yōu)良，易于維護(hù)和調(diào)整。上述要求有時(shí)是矛盾的，剛性好，負(fù)載重，往往結(jié)構(gòu)較厚，導(dǎo)桿較多，增加了手臂的重量；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，沖擊力越大，位置精度越低。因此，在設(shè)計(jì)手臂時(shí)，必須綜合考慮機(jī)械手的抓取重量、自由度、工作范圍、運(yùn)動(dòng)速度以及機(jī)械手的整體布局和工作條件等各種因素，做到準(zhǔn)確、可靠、靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、剛度大。它體積大、重量輕，保證了一定的位置精度，適應(yīng)快速運(yùn)動(dòng)。此外，對(duì)于熱處理機(jī)械手來說，還必須考慮熱輻射。手臂必須較長(zhǎng)以遠(yuǎn)離熱源，并且必須配備冷卻裝置。進(jìn)行粉塵作業(yè)的機(jī)械手必須安裝防塵設(shè)施。

工程應(yīng)用

腦控手臂 這種機(jī)械手臂完全由用戶的意念控制，足夠靈巧，無需他人幫助即可拿起玻璃杯喝飲料。該機(jī)械臂是由加州理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)的研究人員團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的，其中神經(jīng)芯片被植入索爾托的后頂葉皮層（PPC）中。這個(gè)機(jī)械臂控制芯片的植入位置與其他控制機(jī)械臂的癱瘓用戶的植入位置不同。通常，這個(gè)控制芯片的植入位置是控制肌肉的大腦區(qū)域，而PPC則是控制我們行動(dòng)意圖的區(qū)域。移動(dòng)，讓Erik Sorto控制的機(jī)械臂移動(dòng)得更加流暢自然。 Erik Sorto 所要做的就是思考他要做什么，經(jīng)過大量練習(xí)，他能夠讓機(jī)械臂執(zhí)行他正在考慮的任務(wù)。 [2]

橡膠機(jī)械臂 科學(xué)家們開發(fā)了一種橡膠機(jī)械臂，可以抓住螞蟻而不是將它們壓死。這種機(jī)械臂目前還處于研發(fā)階段。科學(xué)家將電線浸入液體硅橡膠中，凝固后將電線拉出，得到了一根5-8毫米長(zhǎng)、細(xì)如發(fā)絲的觸手。觸手的內(nèi)部被分成許多小格子，壓縮空氣的流動(dòng)讓它能夠進(jìn)行各種動(dòng)作，讓它能夠毫無傷害地托住螞蟻的腰部。科學(xué)家相信，這種觸手將來會(huì)有很大用處pg網(wǎng)賭軟件下載，不僅可以用來捕捉螞蟻，還可以用來進(jìn)行精密的心臟和胚胎血管手術(shù)。

人的手臂相當(dāng)于一個(gè)有多個(gè)軸的機(jī)械手

人的手臂可以分解為以下幾個(gè)關(guān)節(jié)：肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、手指（不細(xì)分）。

人體上的每個(gè)關(guān)節(jié)都可以抽象為連接關(guān)節(jié)（運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)），也就是常說的機(jī)械關(guān)節(jié)。連接虎鉗可以細(xì)分為很多種，百度百科上有解釋：運(yùn)動(dòng)虎鉗_百度百科 您也可以參考本頁運(yùn)動(dòng)虎鉗及其分類。說到人體的關(guān)節(jié)，你可能只需要了解旋轉(zhuǎn)副即可。畢竟pg電子麻將胡了，我們的身體不能相對(duì)彼此分離（滑動(dòng)）。

旋轉(zhuǎn)副可分為面內(nèi)和空間兩種： 1、面內(nèi)旋轉(zhuǎn)副只有一個(gè)自由度（如電機(jī)轉(zhuǎn)軸或門軸，只能在一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)）方向。正向和反向旋轉(zhuǎn)屬于一個(gè)自由度，而不是兩個(gè)。）

2、空間旋轉(zhuǎn)副具有三個(gè)自由度（如常見的球形鉸鏈，老式電視天線采用球形鉸鏈實(shí)現(xiàn)空間各種姿態(tài)位置的旋轉(zhuǎn)，但實(shí)際上只使用了兩個(gè)自由度）

上面所說的一切無非是試圖說明連接的自由。我們回到正題，數(shù)一下我們的手臂有多少個(gè)自由度：

肩關(guān)節(jié)：事實(shí)上，肩關(guān)節(jié)具有三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，但每個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)范圍有限且不一致。大家可以參考下面這張X光片pg賞金女王單機(jī)版試玩平臺(tái)，確實(shí)是一個(gè)球鉸鏈接。

肘關(guān)節(jié)：肘關(guān)節(jié)實(shí)際上只有兩個(gè)自由度，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)實(shí)際上限制了一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。因?yàn)橹怅P(guān)節(jié)不像肩關(guān)節(jié)那樣是球關(guān)節(jié)，所以肘關(guān)節(jié)實(shí)際上可以看作是兩個(gè)平行的球關(guān)節(jié)。

腕關(guān)節(jié)：兩個(gè)自由度。通過將手掌平放在桌子上，我們實(shí)際上可以在平面上或垂直于桌子上下旋轉(zhuǎn)它們。手腕上的關(guān)節(jié)特別多，用紅線標(biāo)出。

這樣，僅僅靠肩關(guān)節(jié)+肘關(guān)節(jié)+腕關(guān)節(jié)，我們的手臂就已經(jīng)有了7個(gè)自由度。

我們來談?wù)勈种浮Ｊ聦?shí)上，每個(gè)關(guān)節(jié)只算一個(gè)自由度（有些手指關(guān)節(jié)有兩個(gè)自由度）。我們?nèi)祟惖氖直蹖?shí)際上在空間中擁有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過六個(gè)自由度。那么為什么工業(yè)上常見的機(jī)械臂只有六個(gè)自由度呢？

這是因?yàn)閷?shí)現(xiàn)工業(yè)中的每個(gè)自由度都需要基本的運(yùn)動(dòng)子結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置，以及控制邏輯和算法。每增加一個(gè)自由度，難度和成本往往會(huì)增加數(shù)倍。我們實(shí)際的三維空間有六個(gè)自由度，可以到達(dá)三維空間中的任意點(diǎn)（工作范圍內(nèi)）。

那么增加更多的自由度（人手）有什么意義呢？這當(dāng)然有道理。例如，當(dāng)我們手里拿著一杯水時(shí)，我們可以調(diào)整肘關(guān)節(jié)的高度和姿勢(shì)，同時(shí)保持水杯不會(huì)翻倒。畢竟，你也可以在肘關(guān)節(jié)上放一塊板。

機(jī)器人手臂是如何工作的？如何控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)

機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三部分組成。

手是用來抓握工件（或工具）的零件。它根據(jù)被抓取物體的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)和操作要求而具有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持式、握持式和吸附式等。

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使手能夠完成各種旋轉(zhuǎn)（擺動(dòng)）、運(yùn)動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓取物體的位置和姿勢(shì)。

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)方式稱為機(jī)械臂的自由度。為了抓取空間中任意位置和方向的物體，需要 6 個(gè)自由度。自由度是機(jī)械臂設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械臂的靈活性和通用性越大，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。

控制系統(tǒng)通過控制機(jī)械臂各自由度的電機(jī)來完成特定的動(dòng)作。同時(shí)接收傳感器反饋信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制。控制系統(tǒng)的核心通常由單片機(jī)或DSP等微控制器芯片組成，通過對(duì)其進(jìn)行編程來實(shí)現(xiàn)所需的功能。