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太空机器人、工业机器人到手术机器人，机械臂自由度为何各不相同？

太空机器人、工业机器人到手术机器人，机械臂自由度为何各不相同？

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原标题：太空机器人、工业机器人到手术机器人，机械臂自由度为何各不相同？

从太空机器人到医疗领域可见的手术机器人，机械臂都不可或缺，占据着重要地位。那么，不同机械臂是如何实现控制抓取呢？它与自由度有什么关系吗？

6月25日，中国运载火箭“长征七号”从海南成功发射。值得关注的是，火箭升空后，“长征七号”搭载了“遨龙一号”空间碎片主动清理飞行器。

长征七号运载火箭发射现场（图片来源：澎湃）

据了解， “遨龙一号” 主要目的是清理太空垃圾。“遨龙一号”上装载了一台机械臂，将抓取废弃卫星和其他大块碎片，并将它们带到大气层进行烧毁。

国产太空机械臂模型（图片来源：人民）

据悉，太空机械臂，实现类似人手臂的功能。融合了机械、电子、控制及信息等多学科技术，是一个机、电、热、控一体化的高度集中的空间机电系统。通过搭载火箭，它能执行空间碎片清理、在轨加注与维修等空间任务。图中为国产太空机械臂模型，我国已研制出空间机械臂，由一个臂展和6个关节组成，非常灵活，可以全方位进行目标捕获和操作。

事实上，机械臂已有70多年历史，诞生于20世纪40年代，目前主要应用在航天、喷漆、弧焊、医疗等。从“遨龙一号”到医疗领域可见的手对宏观经济带来了不肯定和风险术机器人，机械臂都不可或缺，占据着重要地位。

那么，不同机械臂是如何实现控制抓取呢？它与自由度有什么关系吗？

针对机械臂系统而言，一般机械臂系统主要由机械本体系统和控制驱动系统组成，对于机械臂控制系统而言，一般需要多台电机联动来实现控制。

下面针对不同类型的机械臂，了解一下它们的自由度结构。

太空机械臂

以太空机械臂为例，一般它分为舱内机械臂和舱外机械臂两大类。一般舱内机械臂尺寸不大。对于舱外机械臂而言，一般从几米到几十米。针对不同的任务需求，自由度从5个到10个不等。通过利用机械臂的定位功能，通过不同形势手爪的使用，可以完成对于航天器舱内和2期产业园的2条汽车轻量化零部件生产线、4条全自动活塞生产线建成后舱外不同目标的拾取、搬运、定位和释放。

下面是两种不同倒车灯自由镀锌管材度太空机械臂：

● 欧洲航天局在国际空间站俄罗斯部分安装了一个欧洲机器人手臂（era），该臂长11m，具有7自由度，对称结构。

欧洲机器人手臂era

如上图，两端各有一个其动力性能也逐步遭到人们的关注手腕，利用两个手腕可使机械臂在空间站上移动。

● 加拿大航天局研制的第一代canadarm机械臂，首次计划建立无锡石墨烯产业发展现范区和无锡市石墨烯技术及利用研发中心、江苏省石墨烯质量监督检验中心于1981年搭乘航天飞机飞上太空。长15米，具有6个自由度。

canadarm机械臂

工业机器人机械臂

在工业机器人领域，设计中一般采取6个自由度。如下图机械臂。

irb 6400 rf机械臂

在图中，前三个自由度用来确定位置，后三个来确定姿态，实现机械臂的控制。

手术机器人机械臂

在医疗领域，不同于普通机器人机械臂，手术机器人的机械臂往往需要很高的精度。

下面将侧重谈及手术机器人机械臂问题，不妨先看看《带你走进一款手术机器人，看看它里面有什么门道》，可以让你快速了解手术机器人的具体构造和核心技术。

手术机器人的机械臂运动过程中，机械臂必须实现平稳顺滑，能够快速响应指令。一般手术机器人结构需要根据手术环境来调整，这样才能满足手术的不同要求。

下面是三种不同手术机器人系统，涉及了不同自由度的手术机器人机械臂：

● 1994年，第一代aesop手术机器人系统问世，其中aesop机械臂具有6个自由度，需要由医生的手或者脚来控制，获得腹腔稳定的图像。

aesop持镜机器人系统

● zeus 机器人手术系统中，每个机械臂设计具有6+1个自由度，1个用于位置优化，6个自由度用于调整位姿。

zeus 机器人手术系统

● 达芬奇外科手术机器人的系统中的每一个机械臂具有7个自由度。其中，每个微器械具有独立的4个自由度，机械臂提供3个自由度，这样器械末端具有7个自由度。整体来说，其具有很高的灵活性。

达芬奇 endo wrist 仿真机械手

手术机器人机械臂主要分为肩关节、肘关节和腕关节，一般每个关节都有2个电机，分别实滚珠现旋转功能和弯曲功能。

一般来说，随着机械臂的自由度增加，运动灵活性会增加。但是，自由度却并非越高越好。一般的专用机械手只有2～4个自由度，而通用机械手则多数为3～6个自由度（不包括手指的抓取动作）。下面是空间机械臂、工业机器人机械臂、手术机器人机械臂自由度分析（可包括手指的抓取动作）：