太空機器人、工業機器人到手術機器人，機械臂自由度為何各不相同？

2018-09-05 16:22來源://

原標題：太空機器人、工業機器人到手術機器人，機械臂自由度為何各不相同？

從太空機器人到醫療領域可見的手術機器人，機械臂都不可或缺，占據著重要地位。那么，不同機械臂是如何實現控制抓取呢？它與自由度有什么關系嗎？

6月25日，中國運載火箭“長征七號”從海南成功發射。值得關注的是，火箭升空后，“長征七號”搭載了“遨龍一號”空間碎片主動清理飛行器。

長征七號運載火箭發射現場（圖片來源：澎湃新聞）

據了解， “遨龍一號” 主要目的是清理太空垃圾。“遨龍一號”上裝載了一臺機械臂，將抓取廢棄衛星和其他大塊碎片，并將它們帶到大氣層進行燒毀。

國產太空機械臂模型（圖片來源：人民網）

據悉，太空機械臂，實現類似人手臂的功能。融合了機械、電子、控制及信息等多學科技術，是一個機、電、熱、控一體化的高度集中的空間機電系統。通過搭載火箭，它能執行空間碎片清理、在軌加注與維修等空間任務。圖中為國產太空機械臂模型，我國已研制出空間機械臂，由一個臂展和6個關節組成，非常靈活，可以全方位進行目標捕獲和操作。

事實上，機械臂已有70多年歷史，誕生于20世紀40年代，目前主要應用在航天、噴漆、弧焊、醫療等。從“遨龍一號”到醫療領域可見的手術機器人，機械臂都不可或缺，占據著重要地位。

那么，不同機械臂是如何實現控制抓取呢？它與自由度有什么關系嗎？

針對機械臂系統而言，一般機械臂系統主要由機械本體系統和控制驅動系統組成，對于機械臂控制系統而言，一般需要多臺電機聯動來實現控制。

下面針對不同類型的機械臂，了解一下它們的自由度結構。

太空機械臂

以太空機械臂為例，一般它分為艙內機械臂和艙外機械臂兩大類。一般艙內機械臂尺寸不大。對于艙外機械臂而言，一般從幾米到幾十米。針對不同的任務需求，自由度從5個到10個不等。通過利用機械臂的定位功能，通過不同形勢手爪的使用，可以完成對于航天器艙內和艙外不同目標的拾取、搬運、定位和釋放。

下面是兩種不同自由度太空機械臂：

● 歐洲航天局在國際空間站俄羅斯部分安裝了一個歐洲機器人手臂（era），該臂長11m，具有7自由度，對稱結構。

歐洲機器人手臂era

如上圖，兩端各有一個手腕，利用兩個手腕可使機械臂在空間站上移動。

● 加拿大航天局研制的第一代canadarm機械臂，首次于1981年搭乘航天飛機飛上太空。長15米，具有6個自由度。

canadarm機械臂

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機械臂

在圖中，前三個自由度用來確定位置，后三個來確定姿態，實現機械臂的控制。

手術機器人機械臂

在醫療領域，不同于普通機器人機械臂，手術機器人的機械臂往往需要很高的精度。

下面將側重談及手術機器人機械臂問題，不妨先看看《帶你走進一款手術機器人，看看它里面有什么門道》，可以讓你快速了解手術機器人的具體構造和核心技術。

手術機器人的機械臂運動過程中，機械臂必須實現平穩順滑，能夠快速響應指令。一般手術機器人結構需要根據手術環境來調整，這樣才能滿足手術的不同要求。

下面是三種不同手術機器人系統，涉及了不同自由度的手術機器人機械臂：

● 1994年，第一代aesop手術機器人系統問世，其中aesop機械臂具有6個自由度，需要由醫生的手或者腳來控制，獲得腹腔穩定的圖像。

aesop持鏡機器人系統

● zeus 機器人手術系統中，每個機械臂設計具有6+1個自由度，1個用于位置優化，6個自由度用于調整位姿。

zeus 機器人手術系統

● 達芬奇外科手術機器人的系統中的每一個機械臂具有7個自由度。其中，每個微器械具有獨立的4個自由度，機械臂提供3個自由度，這樣器械末端具有7個自由度。整體來說，其具有很高的靈活性。

達芬奇 endo wrist 仿真機械手

手術機器人機械臂主要分為肩關節、肘關節和腕關節，一般每個關節都有2個電機，分別實現旋轉功能和彎曲功能。

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