機械臂簡介

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

類型

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

機械臂百科

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

類型

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，機械臂分為多關(guān)節(jié)機械臂、直角坐標機械臂、球坐標機械臂、極坐標機械臂、圓柱坐標機械臂等。右圖為常見的六度機械臂-自由機械臂。它由六個自由度組成：X運動、Y運動、Z運動、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)機械臂一般具有三個主要自由度，Z1旋轉(zhuǎn)、Z2旋轉(zhuǎn)、Z運動。通過在執(zhí)行端添加X旋轉(zhuǎn)，Y旋轉(zhuǎn)可以到達空間中的任意坐標點。笛卡爾坐標系機器人手臂具有三個主要自由度。它由X運動、Y運動和Z運動組成。通過在執(zhí)行端添加X旋轉(zhuǎn)、Y旋轉(zhuǎn)、Z旋轉(zhuǎn)，可以到達空間中的任意坐標點。右圖是常見的結(jié)構(gòu)形式之一。對于工業(yè)應用來說，有時機械臂不需要有完整的六個自由度，而只需一個或幾個自由度。直角坐標系機械臂可以由單軸機械臂組成。單軸機械臂作為組件廣泛應用于工業(yè)中。下圖為單軸機械臂。單軸機械臂的組件化大大降低了工業(yè)設計成本。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，因此使用組件比自己設計機械臂更有優(yōu)勢。常見的正交機械手組合有懸臂式、龍門式、立式、臥式等多種樣式。對于半導體制造應用，常用的機械臂用于傳送晶圓，例如下圖所示的雙臂式機械手。

功能組成

工作臂一般有伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降三種運動。旋轉(zhuǎn)和升降運動由橫臂和生產(chǎn)立柱完成。手臂的基本功能是將爪子移動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)運動部件。如油缸、氣缸、齒條、凸輪等是驅(qū)動手臂運動的部件。 (2)導向裝置。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、導桿、控制部件等都安裝在手臂上。另外，根據(jù)機械手的運動和工作要求，手臂上一般安裝有管道、冷卻裝置、行程定位裝置和自動檢測裝置。因此，手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、承載能力和運動精度直接影響機械手的工作性能。

設計要求

1、手臂應承載能力大、剛性好、重量輕。手臂的剛性直接影響手臂抓取工件時的運動平穩(wěn)性、運動速度以及定位精度。如果剛性差，會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。手臂會振動，或者工件在運動過程中被卡住而無法工作。為此，手臂一般采用剛性好的導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)動力。 2、手臂的運動速度要適當，慣性要小。機械手的運動速度一般根據(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。手臂從靜止狀態(tài)達到正常運動速度開始，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，啟動和停止平穩(wěn)。 3、手臂動作要靈活。手臂的結(jié)構(gòu)必須緊湊、小型，這樣手臂的動作才能輕便、靈活。在動臂上安裝滾動軸承或采用滾珠導軌，也可以使臂運動輕快、平穩(wěn)。另外，對于懸臂機械手，還必須考慮零件在手臂上的布置，即計算移動零件時手臂重量對旋轉(zhuǎn)、升降、支撐中心的偏心重力矩。重力力矩對手臂的運動非常不利。如果重心力矩過大，會引起手臂振動，提升時會出現(xiàn)下沉現(xiàn)象。也會影響動作的靈活性。嚴重時，手臂和立柱會卡住。因此，在設計手臂時，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。

對于同時操作雙臂的機械臂，兩臂的布置應盡可能關(guān)于中心對稱，以達到平衡。 4、定位精度高。為了獲得較高的位置精度，機械臂除了采用先進的控制方法外，還注意以下結(jié)構(gòu)問題：（1）機械臂的剛度、重力矩、慣性力和緩沖效果直接影響機械臂的位置精度。 (2)增設定位裝置和行程檢測機構(gòu)。 (3)合理選擇機械手的坐標形式。直角坐標機械臂的位置精度較高，其結(jié)構(gòu)和運動也比較簡單，誤差較小。由旋轉(zhuǎn)運動引起的誤差就是放大時的尺寸誤差。當角點位置固定時，手臂伸得越長，誤差越大；關(guān)節(jié)機械手結(jié)構(gòu)復雜，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，能夠適應多種作業(yè)；工藝優(yōu)良，易于維護和調(diào)整。上述要求有時是矛盾的，剛性好，負載重，往往結(jié)構(gòu)較厚，導桿較多，增加了手臂的重量；轉(zhuǎn)動慣量越大，沖擊力越大，位置精度越低。因此，在設計手臂時，必須綜合考慮機械手的抓取重量、自由度、工作范圍、運動速度以及機械手的整體布局和工作條件等各種因素，做到準確、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，適應快速運動。此外，對于熱處理機械手來說，還必須考慮熱輻射。手臂必須較長以遠離熱源，并且必須配備冷卻裝置。進行粉塵作業(yè)的機械手必須安裝防塵設施。

工程應用

腦控手臂 這種機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。該機械臂是由加州理工學院等機構(gòu)的研究人員團隊創(chuàng)建的，其中神經(jīng)芯片被植入索爾托的后頂葉皮層（PPC）中。這個機械臂控制芯片的植入位置與其他控制機械臂的癱瘓用戶的植入位置不同。通常，這個控制芯片的植入位置是控制肌肉的大腦區(qū)域，而PPC則是控制我們行動意圖的區(qū)域。移動，讓Erik Sorto控制的機械臂移動得更加流暢自然。 Erik Sorto 所要做的就是思考他要做什么，經(jīng)過大量練習，他能夠讓機械臂執(zhí)行他正在考慮的任務。 [2]

橡膠機械臂 科學家們開發(fā)了一種橡膠機械臂，可以抓住螞蟻而不是將它們壓死。這種機械臂目前還處于研發(fā)階段?？茖W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、細如發(fā)絲的觸手。觸手的內(nèi)部被分成許多小格子，壓縮空氣的流動讓它能夠進行各種動作，讓它能夠毫無傷害地托住螞蟻的腰部。科學家相信，這種觸手將來會有很大用處pg網(wǎng)賭軟件下載，不僅可以用來捕捉螞蟻，還可以用來進行精密的心臟和胚胎血管手術(shù)。

人的手臂相當于一個有多個軸的機械手

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

人體上的每個關(guān)節(jié)都可以抽象為連接關(guān)節(jié)（運動關(guān)節(jié)），也就是常說的機械關(guān)節(jié)。連接虎鉗可以細分為很多種，百度百科上有解釋：運動虎鉗_百度百科 您也可以參考本頁運動虎鉗及其分類。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彼此分離（滑動）。

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

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

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自由度：

肩關(guān)節(jié)：事實上，肩關(guān)節(jié)具有三個旋轉(zhuǎn)自由度，但每個方向的運動范圍有限且不一致。大家可以參考下面這張X光片pg賞金女王單機版試玩平臺，確實是一個球鉸鏈接。

肘關(guān)節(jié)：肘關(guān)節(jié)實際上只有兩個自由度，因為結(jié)構(gòu)實際上限制了一個旋轉(zhuǎn)自由度。因為肘關(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)實際上可以看作是兩個平行的球關(guān)節(jié)。

腕關(guān)節(jié)：兩個自由度。通過將手掌平放在桌子上，我們實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個自由度。

我們來談談手指。事實上，每個關(guān)節(jié)只算一個自由度（有些手指關(guān)節(jié)有兩個自由度）。我們?nèi)祟惖氖直蹖嶋H上在空間中擁有遠遠超過六個自由度。那么為什么工業(yè)上常見的機械臂只有六個自由度呢？

這是因為實現(xiàn)工業(yè)中的每個自由度都需要基本的運動子結(jié)構(gòu)和驅(qū)動裝置，以及控制邏輯和算法。每增加一個自由度，難度和成本往往會增加數(shù)倍。我們實際的三維空間有六個自由度，可以到達三維空間中的任意點（工作范圍內(nèi)）。

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

機器人手臂是如何工作的？如何控制機械手的運動

機械手主要由手部、運動機構(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。

運動機構(gòu)使手能夠完成各種旋轉(zhuǎn)（擺動）、運動或復合運動，以實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓取物體的位置和姿勢。

運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立的運動方式稱為機械臂的自由度。為了抓取空間中任意位置和方向的物體，需要 6 個自由度。自由度是機械臂設計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機械臂的靈活性和通用性越大，其結(jié)構(gòu)也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。

控制系統(tǒng)通過控制機械臂各自由度的電機來完成特定的動作。同時接收傳感器反饋信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常由單片機或DSP等微控制器芯片組成，通過對其進行編程來實現(xiàn)所需的功能。