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：澎湃新闻）

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：人民网）

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。

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舱外不同目标的拾取、搬运、定位和释放。

下面是两种不同自由度太空机械臂：

●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。

IRB6400RF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EndoWrist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）