今年6月，中國運載火箭“長征七號”從海南成功發(fā)射。值得關(guān)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(fā)射現(xiàn)場

　　據(jù)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(jī)械臂，將抓取廢棄衛(wèi)星和其他大塊碎片，并將它們帶到大氣層進(jìn)行燒毀。

　　

　　國產(chǎn)太空機(jī)械臂模型

　　據(jù)悉，太空機(jī)械臂，實現(xiàn)類似人手臂的功能。融合了機(jī)械、電子、控制及信息等多學(xué)科技術(shù)，是一個機(jī)、電、熱、控一體化的高度集中的空間機(jī)電系統(tǒng)。通過搭載火箭，它能執(zhí)行空間碎片清理、在軌加注與維修等空間任務(wù)。圖中為國產(chǎn)太空機(jī)械臂模型，我國已研制出空間機(jī)械臂，由一個臂展和6個關(guān)節(jié)組成，非常靈活，可以全方位進(jìn)行目標(biāo)捕獲和操作。

　　事實上，機(jī)械臂已有70多年歷史，誕生于20世紀(jì)40年代，目前主要應(yīng)用在航天、噴漆、弧焊、醫(yī)療等。從“遨龍一號”到醫(yī)療領(lǐng)域可見的手術(shù)機(jī)器人，機(jī)械臂都不可或缺，占據(jù)著重要地位。

　　那么，不同機(jī)械臂是如何實現(xiàn)控制抓取呢？它與自由度有什么關(guān)系嗎？

　　針對機(jī)械臂系統(tǒng)而言，一般機(jī)械臂系統(tǒng)主要由機(jī)械本體系統(tǒng)和控制驅(qū)動系統(tǒng)組成，對于機(jī)械臂控制系統(tǒng)而言，一般需要多臺電機(jī)聯(lián)動來實現(xiàn)控制。

　　下面針對不同類型的機(jī)械臂，了解一下它們的自由度結(jié)構(gòu)。

　　太空機(jī)械臂

　　以太空機(jī)械臂為例，一般它分為艙內(nèi)機(jī)械臂和艙外機(jī)械臂兩大類。一般艙內(nèi)機(jī)械臂尺寸不大。對于艙外機(jī)械臂而言，一般從幾米到幾十米。針對不同的任務(wù)需求，自由度從5個到10個不等。通過利用機(jī)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(nèi)和艙外不同目標(biāo)的拾取、搬運、定位和釋放。

　　下面是兩種不同自由度太空機(jī)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(jī)器人手臂（ERA），該臂長11m，具有7自由度，對稱結(jié)構(gòu)。

　　

　　歐洲機(jī)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(jī)械臂在空間站上移動。

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

　　

　　

　　Canadarm機(jī)械臂

　　工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂

　　在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，設(shè)計中一般采取6個自由度。如下圖機(jī)械臂。

　　

　　

　　IRB 6400 RF機(jī)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(tài)，實現(xiàn)機(jī)械臂的控制。

　　手術(shù)機(jī)器人機(jī)械臂

　　在醫(yī)療領(lǐng)域，不同于普通機(jī)器人機(jī)械臂，手術(shù)機(jī)器人的機(jī)械臂往往需要很高的精度。

　　下面將側(cè)重談及手術(shù)機(jī)器人機(jī)械臂問題，不妨先看看《帶你走近一款最先進(jìn)的手術(shù)機(jī)器人 看看它怎么先進(jìn)法》，可以讓你快速了解手術(shù)機(jī)器人的具體構(gòu)造和核心技術(shù)。

　　手術(shù)機(jī)器人的機(jī)械臂運動過程中，機(jī)械臂必須實現(xiàn)平穩(wěn)順滑，能夠快速響應(yīng)指令。一般手術(shù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)需要根據(jù)手術(shù)環(huán)境來調(diào)整，這樣才能滿足手術(shù)的不同要求。

　　下面是三種不同手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，涉及了不同自由度的手術(shù)機(jī)器人機(jī)械臂：

　　● 1994年，第一代AESOP手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)問世，其中AESOP機(jī)械臂具有6個自由度，需要由醫(yī)生的手或者腳來控制，獲得腹腔穩(wěn)定的圖像。

　　

　　AESOP持鏡機(jī)器人系統(tǒng)

　　● ZEUS 機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)中，每個機(jī)械臂設(shè)計具有6+1個自由度，1個用于位置優(yōu)化，6個自由度用于調(diào)整位姿。

　　

　　ZEUS 機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)

　　● 達(dá)芬奇外科手術(shù)機(jī)器人的系統(tǒng)中的每一個機(jī)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(jī)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(dá)芬奇 Endo Wrist 仿真機(jī)械手

　　手術(shù)機(jī)器人機(jī)械臂主要分為肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，一般每個關(guān)節(jié)都有2個電機(jī)，分別實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)功能和彎曲功能。

　　一般來說，隨著機(jī)械臂的自由度增加，運動靈活性會增加。但是，自由度卻并非越高越好。一般的專用機(jī)械手只有2～4個自由度，而通用機(jī)械手則多數(shù)為3～6個自由度（不包括手指的抓取動作）。下面是空間機(jī)械臂、工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂、手術(shù)機(jī)器人機(jī)械臂自由度分析（可包括手指的抓取動作）：