我們常說的機(jī)械臂多指形似人類手臂的串聯(lián)式多自由度機(jī)器人,。它由多個(gè)驅(qū)動關(guān)節(jié)通過機(jī)器人本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)依次串聯(lián)，機(jī)器人的末端可以實(shí)現(xiàn)空間的多自由度運(yùn)動,。在末端安裝吸盤,、機(jī)械手、油漆噴嘴等執(zhí)行器,，即可代替人工進(jìn)行部分高危,、高強(qiáng)度的重復(fù)工作，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè),、醫(yī)療,、教育、娛樂等領(lǐng)域,、與我們的生活息息相關(guān),。本文將匯總談及“機(jī)械臂”時(shí)必將提到的內(nèi)容。

一,、機(jī)械臂的“軸”

軸，對應(yīng)于機(jī)械術(shù)語中的自由度（Degree of Freedom,，DOF）,，代表了機(jī)器人所具有的獨(dú)立運(yùn)動坐標(biāo)軸的數(shù)目，通常與機(jī)器人使用的電機(jī)數(shù)量相同,。例如七軸機(jī)械臂采用7個(gè)電機(jī),，通過7個(gè)獨(dú)立運(yùn)動共同驅(qū)動機(jī)器人工作。常見機(jī)械臂的“軸”數(shù)多為3-7之間,，軸數(shù)越多,，機(jī)器人越靈活，但結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,，成本越高,。

ABB公司的六軸機(jī)械臂（圖片來源：ABB）

（一）四軸機(jī)械臂——SCARA機(jī)器人

SCARA機(jī)器人（Selective Compliance Assembly Robot Arm），也稱水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人，于1978年由日本山梨大學(xué)牧野洋發(fā)明,。該機(jī)器人具備4個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動關(guān)節(jié),，包括3個(gè)軸線相互平行的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1個(gè)移動關(guān)節(jié)。3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可讓機(jī)器人在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向,，移動關(guān)節(jié)可使末端完成垂直于平面的直線運(yùn)動,。SCARA機(jī)器人結(jié)構(gòu)相對簡單，更易于快速運(yùn)動,，適用于快速分揀,；在XOY平面具有柔順性，在Z軸方向具備較好的剛度,，也適用于精密裝配,。

EPSON公司的SCARA機(jī)器人

（圖片來源：EPSON）

（二）六軸機(jī)械臂——最常見的工業(yè)機(jī)器人

1959年，George Devol和Joseph F·Engelberger發(fā)明了世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人,，功能和人手臂功能相似,，并命名為Unimate，意為“萬能自動”,。生活中最常見的六軸機(jī)械臂就是一種典型的工業(yè)機(jī)器人,，在自動搬運(yùn)、裝配,、焊接,、噴涂等工業(yè)現(xiàn)場有著廣泛的應(yīng)用。

在機(jī)械結(jié)構(gòu)上,，該機(jī)器人具備6個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動關(guān)節(jié),，第一個(gè)驅(qū)動關(guān)節(jié)可模擬人類的腰轉(zhuǎn)動作，第二,、三個(gè)驅(qū)動關(guān)節(jié)分別模擬大臂和小臂動作,，最后的第四、五,、六驅(qū)動關(guān)節(jié)可實(shí)現(xiàn)人類手腕的功能,，運(yùn)動靈活，可在其工作范圍內(nèi)可以完成任意定位和定向,。六軸機(jī)械臂具備較好的通用性,，在機(jī)械臂末端配合安裝末端執(zhí)行器，例如吸盤,、夾具,、手爪等，可適不同工業(yè)流程的需求,，目前已是柔性制造和裝配生產(chǎn)線的中堅(jiān)力量,。

FANUC公司的大尺寸六軸工業(yè)機(jī)器人

（圖片來源：FANUC）

（三）七軸機(jī)械臂——可避障的機(jī)器人

七軸機(jī)械臂擁有7個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動關(guān)節(jié),，可實(shí)現(xiàn)人類手臂的最真實(shí)還原。六軸機(jī)械臂已經(jīng)可以在空間任意位置和方向進(jìn)行定位,，7自由度機(jī)械臂通過加入一個(gè)冗余的驅(qū)動關(guān)節(jié),，具備更強(qiáng)的靈活性，實(shí)現(xiàn)在固定末端執(zhí)行器的情況下,，調(diào)節(jié)機(jī)械臂形態(tài),，可對附近障礙物進(jìn)行有效避讓。冗余的驅(qū)動軸使機(jī)械臂柔性更強(qiáng),，更適宜于人機(jī)交互協(xié)作使用,。

KUKA公司的LBR iiwa七軸機(jī)器人

（圖片來源：KUKA）

二、機(jī)械臂的核心部件

（一）伺服驅(qū)動

伺服,，一般表示指令信號和控制結(jié)果達(dá)到一定程度的近似,，被控物體可以依照指令完成運(yùn)動。機(jī)械臂常用伺服驅(qū)動包括伺服電機(jī)和伺服液壓油缸,，前者通過旋轉(zhuǎn)或直線編碼器對電機(jī)輸出端的位置進(jìn)行反饋,，后者采用磁致伸縮位移傳感器反饋液壓缸伸出桿位移，均可實(shí)現(xiàn)對位移,、速度進(jìn)行非常準(zhǔn)確的閉環(huán)控制,。

伺服電機(jī)驅(qū)動的運(yùn)動精確較高，調(diào)速方便,，但推力相對較小,，提升推力的成本較高。相比之下,，伺服液壓油缸的響應(yīng)速度快,，推力較大，但系統(tǒng)維護(hù)復(fù)雜,。圖中的KUKA工業(yè)機(jī)器人,，采用伺服電機(jī)驅(qū)動，在負(fù)載較大的關(guān)節(jié)采用了液壓油缸平衡負(fù)載,，優(yōu)化機(jī)器人的體積,、負(fù)載和控制精度等指標(biāo)，重復(fù)精度±0.08 毫米,，最大負(fù)載可達(dá)1.3噸。

KUKA公司的KR 600工業(yè)機(jī)器人

（圖片來源：KUKA）

（二）減速器

減速器,，通常與伺服電動的輸出軸相連,，降低電機(jī)輸出端的速度。在伺服電機(jī)功率不變的情況,，降低電機(jī)速度可以提高輸出轉(zhuǎn)矩,，提高電機(jī)的驅(qū)動能力,。工業(yè)機(jī)器人中，常用諧波減速器和RV減速器,。

1. 諧波減速器

諧波減速器主要包括：剛輪,、柔輪和波發(fā)生器三部分。剛輪具備內(nèi)齒,，柔輪包含外齒并可沿徑向彈性變形,，波發(fā)生器裝在柔輪內(nèi)部，呈橢圓形,，外圈裝有滾動軸承,。柔輪的外齒數(shù)少于剛輪的內(nèi)齒數(shù)。當(dāng)電機(jī)軸帶動波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動時(shí),，會迫使柔輪不斷產(chǎn)生變形,，產(chǎn)生錯(cuò)齒運(yùn)動，帶動柔輪轉(zhuǎn)動,，實(shí)現(xiàn)減速輸出,。

諧波齒輪減速器具有高精度、高承載力等優(yōu)點(diǎn),，和普通減速器相比,，由于使用的材料要少50%，其體積及重量至少減少1/3,。諧波減速器的傳動比一般位于70-320之間,，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便,。但是,，諧波減速器的柔輪易疲勞，散熱條件不佳,，常用于工業(yè)機(jī)器人負(fù)載較小的腕部驅(qū)動關(guān)節(jié),。

諧波減速器

2. RV減速器

RV減速器由第一級漸開線圓柱齒輪行星減速機(jī)構(gòu)和第二級擺線針輪行星減速機(jī)構(gòu)兩部分組成。電機(jī)軸帶動行星減速機(jī)構(gòu)的太陽輪轉(zhuǎn)動,，從而帶動三個(gè)行星輪公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn),，行星輪帶動曲柄軸轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)擺線輪的差動齒輪變速,。

RV減速器具備較好的疲勞強(qiáng)度,、剛度和壽命，適合中,、重載荷使用,。同時(shí)，RV減速器的精度穩(wěn)定,，可避免諧波減速器長期使用后的精度下降,，常用于工業(yè)機(jī)器人腰轉(zhuǎn),、大臂和小臂的驅(qū)動關(guān)節(jié)。但是,，RV減速器設(shè)計(jì)較復(fù)雜,，制造工藝難度較大。

RV減速器

（三）控制器

控制器可以控制工業(yè)機(jī)器人在工作空間中的運(yùn)動位置和姿態(tài),、運(yùn)動軌跡,，操作順序等，需要具有編程快捷,、界面友好,、使用方便等特點(diǎn)，一般由機(jī)器人公司自主設(shè)計(jì)研發(fā),，擁有獨(dú)立的開發(fā)環(huán)境和編程語言,。目前機(jī)器人運(yùn)動控制器多采用ARM、DSP,、POWERPC,、Intel等芯片組成，以提供足夠的計(jì)算和存儲能力,。通訊常采用基于RS-485和工業(yè)以太網(wǎng)的串行總線技術(shù),。此外，也有公司會自主研發(fā)芯片,，以滿足性能,、價(jià)格、接口等方面的特殊要求,。目前,，具備開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器是一個(gè)發(fā)展方向,，以功能劃分,，提供軟件和硬件的控制器解決方案。

YASKAWA公司的模塊型控制器