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【兆恒機(jī)械】從太空機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人到手術(shù)機(jī)器人,機(jī)械臂自由度為何各不相同?

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  • 添加日期:2022年09月09日

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(shí)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(shí)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(yùn)、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)。

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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。

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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。

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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(shí)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,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(yùn)動過程中,機(jī)械臂必須實(shí)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。

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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。

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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(dú)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。

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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(shí)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(yùn)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):

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