【E問(wèn)E答】最厲害的機械手臂有幾個(gè)自由度？

　　目前，應用的最多的工業(yè)機器人，一般都是六軸的，但是最近有人機協(xié)作機械臂，卻推出了7個(gè)自由度?哪不一樣了?

　　據稱(chēng)，這7個(gè)自由度是對人手臂的真實(shí)還原。

　　有人問(wèn)5，6是不是一樣的。5是擰鑰匙時(shí)唯一要轉動(dòng)的關(guān)節，動(dòng)力來(lái)自小臂兩根橈骨的扭轉;6是把鼠標放在桌面用手轉時(shí)唯一要轉動(dòng)的關(guān)節，動(dòng)力來(lái)自手腕的旋轉。

　　然而為什么人手臂是7個(gè)自由度，而不是8個(gè)也不是6個(gè)?

　　首先，6個(gè)自由度的機械手，在空間中無(wú)法在保持末端機構的三維位置不變的情況下從一個(gè)構型變換到另一個(gè)構型。

　　在這張圖上，一個(gè)機器人的手臂由基座、兩個(gè)關(guān)節、兩根連接件構成(想象把一個(gè)圓規打開(kāi)，然后把一端用手指捏住)。

　　請問(wèn)我們能夠把機器人在保持上部末端機構在平面上位置不變的情況下，從“lefty”這個(gè)狀態(tài)扭到“righty”這個(gè)狀態(tài)嗎?

　　答案是不行的，不管怎么動(dòng)兩個(gè)關(guān)節，移動(dòng)過(guò)程中末端機構的位置肯定是要變的?？垂僖部梢阅脙筛P在桌子上動(dòng)一動(dòng)試試。

　　同樣地，一個(gè)6自由度的機械手，即使某兩組構型對應的末端機構的三維位置相同，機械手在從一個(gè)構型移動(dòng)到另一個(gè)構型的時(shí)候無(wú)法保持末端機構始終不動(dòng)。

　　如果有人在電視里看過(guò)工業(yè)機器人焊東西的話(huà)，就會(huì )發(fā)現它在同一個(gè)位置焊接的時(shí)候，一會(huì )兒整個(gè)扭到這邊，一會(huì )兒整個(gè)扭到那邊，看起來(lái)非?？犰诺臉幼?。

　　事實(shí)上這么做只是因為，雖然焊接只是想改變末端機構的朝向，而不改變末端機構的位置，但是由于定理的限制，它必須要往后退一些，然后各種扭，才能保證在移動(dòng)末端機構的朝向的過(guò)程中不會(huì )撞到東西，因為移動(dòng)的時(shí)候末端機構的三維位置一定會(huì )亂動(dòng)。如果它能夠隨便轉一點(diǎn)點(diǎn)就可以達到目的，還費那個(gè)力氣酷炫地整體都轉起來(lái)干啥……

　　而多了一個(gè)自由度以后就不一樣了

　　想想開(kāi)門(mén)時(shí)擰鑰匙的動(dòng)作，這個(gè)情況下是人胳膊的末端機構(手)的三維位置沒(méi)有變(始終在鑰匙孔前)，但是末端機構(手)的三維旋轉變了(轉動(dòng)了鑰匙)。人能夠實(shí)現這個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)作，就是因為我們的胳膊有7個(gè)自由度。

　　這也意味著(zhù)，末端機構有6個(gè)自由度(三維位置，三維旋轉)，而胳膊作為一個(gè)機械手，有7個(gè)自由度，這兩個(gè)自由度好像說(shuō)的不是一回事，但是數量上7-6=1，所以這1個(gè)自由度我能拿來(lái)擰鑰匙。

　　如果上帝把我們的胳膊設計成6個(gè)自由度的話(huà)，人擰鑰匙的動(dòng)作一定會(huì )非常浮夸。大家可以在擰鑰匙的時(shí)候不要轉手腕，感受一下。

　　那么為什么不再多給我們一些自由度呢?

　　因為自由度越多，機械手剛性越差。如果我們的胳膊有8個(gè)自由度，那么受傷的概率會(huì )更加很多。雖然沒(méi)有什么生物學(xué)研究證明這一點(diǎn)(世界上沒(méi)有8個(gè)自由度的生物軀體)，但是機器人的研究是可以證明這個(gè)問(wèn)題的。