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(dòng)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(dòng)。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(duì)應(yīng)于機(jī)械術(shù)語(yǔ)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(dòng)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(dòng)共同驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)關(guān)節(jié)可使末端完成垂直于平面的直線運(yùn)動(dòng)。SCARA機(jī)器人結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，更易于快速運(yùn)動(dòng)，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(tái)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(dòng)”。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(dòng)搬運(yùn)、裝配、焊接、噴涂等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)關(guān)節(jié)，第一個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)可模擬人類的腰轉(zhuǎn)動(dòng)作，第二、三個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)分別模擬大臂和小臂動(dòng)作，最后的第四、五、六驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)可實(shí)現(xiàn)人類手腕的功能，運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)附近障礙物進(jìn)行有效避讓。冗余的驅(qū)動(dòng)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(dòng)

伺服，一般表示指令信號(hào)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(dòng)。機(jī)械臂常用伺服驅(qū)動(dòng)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(duì)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(duì)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(dòng)的運(yùn)動(dòng)精確較高，調(diào)速方便，但推力相對(duì)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(dòng)，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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)迫使柔輪不斷產(chǎn)生變形，產(chǎn)生錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)柔輪轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)比一般位于70-320之間，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)關(guān)節(jié)。

諧波減速器

2. RV減速器

RV減速器由第一級(jí)漸開線圓柱齒輪行星減速機(jī)構(gòu)和第二級(jí)擺線針輪行星減速機(jī)構(gòu)兩部分組成。電機(jī)軸帶動(dòng)行星減速機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)三個(gè)行星輪公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，行星輪帶動(dòng)曲柄軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)擺線輪的差動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)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(dòng)位置和姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)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(yǔ)言。目前機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(chǔ)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(huì)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