为什么好的机械臂有七个自由度而不是六个？

2023-03-22 17:26:09 来源：互联网分类：工业机械知识

人的手臂(腕关节到肩关节)有多少自由度？我想大多数人都没有想过，更不用说知道有哪些自由度了。5是转动钥匙时转动的关节，动力来自前臂两个半径的扭转；6是鼠标放在桌面上用手旋转时旋转的关节，动力来自手腕的旋转。至于为什么人类的手臂有七个自由度，而不是八六个，可能是因为非常了解机器人的控制。我们尽量简单介绍一下机械臂。

　　首先，介绍一个机械臂有定理:

　　保持末端机构在空间的三维位置不变的情况下，六自由度机械臂无法从一种构型改变到另一种构型。

　　这个定理乍一看很难理解，所以我们可以考虑一个更简单的情况:

　　机械臂由一个底座、两个关节和两个连接器组成(想象一下打开一个指南针，用手指握住一端)。我们能否在保持上端机构在平面上的位置不变的情况下，将机器人从“左”的状态转到“右”的状态？

　　机械臂

　　答案是否定的，无论两个关节如何运动，运动过程当中末端机构的位置肯定会发生变化。读者也可以尝试用两支笔在桌子上移动。

　　类似地，对于6自由度机械臂，即使某些两组构型对应的末端机构的三维位置相同，机械手在从一种构型移动到另一种构型时也不可保持末端机构不动。

　　如果有人在电视上看过工业机器人焊接东西，会发现焊接在同一个位置时，会转向一边和另一边，看起来很酷。其实这只是因为，虽然焊接只是想改变末端机构的方位，但并不改变末端机构的位置，由于定理的限制，它后退一点，然后以各种方式扭转，以保证它在移动末端机构方位的过程当中不会撞到什么东西，因为末端机构的三维位置在移动时肯定会移动。如果机械臂能稍微随意地转向，机械臂就能实现它的目标，机械臂需要努力才能整体冷静地转向...

　　但多了一个自由度，机械臂就不一样了。

　　想想开门时转动钥匙的动作。在这种情况下，人类手臂的末端机构(手)的三维位置没有改变(总是在钥匙孔的前面)，但是末端机构(手)的三维旋转改变了(转动钥匙)。人们可以实现这个简单的动作，是因为我们的手臂有七个自由度。

　　因为自由度越多，机械臂的刚性就越小。如果我们的手臂有8个自由度，受伤的概率会高很多。虽然没有生物研究证明这一点(世界上没有8自由度的生物体)，但对机器人的研究可以证明这个问题。