干货分享 | 看机械手臂如何解放人类双手

移动机器人作为通用的移动平台，往往需要搭载各类执行机构（如机械臂、机械手等）完成一定的操作任务。例如，将机械臂装载于移动机器人上就构成了“移动-操作复合机器人”，从而可以同时完成移动和抓取任务。对于不同的应用场合，执行机构可以是机电系统、液压系统、气动系统中的一种或是把它们结合起来应用的综合系统：

（1）机电执行机构：采用直流伺服电机、交流伺服电机或步进电机作为动力源，具有精确度高、动态特性好、结构紧凑等优点，其缺点是功率密度低、大推力时成本高、易发热。

（2）液压执行机构：采用液压泵(齿轮泵、叶片泵、柱塞泵和螺杆泵)、液压站等作为动力源，具有机构惯量小、输出功率大、可实现无极调速等优点，其缺点是加工难度大、抗污染能力差、维护成本高。

（3）气动执行机构：采用洁净、干燥、具有稳定压力和足够流量的压缩空气作为动力源，其优点是动作速度快、能量损失小、维护简单，其缺点是控制精度不高、稳定性较差、噪声大。

一、机械臂

机械臂是多输入多输出、高精度、高度非线性的复杂机电系统。其主要性能指标包括：自由度数量、最大臂展、工作空间、负载自重比等。

机械臂最早应用于工业机器人，走过了从第一代示教机械臂、第二代感知机械臂到第三代智能机械臂的发展历程。

（1）第一代机械臂，即示教机械臂，这类机械臂以示教/再现的方式（Teaching/Playback）的进行工作。这种工作方式只能按照事先示教的位置和姿态进行重复的动作，而对周围环境无感觉的功能，其应用范围受到一定的限制。

（2）第二代机械臂，即感知机械臂，这类机械臂具有如视觉、力觉、触觉等外部感觉功能的机械臂。这种机械臂由于具有外部的感觉功能，因此可以根据外界的情况修改自身的动作，从而完成较为复杂的作业。

（3）第三代机械臂，即智能机械臂，这类机械臂除了具有外部感觉功能外，还具有规划和决策的功能。从而可以适应因为环境的变化而自主进行的工作。智能机械臂目前还处于研究阶段，距离实际应用还有一段距离。

机械臂的分类方法很多，主要包括：

（1）按用途分为：工业机械臂、服务机械臂、空间机械臂、医疗机械臂等；

（2）按尺寸分为：小型机械臂、中型机械臂、大型机械臂；

（3）按自由度数分为：两自由度机械臂、三自由度机械臂、四自由度机械臂、五自由度机械臂、六自由度机械臂、七自由度机械臂等；

（4）按关节连接方式分为：串联机械臂、并联机械臂、混联机械臂；

（5）按坐标形式划分：直角坐标机械臂、圆柱坐标机械臂、球面坐标机械臂、关节坐标机械臂（水平关节式、垂直关节式）、混合坐标机械臂等。

其中，关节型机械臂是使用最多的一种机械臂类型，其特点是结构紧凑、空间占用小、工作空间较大、通用性强，还能绕过基座周围的一些障碍物。移动机器人搭载的关节型机械臂通常是具有3~7个自由度的轻量型机械臂，在人机协作等场景还需要机械臂具有力/力矩检测能力，以确保人机协作的安全性。

二、机械手

机械手是一种能模仿人手某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，构造和性能上兼有人手灵活性和机械高效性的优点。

机械手最早应用在工业机器人上，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，至少需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数，自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。

机械手的种类，主要包括：

（1）按驱动方式可分为：液压式、气动式、电动式、机械式机械手；

（2）按适用范围可分为：专用机械手、通用机械手；

（3）按运动轨迹控制方式可分为：点位控制、连续轨迹控制机械手等。

机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。

机械手一般需要与机械臂联合使用，可弥补机械臂自由度的不足，扩大机械臂的工作空间。另一方面，机械手的配备增加了机械臂的末端负载，使机械臂的实际负载能力下降。因此，在机械臂与机械手的选配上，应从工作空间、末端负载、操作灵活性等方面加以综合考虑，才能组合出最适宜的机械手臂。