6月25日,中国运载火箭“长征七号”从海南成功发射。值得关注的是,火箭升空后,“长征七号”搭载了“遨龙一号”空间碎片主动清理飞行器。

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长征七号运载火箭发射现场(图片来源:澎湃新闻)

据了解, “遨龙一号” 主要目的是清理太空垃圾。“遨龙一号”上装载了一台机械臂,将抓取废弃卫星和其他大块碎片,并将它们带到大气层进行烧毁。

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国产太空机械臂模型(图片来源:人民网)

据悉,太空机械臂,实现类似人手臂的功能。融合了机械、电子、控制及信息等多学科技术,是一个机、电、热、控一体化的高度集中的空间机电系统。通过搭载火箭,它能执行空间碎片清理、在轨加注与维修等空间任务。图中为国产太空机械臂模型,我国已研制出空间机械臂,由一个臂展和6个关节组成,非常灵活,可以全方位进行目标捕获和操作。

事实上,机械臂已有70多年历史,诞生于20世纪40年代,目前主要应用在航天、喷漆、弧焊、医疗等。从“遨龙一号”到医疗领域可见的手术机器人,机械臂都不可或缺,占据着重要地位。

那么,不同机械臂是如何实现控制抓取呢?它与自由度有什么关系吗?

针对机械臂系统而言,一般机械臂系统主要由机械本体系统和控制驱动系统组成,对于机械臂控制系统而言,一般需要多台电机联动来实现控制。

下面针对不同类型的机械臂,了解一下它们的自由度结构。

太空机械臂

以太空机械臂为例,一般它分为舱内机械臂和舱外机械臂两大类。一般舱内机械臂尺寸不大。对于舱外机械臂而言,一般从几米到几十米。针对不同的任务需求,自由度从5个到10个不等。通过利用机械臂的定位功能,通过不同形势手爪的使用,可以完成对于航天器舱内和舱外不同目标的拾取、搬运、定位和释放。

下面是两种不同自由度太空机械臂:

● 欧洲航天局在国际空间站俄罗斯部分安装了一个欧洲机器人手臂(ERA),该臂长11m,具有7自由度,对称结构。

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欧洲机器人手臂ERA

如上图,两端各有一个手腕,利用两个手腕可使机械臂在空间站上移动。

● 加拿大航天局研制的第一代Canadarm机械臂,首次于1981年搭乘航天飞机飞上太空。长15米,具有6个自由度。

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Canadarm机械臂

工业机器人机械臂

在工业机器人领域,设计中一般采取6个自由度。如下图机械臂。

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IRB 6400 RF机械臂

在图中,前三个自由度用来确定位置,后三个来确定姿态,实现机械臂的控制。

手术机器人机械臂

在医疗领域,不同于普通机器人机械臂,手术机器人的机械臂往往需要很高的精度。

下面将侧重谈及手术机器人机械臂问题,不妨先看看《带你走进一款手术机器人,看看它里面有什么门道》,可以让你快速了解手术机器人的具体构造和核心技术。

手术机器人的机械臂运动过程中,机械臂必须实现平稳顺滑,能够快速响应指令。一般手术机器人结构需要根据手术环境来调整,这样才能满足手术的不同要求。

下面是三种不同手术机器人系统,涉及了不同自由度的手术机器人机械臂:

● 1994年,第一代AESOP手术机器人系统问世,其中AESOP机械臂具有6个自由度,需要由医生的手或者脚来控制,获得腹腔稳定的图像。

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AESOP持镜机器人系统

● ZEUS 机器人手术系统中,每个机械臂设计具有6+1个自由度,1个用于位置优化,6个自由度用于调整位姿。

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ZEUS 机器人手术系统

● 达芬奇外科手术机器人的系统中的每一个机械臂具有7个自由度。其中,每个微器械具有独立的4个自由度,机械臂提供3个自由度,这样器械末端具有7个自由度。整体来说,其具有很高的灵活性。

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达芬奇 Endo Wrist 仿真机械手

手术机器人机械臂主要分为肩关节、肘关节和腕关节,一般每个关节都有2个电机,分别实现旋转功能和弯曲功能。

一般来说,随着机械臂的自由度增加,运动灵活性会增加。但是,自由度却并非越高越好。一般的专用机械手只有2~4个自由度,而通用机械手则多数为3~6个自由度(不包括手指的抓取动作)。下面是空间机械臂、工业机器人机械臂、手术机器人机械臂自由度分析(可包括手指的抓取动作):

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