聊聊“机械臂”的二三事

我们常说的机械臂多指形似人类手臂的串联式多自由度机器人。它由多个驱动关节通过机器人本体的机械结构依次串联，机器人的末端可以实现空间的多自由度运动。在末端安装吸盘、机械手、油漆喷嘴等执行器，即可代替人工进行部分高危、高强度的重复工作，现已广泛应用于工业、医疗、教育、娱乐等领域、与我们的生活息息相关。本文将汇总谈及“机械臂”时必将提到的内容。

一、机械臂的“轴”

轴，对应于机械术语中的自由度（Degree of Freedom，DOF），代表了机器人所具有的独立运动坐标轴的数目，通常与机器人使用的电机数量相同。例如七轴机械臂采用7个电机，通过7个独立运动共同驱动机器人工作。常见机械臂的“轴”数多为3-7之间，轴数越多，机器人越灵活，但结构越复杂，成本越高。

ABB公司的六轴机械臂（图片来源：ABB）

（一）四轴机械臂——SCARA机器人

SCARA机器人（Selective Compliance Assembly Robot Arm），也称水平多关节机器人，于1978年由日本山梨大学牧野洋发明。该机器人具备4个独立的驱动关节，包括3个轴线相互平行的旋转关节和1个移动关节。3个旋转关节可让机器人在平面内进行定位和定向，移动关节可使末端完成垂直于平面的直线运动。SCARA机器人结构相对简单，更易于快速运动，适用于快速分拣；在XOY平面具有柔顺性，在Z轴方向具备较好的刚度，也适用于精密装配。

EPSON公司的SCARA机器人

（图片来源：EPSON）

（二）六轴机械臂——最常见的工业机器人

1959年，George Devol和Joseph F·Engelberger发明了世界上第一台工业机器人，功能和人手臂功能相似，并命名为Unimate，意为“万能自动”。生活中最常见的六轴机械臂就是一种典型的工业机器人，在自动搬运、装配、焊接、喷涂等工业现场有着广泛的应用。

在机械结构上，该机器人具备6个独立的驱动关节，第一个驱动关节可模拟人类的腰转动作，第二、三个驱动关节分别模拟大臂和小臂动作，最后的第四、五、六驱动关节可实现人类手腕的功能，运动灵活，可在其工作范围内可以完成任意定位和定向。六轴机械臂具备较好的通用性，在机械臂末端配合安装末端执行器，例如吸盘、夹具、手爪等，可适不同工业流程的需求，目前已是柔性制造和装配生产线的中坚力量。

FANUC公司的大尺寸六轴工业机器人

（图片来源：FANUC）

（三）七轴机械臂——可避障的机器人

七轴机械臂拥有7个独立的驱动关节，可实现人类手臂的最真实还原。六轴机械臂已经可以在空间任意位置和方向进行定位，7自由度机械臂通过加入一个冗余的驱动关节，具备更强的灵活性，实现在固定末端执行器的情况下，调节机械臂形态，可对附近障碍物进行有效避让。冗余的驱动轴使机械臂柔性更强，更适宜于人机交互协作使用。

KUKA公司的LBR iiwa七轴机器人

（图片来源：KUKA）

二、机械臂的核心部件

（一）伺服驱动

伺服，一般表示指令信号和控制结果达到一定程度的近似，被控物体可以依照指令完成运动。机械臂常用伺服驱动包括伺服电机和伺服液压油缸，前者通过旋转或直线编码器对电机输出端的位置进行反馈，后者采用磁致伸缩位移传感器反馈液压缸伸出杆位移，均可实现对位移、速度进行非常准确的闭环控制。

伺服电机驱动的运动精确较高，调速方便，但推力相对较小，提升推力的成本较高。相比之下，伺服液压油缸的响应速度快，推力较大，但系统维护复杂。图中的KUKA工业机器人，采用伺服电机驱动，在负载较大的关节采用了液压油缸平衡负载，优化机器人的体积、负载和控制精度等指标，重复精度±0.08 毫米，最大负载可达1.3吨。

KUKA公司的KR 600工业机器人

（图片来源：KUKA）

（二）减速器

减速器，通常与伺服电动的输出轴相连，降低电机输出端的速度。在伺服电机功率不变的情况，降低电机速度可以提高输出转矩，提高电机的驱动能力。工业机器人中，常用谐波减速器和RV减速器。

1. 谐波减速器

谐波减速器主要包括：刚轮、柔轮和波发生器三部分。刚轮具备内齿，柔轮包含外齿并可沿径向弹性变形，波发生器装在柔轮内部，呈椭圆形，外圈装有滚动轴承。柔轮的外齿数少于刚轮的内齿数。当电机轴带动波发生器连续转动时，会迫使柔轮不断产生变形，产生错齿运动，带动柔轮转动，实现减速输出。

谐波齿轮减速器具有高精度、高承载力等优点，和普通减速器相比，由于使用的材料要少50%，其体积及重量至少减少1/3。谐波减速器的传动比一般位于70-320之间，结构简单，安装方便。但是，谐波减速器的柔轮易疲劳，散热条件不佳，常用于工业机器人负载较小的腕部驱动关节。

谐波减速器

2. RV减速器

RV减速器由第一级渐开线圆柱齿轮行星减速机构和第二级摆线针轮行星减速机构两部分组成。电机轴带动行星减速机构的太阳轮转动，从而带动三个行星轮公转和自转，行星轮带动曲柄轴转动，实现摆线轮的差动齿轮变速。

RV减速器具备较好的疲劳强度、刚度和寿命，适合中、重载荷使用。同时，RV减速器的精度稳定，可避免谐波减速器长期使用后的精度下降，常用于工业机器人腰转、大臂和小臂的驱动关节。但是，RV减速器设计较复杂，制造工艺难度较大。

RV减速器

（三）控制器

控制器可以控制工业机器人在工作空间中的运动位置和姿态、运动轨迹，操作顺序等，需要具有编程快捷、界面友好、使用方便等特点，一般由机器人公司自主设计研发，拥有独立的开发环境和编程语言。目前机器人运动控制器多采用ARM、DSP、POWERPC、Intel等芯片组成，以提供足够的计算和存储能力。通讯常采用基于RS-485和工业以太网的串行总线技术。此外，也有公司会自主研发芯片，以满足性能、价格、接口等方面的特殊要求。目前，具备开放式结构的模块化、标准化机器人控制器是一个发展方向，以功能划分，提供软件和硬件的控制器解决方案。

YASKAWA公司的模块型控制器

（图片来源：安川中国）