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【漲姿勢】為什么最好的機械臂是7個自由度,而不是6個?

閱讀次數(shù):4790    2017-07-14 11:09:00


現(xiàn)在用的最多的工業(yè)機器人,一般都是六軸的,但是最近推出來的人機協(xié)作機械臂,卻有7個自由度,一直想不明白為什么。直到最近看到知乎上的一個問題:人的手臂(腕關(guān)節(jié)到肩關(guān)節(jié))有幾個自由度?才發(fā)現(xiàn),原來7個自由度是對人手臂的真實還原。

人的手臂(腕關(guān)節(jié)到肩關(guān)節(jié))有幾個自由度?我想絕大部分人都沒有想過,更別說去了解有哪幾個自由度,即使是學(xué)工科的人,也未必能解釋清楚。沒想到知乎上居然有人把這個問題回答的這么專業(yè)有內(nèi)涵,同時又那么有哲理,忍不住想要把這個答案分享一下。

回答這個問題的是知乎網(wǎng)友楊碩,答案如下:

實話說,我對robot manipulation還是挺熟的,但是樓上幾個答案一眼看去都看不懂。不是黑,而是覺得對非專業(yè)人士來說不好理解。

我來盡量用通俗的語言解釋一下。

首先,問題的答案是:數(shù)一下就行了啊!



7個自由度。

有人問5,6是不是一樣的。5是擰鑰匙時要轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié),動力來自小臂兩根橈骨的扭轉(zhuǎn);6是把鼠標放在桌面用手轉(zhuǎn)時要轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié),動力來自手腕的旋轉(zhuǎn)。



至于為什么人手臂是7個自由度,而不是8個也不是6個,可能是因為上帝非常懂機器人控制,下面盡量簡單地介紹一下。

首先介紹一個定理:

6個自由度的機械手,在空間中無法在保持末端機構(gòu)的三維位置不變的情況下從一個構(gòu)型變換到另一個構(gòu)型。

這個定理乍一看很不好理解,可以考慮一個更簡單的情況:



在這張圖上,一個機器人的手臂由基座、兩個關(guān)節(jié)、兩根連接件構(gòu)成(想象把一個圓規(guī)打開,然后把一端用手指捏?。?。


請問我們能夠把機器人在保持上部末端機構(gòu)在平面上位置不變的情況下,從“l(fā)efty”這個狀態(tài)扭到“righty”這個狀態(tài)嗎?

答案是不行的,不管怎么動兩個關(guān)節(jié),移動過程中末端機構(gòu)的位置肯定是要變的。看官也可以拿兩根筆在桌子上動一動試試。

同樣地,一個6自由度的機械手,即使某兩組構(gòu)型對應(yīng)的末端機構(gòu)的三維位置相同,機械手在從一個構(gòu)型移動到另一個構(gòu)型的時候無法保持末端機構(gòu)始終不動。

如果有人在電視里看過工業(yè)機器人焊東西的話,就會發(fā)現(xiàn)它在同一個位置焊接的時候,一會兒整個扭到這邊,一會兒整個扭到那邊,看起來非??犰诺臉幼印?/span>


事實上這么做只是因為,雖然焊接只是想改變末端機構(gòu)的朝向,而不改變末端機構(gòu)的位置,但是由于定理的限制,它必須要往后退一些,然后各種扭,才能保證在移動末端機構(gòu)的朝向的過程中不會撞到東西,因為移動的時候末端機構(gòu)的三維位置一定會亂動。如果它能夠隨便轉(zhuǎn)一點點就可以達到目的,還費那個力氣酷炫地整體都轉(zhuǎn)起來干啥……

而多了一個自由度以后就不一樣了。

想想開門時擰鑰匙的動作,這個情況下是人胳膊的末端機構(gòu)(手)的三維位置沒有變(始終在鑰匙孔前),但是末端機構(gòu)(手)的三維旋轉(zhuǎn)變了(轉(zhuǎn)動了鑰匙)。人能夠?qū)崿F(xiàn)這個簡單的動作,就是因為我們的胳膊有7個自由度。

說到這里,看官可能會看出來了,哎我懂了,我的末端機構(gòu)有6個自由度(三維位置,三維旋轉(zhuǎn)),而胳膊作為一個機械手,有7個自由度,這兩個自由度好像說的不是一回事,但是數(shù)量上7-6=1,所以這1個自由度我能拿來擰鑰匙。

如果上帝把我們的胳膊設(shè)計成6個自由度的話,人擰鑰匙的動作一定會非常浮夸。大家可以在擰鑰匙的時候不要轉(zhuǎn)手腕,感受一下。

那么為什么不再多給我們一些自由度呢?

因為自由度越多,機械手剛性越差。如果我們的胳膊有8個自由度,那么受傷的概率會更加很多。雖然沒有什么生物學(xué)研究證明這一點(世界上沒有8個自由度的生物軀體),但是機器人的研究是可以證明這個問題的。

所以7是一個很好的選擇。不知道圣經(jīng)中把7作為很好最神圣的數(shù)字、一個星期有七天,和人的胳膊有7個關(guān)節(jié)有沒有關(guān)系。

這個答案是不是專業(yè)有內(nèi)涵,同時又那么通俗易懂,好想跟大神網(wǎng)友說請收下我的膝蓋。。。。

(來源:知乎,版權(quán)歸原作者

 


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