最先進(jìn)的人機(jī)協(xié)作機(jī)械臂為什么都是7個(gè)自由度?

現(xiàn)在用的最多的工業(yè)機(jī)器人，一般都是六軸的，但是最近推出來(lái)的人機(jī)協(xié)作機(jī)械臂，卻有7個(gè)自由度，一直想不明白為什么。

直到最近看到知乎上的一個(gè)問(wèn)題：人的手臂（腕關(guān)節(jié)到肩關(guān)節(jié)）有幾個(gè)自由度？

這才知道，原來(lái)7個(gè)自由度是對(duì)人手臂的真實(shí)還原。

人的手臂（腕關(guān)節(jié)到肩關(guān)節(jié)）有幾個(gè)自由度？

絕大部分人都沒(méi)有想過(guò)，更別說(shuō)去了解有哪幾個(gè)自由度，即使是學(xué)工科的人，也未必能解釋清楚。沒(méi)想到知乎上居然有位大佬把這個(gè)問(wèn)題回答的這么專業(yè)有內(nèi)涵，同時(shí)又那么有哲理

回答者是知乎的楊碩大神

實(shí)話說(shuō)，我對(duì)robot manipulation還是挺熟的，但是樓上幾個(gè)答案一眼看去都看不懂。不是黑，而是覺(jué)得對(duì)非專業(yè)人士來(lái)說(shuō)不好理解。我來(lái)盡量用通俗的語(yǔ)言解釋一下。

首先，問(wèn)題的答案是：數(shù)一下就行了?。?/p>

7個(gè)自由度

有人問(wèn)5，6是不是一樣的。5是擰鑰匙時(shí)唯一要轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)，動(dòng)力來(lái)自小臂兩根橈骨的扭轉(zhuǎn)；6是把鼠標(biāo)放在桌面用手轉(zhuǎn)時(shí)唯一要轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)，動(dòng)力來(lái)自手腕的旋轉(zhuǎn)。

至于為什么人手臂是7個(gè)自由度，而不是8個(gè)也不是6個(gè)，可能是因?yàn)樯系鄯浅６?a target="_blank">機(jī)器人控制，下面盡量簡(jiǎn)單地介紹一下。

首先介紹一個(gè)定理：

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

這個(gè)定理乍一看很不好理解，可以考慮一個(gè)更簡(jiǎn)單的情況：

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

請(qǐng)問(wèn)我們能夠把機(jī)器人在保持上部末端機(jī)構(gòu)在平面上位置不變的情況下，從“l(fā)efty”這個(gè)狀態(tài)扭到“righty”這個(gè)狀態(tài)嗎？

答案是不行的，不管怎么動(dòng)兩個(gè)關(guān)節(jié)，移動(dòng)過(guò)程中末端機(jī)構(gòu)的位置肯定是要變的?？垂僖部梢阅脙筛P在桌子上動(dòng)一動(dòng)試試。

同樣地，一個(gè)6自由度的機(jī)械手，即使某兩組構(gòu)型對(duì)應(yīng)的末端機(jī)構(gòu)的三維位置相同，機(jī)械手在從一個(gè)構(gòu)型移動(dòng)到另一個(gè)構(gòu)型的時(shí)候無(wú)法保持末端機(jī)構(gòu)始終不動(dòng)。

如果有人在電視里看過(guò)工業(yè)機(jī)器人焊東西的話，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它在同一個(gè)位置焊接的時(shí)候，一會(huì)兒整個(gè)扭到這邊，一會(huì)兒整個(gè)扭到那邊，看起來(lái)非?？犰诺臉幼印?/p>

事實(shí)上這么做只是因?yàn)?，雖然焊接只是想改變末端機(jī)構(gòu)的朝向，而不改變末端機(jī)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(dòng)末端機(jī)構(gòu)的朝向的過(guò)程中不會(huì)撞到東西，因?yàn)橐苿?dòng)的時(shí)候末端機(jī)構(gòu)的三維位置一定會(huì)亂動(dòng)。如果它能夠隨便轉(zhuǎn)一點(diǎn)點(diǎn)就可以達(dá)到目的，還費(fèi)那個(gè)力氣酷炫地整體都轉(zhuǎn)起來(lái)干啥……

而多了一個(gè)自由度以后就不一樣了。

想想開(kāi)門(mén)時(shí)擰鑰匙的動(dòng)作，這個(gè)情況下是人胳膊的末端機(jī)構(gòu)（手）的三維位置沒(méi)有變（始終在鑰匙孔前），但是末端機(jī)構(gòu)（手）的三維旋轉(zhuǎn)變了（轉(zhuǎn)動(dòng)了鑰匙）。人能夠?qū)崿F(xiàn)這個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)作，就是因?yàn)槲覀兊母觳灿?個(gè)自由度。

說(shuō)到這里，看官可能會(huì)看出來(lái)了，哎我懂了，我的末端機(jī)構(gòu)有6個(gè)自由度（三維位置，三維旋轉(zhuǎn)），而胳膊作為一個(gè)機(jī)械手，有7個(gè)自由度，這兩個(gè)自由度好像說(shuō)的不是一回事，但是數(shù)量上7-6=1，所以這1個(gè)自由度我能拿來(lái)擰鑰匙。

如果上帝把我們的胳膊設(shè)計(jì)成6個(gè)自由度的話，人擰鑰匙的動(dòng)作一定會(huì)非常浮夸。大家可以在擰鑰匙的時(shí)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?yàn)樽杂啥仍蕉?，機(jī)械手剛性越差。如果我們的胳膊有8個(gè)自由度，那么受傷的概率會(huì)更加很多。雖然沒(méi)有什么生物學(xué)研究證明這一點(diǎn)（世界上沒(méi)有8個(gè)自由度的生物軀體），但是機(jī)器人的研究是可以證明這個(gè)問(wèn)題的。

所以7是一個(gè)最好的選擇。不知道圣經(jīng)中把7作為最好最神圣的數(shù)字，一個(gè)星期有七天，和人的胳膊有7個(gè)自由度有沒(méi)有關(guān)系。