分享最好的机械臂是7个自由度的原因

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七自由度柔性机械臂机构说明.

七自由度柔性机械臂机构说明设计目标由于人工成本的不断提升，人们的刚性需求也不断的扩大，生产自动化越来越被人们所重视。

也是社会发展的必然。

让机器人去完成一些高危、肮脏、重复、精度高的工作。

由此，设计一款高精度，高灵活性的机器臂显得更为重要。

设计的目标：高精度仿人工业机器人。

运用先进的仿生理论与柔性设计为基础，设计开发用二次式运动反馈来实现其高精度控制，合理的仿人机构来完成动动。

机械臂整体设计方案一、功能需求：满足实现模仿人类手臂的基本功能，自由度包括手臂的肩部的抬起，摆动，旋转，肘部的弯曲，腕部的旋转，弯曲，摆动共7个自由度。

（图一）图一图二二、优化后确定的构型：自由度包括手臂的肩部的摆动，抬起，大臂旋转，肘部的弯曲，小臂的旋转，腕部的弯曲，摆动共7个自由度。

（图二）三、驱动模块示意设计：（图三）胡克定律是力学基本定律之一。

适用于一切固体材料的弹性定律，它指出：在弹性限度内，物体的形变跟引起形变的外力成正比。

这样增加了力的反馈测量。

在弹性材料在弹性限度内形变时，测得其形变量，从而计算出受力与关节下方所处的位置。

1.先进行测试图三四、机械臂的具体设计方案，（图四）五、各关节的受力分析：基本尺寸图（图五）图五L1=426mm，L2=293mm，L3=108mm，L4=442mm。

六、马达的初选谐波减速器的优点：Harmonic减速器结构简单，体积小，重量轻、啮合的齿数多、承载能力大、运动精度高、运动平稳、间隙可以调整、传动效率高、同轴性好、可实现向密闭空间传递运动及动力。

瑞士Maxon电机优点：轴向窜动和径向跳动小、温度范围大、回差小等，并且电机型号全编码器与抱闸与控制器配套全面。

瑞士Maxon电机与日本Harmonic谐波减速器选型需求示例图片：图六马达1：EC90flat 90W扭力：4.67 nm 0.387nm；转速：3190rpm；重量：648g减速器1：CSG-25-160 减速比：1:160；最大扭力：314nm；正常：176nm；重量：420g马达2：EC-4pole max30 200W 扭力：3.18 nm 0.112nm；转速：17000rpm；重量：300g减速器2：CSG-25-160 减速比：1:160；最大扭力：314nm；正常：176nm；重量：420g马达3：EC max40 170W 扭力：2.66nm0.16nm；转速：9840rpm；重量：580g减速器3：CSG-17-120 减速比：1:120；扭力最大：112nm；正常：70nm；重量：150g马达4：EC45flat 70W 扭力：0.82nm0.13nm；转速：4840rpm；重量：110g减速器4：CSG-20-160 减速比：1:160；最大扭力：191nm；正常：120nm；重量：280g马达5：EC-4pole max30 100W 扭力：1.24nm 0.0 63nm；转速：17800rpm；重量：210g减速器5：CSD SHD-17-100 减速比：1:100；最大扭力：71nm；正常：37nm；重量：100g 马达6：EC45flat 70W 扭力：0.13 nm 0.17nm；转速：4840rpm重量：110g减速器6：CSF-11-100 减速比：1:100；最大扭力：25nm；正常：11nm；重量：50g马达7：EC-4pole max30 100W 扭力：1.24nm 0.0 63nm；转速：17800rpm；重量：210g减速器7：CSF-11-100 最大扭力：25nm；正常：11nm；重量：50g说明：EC45flat 70W要更换为EC-I40 70W+MR七、受力分析：有效扭力计算公式：(堵转-连续）*0.3+连续质量分配：设大臂小臂均为，外径D=110mm，假设主体为外壁壁厚为L=5mm的铝壳，长度为H=250mm，则体积为：412cm3，铝的密度2.7g／cm3，外壳质量为1.1kg大臂部分质量有马达3（580g）减速器（150g），外壳（1.1kg）；小臂部分有马达4567（110g，210g，110g，210g），减速器4567（280g，100g，50g，50g），外壳（1.1kg）；手部主要是灵巧手的质量设为1kg；外加假设载荷6kg。

为什么好的机械臂有七个自由度而不是六个？

为什么好的机械臂有七个自由度而不是六个？机械臂是一种能够模拟人类手臂运动的机器人，它能够进行各种复杂的动作任务。

机械臂的自由度是指它的运动自由度，包括旋转和移动两种方式。

常见的机械臂在设计时通常有七个自由度，这一设计方案的背后是有很多原因的。

机械臂的自由度定义机械臂的自由度是指它可以进行的自由运动的数量。

我们可以将自由度定义为机械臂末端的每个自由度所需的独立运动参数。

这些参数可以是位置（三个参数确定一个点的位置）、方向（三个参数确定一个矢量）、角度或曲率。

以工业机械臂为例，它的末端可以进行位置移动（三个自由度）、三维旋转（三个自由度）和手掌的张合（一个自由度）。

这样，一个机械臂就可以在三维空间内进行各种操作，例如在工业生产线上抓取物体、搬运货物等。

为什么好的机械臂有七个自由度而不是六个？通常情况下，一个机械臂需要七个自由度来完成运动控制任务。

这一设计方案的主要原因是：在机械臂末端需要完成六个自由度的运动控制，而在机械臂的基座上还需要一个自由度的运动控制。

具体而言，这七个自由度的运动特性分别为：1.基座旋转自由度：机械臂可以绕着固定点进行旋转，固定的点称为基座。

2.肩部旋转自由度：机械臂可以在基座旋转的基础上进行大臂的旋转。

3.肘部旋转自由度：机械臂大臂可以进行肘部的旋转。

4.手腕旋转自由度：机械臂可以在肘部旋转的基础上进行手腕的旋转。

5.左右移动自由度：机械臂可以左右移动。

6.上下移动自由度：机械臂可以进行上下移动。

7.夹取自由度：机械臂末端可以进行手掌的张合。

对于机械臂这种在工业自动化生产中广泛应用的设备，七自由度的设计具有很多优势，例如：1.能够实现更加复杂的任务需求，例如在三维空间内掌握小物品、装配零件等。

2.具有更高的控制精度，这可以在加工、制造等场合中获得更好效果。

3.可以根据不同的操作需求进行调整，例如加装感应器、夹具等设备。

综上所述，把机械臂的自由度设计为七个是在众多机械设计方案中经过长期优化、调节得到的结果，这一设计方案在实际应用中具有广泛的推广性和实用性，因此，七自由度机械臂是一种好的设计方案。

七自由度冗余机械臂避障控制

＊Ｃ０ｒ］ｒｓ０ｇａｕｔｈｏｒ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｕｎｋｕｉ＠ｈｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｅｗｓｃｈｅｍｅｏｆｏｂｓｔａｃｌｅａｖｏｉｄａｎｃｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｅｌｆ－ｍｏｔｉｏｎｏｆａｎｕｌｌｓｐａｃｅｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏ
关键词：自运动；冗余机械臂；避障；动力学控制文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．３７８８／ＯＰＥ．２０１３２１０７．１７９５中图分类号：ＴＰ２４２．６
Ｏｂｓｔａｃｌｅａｖｏｉｄａｎｃｅｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒ７－ＤＯＦｒｅｄｕｎｄａｎｔｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ
ｃｏｎｔｒｏｌ７－ｄｅｇｒｅｅ — ｏｆ－ｆｒｅｅｄｏｍ（ＤＯＦ）ｒｅｄｕｎｄａｎｔｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ．Ｂｙｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇａｎａｒｍｐｌａｎｅａｎｄａｎｏｂ —
ｓｔａｃｌｅａｖｏｉｄａｎｃｅｐｌａｎｅ，ｔｈｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｎｕｌｌｓｐａｃｅｍｏｔｉｏｎｗａｓｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｉｓｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓｗｅｒｅｄｅｔｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅａｒｔｉｆｉｃｉａｌｐｏｔｅｎｔｉａｌｆｉｅｌｄｍｅｔｈｏｄ．Ｗｉｔｈｃｏｍｐｕｔｉｎｇｖｉｒ — ｔｕａｌｒｅｐｕｌｓｉｏｎｆｏｒｃｅｓ，ａｎｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｎｕｌｌｓｐａｃｅｍｏｔｉｏｎｗａｓｄｅｒｉｖｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅｉｎｖｅｒｓｅｄｙｎａｍｉｃｓｃｏｎｔｒｏｌｗｉｔｈａｎｉｎｎｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎｌｏｏｐｗａｓｍｏｄｉｆｉｅｄｔｏａｌｌｏｗｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓｔｏｓｈｏｗｐｈｙｓｉｃａｌｍｅａｎｉｎｇ —

七自由度机器人运动学分析

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机械臂自由度个数的来源是什么？

机械臂自由度个数的来源是什么？在力学里，自由度指的是力学系统的独立坐标的个数。

力学系统由一组坐标来描述。

比如一个质点的三维空间中的运动，在笛卡尔坐标系中，由x,y,z三个坐标来描述；或者在球坐标系中，由α，β，γ三个坐标描述。

描述系统的坐标可以自由的选取，但独立坐标的个数总是一定的，即系统的自由度。

一般而言，N个质点组成的力学系统由3N个坐标来描述。

但力学系统中常常存在着各种约束，使得这3N个坐标并不都是独立的。

对于N个质点组成的力学系统，若存在m个完整约束，则系统的自由度减为S=3N-m。

机器人设计中的机械臂自由度是比较大的，如果采用多舵机提供动力分别传动的话就更复杂了。

现在用的最多的工业机器人一般都是六轴的，但是最近推出来的一些人机协作机械臂却是7个自由度。

为什么呢？因为7个自由度是对人的手臂的真实还原。

6个自由度的机械臂无法在保持末端机构的三维位置不变的情况下从一个构型变换到另一个构型。

可以考虑一个简单的情况：在这张（俯视）图上，一个机器人的手臂由基座、两个关节、两根连接件构成，由图片可知，我们不能把机器人在保持上部末端机构在平面上位置不变的情况下，从“LEFTY”扭到“RIGHTY”。

不管怎么移动关节，末端机构的位置肯定要变。

同样地，一个自由度为6的机械臂，即使某两组构型对应的末端机构的三维位置相同，机械臂在从一个构型移动到另一个构型的时候也无法保持末端机构始终不动。

我们经常会看到工业机器人在同一个位置焊接时，会扭来扭去的，事实上这么做的原因是虽然焊接时只需要改变末端机构的朝向，而不用改变末端机构的位置，但是它必须要往后退一些，通过扭动调整自己的位置，才能保证在移动末端机构朝向的过程中不会撞到东西，因为移动的时候末端机构的三维位置一定会乱动。

而多了一个自由度以后就不一样了。

联想一下我们通过转动手腕从而转动钥匙开门的动作。

那么为什么不再多给我们一些自由度呢？因为自由度越多，机械手刚性越差。

七自由度仿人机械臂设计与分析.pptx

首先对人体上肢运动机理进行研究分析,以人体手臂完成动作类型区分自由度,分析各自由度运动所需的人体上肢骨骼和肌肉。结合机械臂的设计要求,对机械臂各关节进行结构设计,并根据各关节运动特点进行驱动匹配和选型。
对机械臂完成指定任务所需要的传感器进行选配。对液压驱动关节铰接位置参数进行了优化分析,完善了机械臂结构。
最后使用拉格朗日法得到了机械臂的动力学方程,使用ADAMS和 MATLAB联合仿真,将关节转角、角速度与关节力矩建立闭环关系, 建立一个完整虚拟样机完成机械臂的动力学仿真,得到了各关节仿真力矩变化图。

对机械臂进行运动学计算,通过机械臂的D-H参数的确定,建立各关节之间位置关系,完成正逆运动学方程的求解,采用五次多项式插值表示机械臂运动轨迹;基于MATLAB开展仿真分析,验证机械臂运动学理论正逆解,得到机械臂工作空间及到达指定位置机械臂各关节角位移变化,为后续机械臂的动力学分析提供基础。对机械臂关键部件进行拓扑轻量化设计及强度校核,借助ANSYS Workbench平台对机械臂关键部件进行形状拓扑优化设计,对优化前后机械臂关键部件位移变形进行对比分析,并对优化后的结构进行强度校核。
七自由度仿人机械臂设计与分析
在《中国制造2025》趋势的影响下,服务型机器人进入了快速发展的浪潮,其中具有多功能的辅助机械臂逐渐成为极具广阔应用前景的研究热点。本文针对老龄残疾人士及大型工程设备装配两个对象,提出了一种基于人体解剖学的七自由度机械臂的设计方案,解决大型工程设备装配需要多名工程师在相对狭小环境下协同配合及服务老龄残疾人士成本较高的问题,特点在于:(1)全刚体结构的机械臂可以保证末端强稳定性;(2)具有冗余自由度机械臂使得服务老龄残疾人士时,末端固定时其余关节可根据实际空间情况自由活动达到避免碰到受帮助者的目的;(3)同人体上肢相似的尺寸、相似的驱动效果的机械臂可以直接应用在为人类设计的工作场景。

七自由度机械臂KUKAIIWA7可达性分析

臂抓取规划等。为了求解七自由度机械臂的可达性，首先需要实现对六维工作空间的划分，位置工作空间通常可以直接划分为小正方体，使用小正方体体心描述整个正方体的可达性。对于方向的划分，Ｚａｃｈａｒｉａｓ使用对单位球等距离分布点的方法，然后再对球心绕点的转动划分来划分方向工作空间，Ｙａｎｇ对于欧拉角、Ｔ＆Ｔａｎｇｌｅ以及代表刚体旋转的特殊正交群ＳＯ（３）使用不同的参数化方法进行等体积划分，并且对比了三种划分方向空间方法的优劣。
０引言ｋｕｋａ－ｉｉｗａ７作为新一代工业机器人的代表已
经逐步得到工业应用，去完成需要力控操作的应用，如抛光、装配等甚至应用到与人的日常生活中来，为了更好地使用该机械臂，如在安装工件时，确定操作位姿等，可以通过计算可达性去实现。
机械臂的可达性描述的是机械臂末端姿态到达六维工作空间的能力，它通常以可达性图表述，包括了可达的位置空间和可达的方向空间。了解机械臂的可达性有助于完成任务规划和机械臂轨迹规划等工作，好的机械臂可达性有助于完成如打磨、装配等需要时常调整操作姿态的任务。Ｏｌｉｖｅｒ利用机械臂的可达性图确定机械臂在探月车上的安装位姿，Ｖａｈｒｅｎｋａｍｐ通过可达性分析确定年第４５卷第１０期
析法。数值法求解通常需要设定初值，如若初值设定不合理，数值法甚至无法求解到可行解，故不适合用于机械臂可达性计算中来。解析解求法主要跟机械臂构型相关，研究人员针对不同构型的七自由度机械臂逆运动学解析解进行了讨论。Ｓｈｕｍｉｚｕ等和霍希建等针对ＳＲＳ构型（１－３关节与４－７关节轴线交于一点分别组成类似于人的手臂的肩关节和腕关节，４关节类似于人的肘关节）的七自由度机械臂提出添加臂形角（ａｒｍａｎｇｌｅ）约束进行逆运动学求解并建立了关节极限与冗余参数之间的关系用于求解满足关节限位。Ｌｅｅ和Ｂｅｊｃｚｙ提出基于关节参数的解析解求解方法，这种方法可以使用于很多构型，然而如何在考虑关节极限选择关节角参数求解逆解是个难题。

聊聊“机械臂”的二三事

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。

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分享最好的机械臂是7个自由度的原因
现在用的最多的工业机器人，一般都是六轴的，但是最近推出来的人机协作机械臂，却有7个自由度，一直想不明白为什幺。

直到最近看到知乎上的
一个问题：人的手臂（腕关节到肩关节）有几个自由度？才发现，原来7个
自由度是对人手臂的真实还原。

人的手臂（腕关节到肩关节）有几个自由度？我想绝大部分人都没有想过，更别说去了解有哪几个自由度，即使是学工科
的人，也未必能解释清楚。

没想到知乎上居然有人把这个问题回答的这幺专
业有内涵，同时又那幺有哲理，忍不住想要把这个答案分享一下。

回答这个问题的是知乎网友杨硕，答案如下：实话说，我对robot manipulation还是挺熟的，但是楼上几个答案一眼看去都看不懂。

不是黑，而是觉得对非专业人士来说不好理解。

我来尽量用通俗的语言解释一下。

首先，问题的答案是：数一下就行了啊！
7个自由度。

有人问5，6是不是一样的。

5是拧钥匙时唯一要转动的关节，动力来自小臂两根桡骨的扭转；6是把鼠标放在桌面用手转时唯一要转动的
关节，动力来自手腕的旋转。

至于为什幺人手臂是7个自由度，而不是8个也不是6个，可能是因为上。