占地小、质量轻、可弯曲、更灵活的机械手臂

随着科技的高速发展，近年来各行各业都能看见机器人的身影，并逐渐改变着人们的生产与生活。其中，大多数机械臂是由长直管和活动关节的某种组合构成，因为人类的四肢都是以相同的方式构造的，这是巧妙而高效的设计。通过添加更多的管子和关节（或自由度），可以提高机械臂的多功能性，但代价是复杂度、重量和成本的增加。

伦敦帝国理工学院REDS实验室的研究人员，介绍了一种围绕可锻结构而不是刚性结构构建的机器人，无需增加额外度数就能提高手臂的通用性和自由度。该设计使得机械臂不再受制于静态管和关节，而可以重新配置机器人，完全按照所需的方式进行设置，并可以随时随地轻松地对其进行更改。相关研究成果已在2020年ICRA发表，题目为“可锻机器人的设计和工作区表征”。

图片来源：伦敦帝国理工学院

据介绍，该臂可弯曲部分的内部由一层又一层的聚酯薄膜片组成，这些薄片被切成薄片并彼此堆叠，从而使每个薄片与至少11个其他薄片重叠。聚酯薄膜很滑，在大多数情况下，襟翼可彼此平滑移动，从而可以调节手臂的形状。襟翼被密封在乳胶膜之间，当空气从膜之间被抽出时，它们相互向下压使整个结构变硬，将其自身锁定为您放入的任何形状。

该系统的优点在于，它是软机器人和刚性机器人的组合，您可以获得软系统的灵活性（物理的和隐喻的），而不必处理所有的控制问题。其机械比任何一种系统（如混合系统）都更为复杂，但是可以节省成本、缩小尺寸、减轻重量，并减少所需的执行器（往往是故障点）数量。

研究人员指出，大多数串行机器人手臂具有6个或更多的自由度（DoF）（通常是旋转关节），但执行任务通常仅需2个或3个自由度。能够实现灵活性和适应任务但保持低自由度系统的简单机械臂，以及快速开发用于医疗应用的可变刚度连续体机器人，启发了他们发展可延展的机器人的想法。

图片来源：伦敦帝国理工学院

可延展的机械臂可以通过哪些方式提供独特的优势，哪些潜在的应用程序可以利用这些优势？可延展的机器人能够完成多个传统任务，例如拾取和放置或垃圾箱拣选操作，而无需在每个任务中直接使用额外的大量关节，因为可延展的机器人提供了机械臂的灵活性链接。

这使得机械手臂外形尺寸更小，包括机器人的重量和占地面积，以及由于更少的关节构成而降低了动力需求和机器人成本，同时又不牺牲适应性。这使得该机器人成为任何至关重要场景的理想选择，例如在太空机器人中（节省的每1公斤都是至关重要的）或在康复机器人中，降低成本以促进采用。

与传统的万向节之间的刚性链节相比，使用可延展链节的缺点是可延展链节的最大刚度比等效的实心钢制刚性链节要弱得多，这是重点关注的领域之一，因为这将影响机器人运动精度和准确性。

基于此，研究人员创建了现有最大的可变刚度连杆，长度约为800毫米，直径为50毫米，适用于延展性机器人及中小型工作空间。目前，对这种精度的评估结果是较为理想的，但是由于在封装膜弯曲时会产生皱纹，因此可能无法在整个可延展链节上获得均匀的刚度。正如SCARA拓扑结果所证明的那样，这可能会产生轻微的结构变化，从而导致精度的降低。

机器人有什么办法知道自己的形状吗？潜在地，该系统可以以某种方式重新配置自身吗？当前，研究人员使用运动跟踪来计算机器人拓扑，并在机器人的关节上放置标记。通过使用距离几何，可以获取机器人的正向和反向运动学，用来控制机器人的末端执行器（抓爪）。理想情况下，研究人员希望开发出一种不再需要使用运动跟踪摄像机的系统。

图片来源：伦敦帝国理工学院

至于机器人自身的重新配置，研究人员称其为“固有延展性链接”，已经证明了许多控制连续体结构的方法，例如使用正压或通过肌腱线，但是可以实时确定链接的曲率，而不仅仅是关节位置，是解决这一问题的主要障碍。但是，研究人员希望看到可塑性机器人的未来发展可以解决这个问题。

接下来，该研究团队的主要目标是，完善机器人的运动学以提供一个强大而完整的系统，使用户可以协作重塑机器人，同时仍然达到机器人系统预期的精度。当前，可延展的机器人研究还是一个崭新的领域，这为它的进一步开发和优化提供了许多机会。

什么是机械手臂？工业机器人手臂与人形机器人手臂有什么不同

机械手臂，作为现代工业自动化的重要组成部分，已经深入到我们生活的方方面面。从繁忙的工厂生产线到高科技的医疗手术室，机械手臂以其独特的优势和广泛的应用，成为了推动社会进步的重要力量。那么，究竟什么是机械手臂？工业机器人手臂与人形机器人手臂又有哪些不同呢？本文将从专业角度为您深入剖析。

机械手臂

机械手臂，顾名思义，是一种模拟人类手臂结构和功能的机械设备。它通常由执行机构、驱动装置、控制系统以及传感器等组成，能够按照预定的程序或指令完成各种复杂的动作。根据其应用领域和功能特点，机械手臂可以分为工业机械手臂、服务机械手臂和特种机械手臂等多种类型。

工业机械手臂主要用于工业生产过程中的各种作业任务，如焊接、装配、搬运等；服务机械手臂则主要应用于医疗、康复、家庭服务等日常生活领域；特种机械手臂则针对特定需求进行设计，如深海探测、空间探索等。

二、工业机器人手臂的特点与应用

工业机器人手臂作为机械手臂的一种重要类型，在现代工业生产中发挥着举足轻重的作用。它具有以下显著特点：

在应用方面，工业机器人手臂广泛应用于汽车制造、电子产品生产、食品加工等多个行业。例如，在汽车制造过程中，工业机器人手臂可以高效地完成焊接、装配等任务；在电子产品生产中，它们则负责精确的零部件组装和测试；在食品加工领域，工业机器人手臂则确保食品的卫生和安全。

三、人形机器人手臂的特点与应用

人形机器人手臂作为机械手臂的一种特殊类型，其设计灵感来源于人类的生理结构和运动方式。它具有以下独特特点：

在应用方面，人形机器人手臂主要应用于家庭服务、医疗服务、教育等领域。例如，在家庭服务领域，人形机器人手臂可以协助人们完成打扫卫生、照顾老人和儿童等任务；在医疗服务领域，它们则可以协助医生进行手术操作或康复治疗；在教育领域，人形机器人手臂则可以激发孩子们的学习兴趣和创造力。

四、工业机器人手臂与人形机器人手臂的比较

虽然工业机器人手臂和人形机器人手臂都属于机械手臂的范畴，但它们在结构设计、功能特点和应用场景等方面存在显著的差异。

五、未来展望

随着科技的不断进步和创新，机械手臂技术将迎来更加广阔的发展前景。未来，工业机器人手臂将在智能制造、工业4.0等领域发挥更加重要的作用；而人形机器人手臂则将在家庭服务、医疗服务、教育等领域展现出更加广泛的应用潜力。同时，随着人工智能、机器学习等技术的不断发展，机械手臂将具备更加智能化、自主化的特点，为人类带来更加便捷、高效和智能化的生活体验。

总之，机械手臂作为现代科技的重要成果，已经深入到我们生活的方方面面。工业机器人手臂与人形机器人手臂作为机械手臂的两种重要类型，各自展现出了独特的魅力和应用价值。未来，随着技术的不断发展和创新，这两种机器人手臂将在更多领域展现出更加广阔的应用前景和无限可能。

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