機械臂的案例
淺談太空“機械臂”
近日，關于中國空間站機械臂的話題成為了大家討論的熱點，航天員劉在天和核心艙外活動期間，安裝在天和核心艙外的機械臂發揮了重要作用。
眾所周知，在太空極端惡劣的環境下，航天員進行艙外活動十分困難，而機械臂在輔助航天員艙外活動中發揮著至關重要的作用。讓我們來看看機械臂是如何做到助航天員“一臂之力”的……
人類第一款機械臂誕生
自人類開展載人航天活動以來，美國率先提出了空間機器人概念，用于在惡劣的太空環境下，完成航天員難以完成的艙外操作。
空間機器人最主要的應用就是空間機械臂，它集機械、電子、熱控、視覺、動力學等多學科于一體，是一種高端和先進的航天裝備，具有強大的性能和廣闊的應用前景。
雖然美國最早提出創意，但先拔頭籌的卻是加拿大。人類第一種空間機械臂就是由加拿大Spar公司設計制造。1981年，該公司和美國宇航局聯合研制了4套供航天飛機使用的空間機械臂，被稱為加拿大臂。
加拿大臂的重量為410.5公斤，長約15米，由6個控制關節組成。6個自由度的加拿大臂安裝在航天飛機左舷的縱梁上，采用航天員艙內遙控操作方式，用于展開和回收有效載荷，以及協助航天員進行艙外活動。美國航天飛機在維修哈勃望遠鏡的5次任務中，加拿大臂發揮了無可替代的作用。
上世紀80年代，美國提出了自由號空間站項目，并由加拿大負責空間站機械臂研制。該空間站后來衍生為國際空間站，加拿大研制的第二代機械臂就是目前國際空間站上使用的加拿大臂2。
加拿大MDA公司研制的加拿大臂2是目前世界上最先進的空間機械臂之一，它包括活動基座系統MBS，空間站遙控機械臂SSRMS和專用靈巧機械臂SPDM三個部分。
安裝在國際空間站上的加拿大臂2
我們最熟悉的就是俗稱“大臂”的SSRMS。
展開 基于精準碰撞檢測算法的機械臂避障軌跡規劃
包衛衛等通過對6自由的檢修機械臂進行研究，采用AABB包圍盒和圓柱體簡化機械臂模型 [7]。通過對空間線段間的幾種情況進行分析，對機械臂可能發生碰撞的部位進行計算，但該算法耗時巨大。吳長征等采用膠囊體為機器人連桿幾何模型，通過計算兩膠囊體之間的距離進行碰撞檢測 [8]，但是此方法將兩線段最小距離直接簡化為線段端點及兩線段延長為直線后共垂線交點之間的距離，這樣的處理方式忽略了一些可能發生碰撞的問題；王新達等也采用了上述的簡化方法，提出一種針對多自由度機械臂在運動過程中自身發生碰撞的問題 [9]，上述論文均只進行了機械臂碰撞檢測的自檢，未對機械臂在工作環境中的障礙物進行碰撞檢測。
現有的機械臂軌跡規劃主要分為笛卡爾空間軌跡規劃和關節空間軌跡規劃 [10]，兩者各有優缺點，其中笛卡爾空間規劃可以很好的確定機械臂末端執行器的位置，但是笛卡爾軌跡規劃存在計算量大，對芯片的性能要求高；關節空間軌跡規劃在操作時非常簡便，而且可以有效避免機械臂在運動空間中的奇異點，實時性高，計算量小 [11]。針對機械臂避障軌跡規劃需求，本文采用關節空間軌跡規劃。祁若龍、譚燕等均采用遺傳算法搜索中間點的方式進行空間機械臂避障軌跡規劃 [12] [13]，采用中間點的方式進行避障軌跡規劃，使得機械臂在中間點時角速度、角加速度為零，運動不連續。馬宇豪等提出了一種基于六次多項式軌跡規劃的避障算法 [14]，但該算法進行避障類型單一且精度不高，無法完成對多種障礙物類型的避障。江鴻懷提出基于粒子群優化算法的五自由度機械臂軌跡規劃 [15]，該算法對機械臂運動軌跡的長度及角度進行優化，但是粒子群算法容易陷入局部最優，所求解并非最優解。綜上所述，上述均為對存在多種形狀的障礙物的環境進行有效的避障軌跡規劃。本論文提出一種基于精確碰撞檢測的機械臂避障軌跡規劃。
展開 碳纖維機械臂的N種應用場景
3 基于此類機器人的輔助型機械臂很大程度上影響到整個系統的工作性能，因為安裝的位置和服務對象的特殊性，決定了這種機械臂必須具備重量輕、體積小、外觀精致、工作空間大等特點。
工業設備機械臂
1 工業機械臂是集擬人手臂、手腕和手功能為一體的機械電子裝置，它可把任一物件或工具按空間位姿（位置和姿態）和要求進行移動，從而完成某一工業生產的作業要求。
2 按驅動方式分為液壓式、氣動式、電動式，按用途分為搬運機械臂、噴涂機械臂、焊接機械臂、裝配機械臂等。
3 工業機械臂可以代替人的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產率和生產自動化水平。
4 在工業生產中經常出現的笨重工件的搬運和長期、頻繁、單調的操作，或是高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染工作環境下，機械臂的優勢尤為突出。
(來源：中北大學二院團委分科協)
展開 空間站黑科技：核心艙機械臂的詳細科普...
空間站核心艙機械臂由航天科技集團五院抓總研制，是目前同類航天產品中復雜度最高、規模最大、控制精度最高的空間智能機械系統，主要承擔艙段轉位、航天員出艙活動、艙外貨物搬運、艙外狀態檢查、艙外大型設備維護等八大類在軌任務。
核心艙機械臂展開長度為10.2米，未來還可以加長到15米，兩頭都有執行機構，操作的精細程度末端也高達45毫米，可以負載25噸的重物。機械臂不僅有視覺，觸覺，關節，還有自主分析能力。最難的就是連接機構，對接處是需要承重的，而且連接處要解決電力，控制和各種傳感器的連接穩定性和可靠性問題，這才是妥妥的黑科技！
它是一款模仿人類手臂的七自由度機械臂，核心艙機械臂的肩部設置了三個關節、肘部設置了一個關節、腕部設置了三個關節，一共七個關節。每一個關節對應一個自由度，就如同人的手臂一般，為航天員出艙順利開展出艙任務提供了強有力的保證。
中國空間站機械臂具備艙外爬行功能，能夠極大拓展機械臂的工作范圍，能夠艙外爬行，精準對接，足以說明智能化和仿生學水平絕對是世界頂尖的，印證了那句“剪刀手”的操作，也就是說遇到太空垃圾或者報廢衛星，能夠進行捕獲！同時這款機械臂的工作范圍幾乎可以覆蓋整個空間站表面，減少航天員出艙工作的危險！
空間站核心艙機械臂是我國首個可長期在太空軌道運行的機械臂，它能真實模擬人手臂的靈活轉動，在前后左右的任何角度和部位抓取物體，是我國首次實現大型空間機械臂的工程研制產品。
1月6日凌晨，機械臂成功捕獲天舟二號貨運飛船，天舟二號貨運飛船與天和核心艙解鎖分離后，在機械臂拖動下以核心艙節點艙球心為圓心進行平面轉位；接著反向操作，直至貨運飛船與核心艙重新對接并完成鎖緊。
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為什么說AR可視化讓機械臂實驗更高效？
近期，英國帝國理工大學REDS實驗室就進行了這樣一種嘗試，將AR可視化用來規范柔性機械臂的手動設置流程。整個實驗的流程是，戴上HoloLens的實驗員用手勢操作，將虛擬的AR機械臂移動到設定好的位置上，然后再用手將真的機械臂移動到AR的位置，按照虛擬機械臂的形狀去擺放。
如此一來，實驗員可以更準確、直觀的設置柔性機械臂，這與參考2D圖片相比，效率更高，而且誤差也更小。據了解，利用AR來對齊機械臂的平均誤差約為10.54±4.32毫米，比沒有AR輔助的手動對齊誤差更低（高達19.62毫米），說明AR可視化明顯降低了手動調試的誤差。
柔性機械臂實驗痛點
在工業領域，機械臂常用于自動化作業等場景，比如進行自動裝配、噴氣、搬運、焊接等工作。與工業領域常見的關節機器人/多軸機械臂相比，柔性機械臂的優勢在于扭轉方向和程度更靈活，不受關節旋轉角度限制，可彎曲成各種形狀。而且易于定制，適用于制造、航天器維護、損傷復健等場景。
不過，柔性機械臂運動方式更加復雜，其運動軌跡是非線性的，因此需要建立動力學模型來動態控制。此外，柔性機械臂可輔助關節機器人，作為靈活的第三只手臂來進行分擔工作量。
與硬性的關節機械臂相比，柔性機械臂更難操作，尤其是用手動來塑形可能會產生誤差。通常，培訓柔性機械臂的時候需要先手動將它塑造成任務所需的形狀，而在沒有指導的情況下，實驗員很難將機器人配置成準確的形狀。
科研人員表示：多自由度機器人在設計、軌跡規劃和方向控制等方面都存在難度，而這也是許多圍繞機器人設計的實驗中普遍面臨的問題。隨著機器人和計算技術不斷發展，操控機械臂的準確性和可重復性越來越高，不過在一些任務中，需要由人來手動操作機械臂，而這可能會影響任務的準確性。
展開 傳統測試設備的局限與協作機械臂的破局
這不僅要求對機械臂的本體編程有深刻理解，更需要具備豐富的測試測量工程經驗，能夠將各類儀器儀表、傳感器、執行器無縫集成到一個穩定、高效、易用的系統中。
在協作式測試設備的研發與落地中，北京沃華慧通測控技術有限公司憑借深厚的測控技術積累，成為行業核心賦能者。作為專注于智能測控設備研發的高新技術企業，北京沃華慧通測控技術有限公司深度把握協作機械臂的技術特性，構建了 “機械臂 + 專業測控模塊” 的定制化解決方案。
增強現實場景下基于穩態視覺誘發電位的機械臂控制系統
接著，將數據段輸入到分類模型識別受試者的意圖，并將其轉化為機械臂控制指令。
2.2EEG機械臂子系統
機械臂子系統主要包括機械臂、工作區域、目標物及控制主機。機械臂為6自由度機械臂，配有二指夾爪，固定在工作臺的右側。工作區域為一個11×11的矩形棋盤，從機械臂視角看，從左至右為橫軸，從上至下為縱軸。目標物為10顆直徑為2.8cm的黑色小球。
控制主機安裝Ubuntu16.04系統和機器人操作系統(Robot Operating System,ROS)。機械臂的驅動程序和運動控制程序均部署在ROS上。在ROS中，除了機械臂原有的節點外，還包括AR-BCI系統發布的節點，用于向機械臂發送控制命令及接收機械臂狀態信息。
機械臂的路徑規劃采用笛卡兒空間軌跡規劃方法，在輸入機械臂的始末端位置、姿態及沿途經過的路徑點位姿變化后，系統自動規劃機械臂的行動路徑。同時，在機械臂行動過程中，系統通過機械臂相關節點實時獲取當前機械臂的運行速度和位置信息，用以確定夾爪工作的開始時刻。
展開 終于找到了，核心艙機械臂的詳細科普。。。
2021年，空間站核心艙機械臂首次托舉航天員劉伯明到指定位置圓滿完成出艙操作，一時間，這個神器的機械臂徹底 火了。
空間站核心艙機械臂由航天科技集團五院抓總研制，是目前同類航天產品中復雜度最高、規模最大、控制精度最高的空間智能機械系統，主要承擔艙段轉位、航天員出艙活動、艙外貨物搬運、艙外狀態檢查、艙外大型設備維護等八大類在軌任務。
核心艙機械臂展開長度為10.2米，最多能承載25噸的重量，是空間站型號任務中的“大力士”。
空間站機械臂并非單一的專業產品，而是融合了機、電、熱、控制、光學等多個專業。
據介紹，它是一款模仿人類手臂的七自由度機械臂，核心艙機械臂的肩部設置了三個關節、肘部設置了一個關節、腕部設置了三個關節，一共七個關節。
每一個關節對應一個自由度，就如同人的手臂一般，為航天員出艙順利開展出艙任務提供了強有力的保證。
空間站核心艙機械臂具備“爬行”功能，肩部與腕部各安裝了一個末端執行器，作為機器臂的觸手，實現在艙體上的爬行轉移。
空間站核心艙機械臂是我國首個可長期在太空軌道運行的機械臂，它能真實模擬人手臂的靈活轉動，在前后左右的任何角度和部位抓取物體，是我國首次實現大型空間機械臂的工程研制產品。
展開 軟體機械臂仿生機理、驅動及建模控制研究發展綜述
軟體機器人的設計靈感主要來源于模仿自然界軟體生物，其中，模仿象鼻、章魚觸手等結構的機械臂式軟體機器人，因其能夠適應復雜狹窄的環境，并且進行柔順、安全的目標抓持與操作任務，是軟體機器人目前熱門研究方向之一。軟體機械臂在工業生產、宇航作業，助老助殘、醫療康復，微創手術，復雜環境搜索與探測等領域具有廣闊的應用前景，近年來引起國內外學者和研究機構的廣泛關注，并取得一定進展，如Festo公司的仿生象鼻機器人、圣安娜高等學校研究的仿章魚軟體機械臂、歐盟資助的“FP7 STIFF-FLOP計劃”醫療機械臂、斯坦福大學的仿植物“生長型”軟體機器人等。
章魚臂肌肉結構圖
軟體機械臂的發展涉及仿生學，軟材料科學和機器人學等學科，目前在柔性材料、機器人建模與仿真、傳感與控制、多學科交叉應用等方向也面臨諸多挑戰。哈爾濱工業大學的閆繼宏、石培沛、張新彬、趙杰在《機械工程學報》2018年15期發表的《軟體機械臂仿生機理、驅動及建模控制研究發展綜述》一文中，將從仿生原理及應用、驅動方式、變剛度方式、建模與控制等方面對軟體機械臂的近期研究現狀進行論述，探討軟體機械臂技術研究中的難點、目前存在的問題及未來可能的發展趨勢。
總結與展望
軟體機械臂是軟體機器人領域的一個重要分支，拓展了傳統機械臂的研究方向和應用領域，其研究涉及材料學、仿生、機械設計和制造、傳感器技術等多學科交叉融合。
展開 中國空間站機械臂到底有多牛？這一連串動作太酷了！
進入空間站后，神州十二飛行乘組需要進行長達6、7個小時的出艙活動，其中一個考驗是，三個航天員需要一起配合進行機械臂的使用。這個堪比“變形金剛”的“大力神臂”一亮相便驚艷了眾多海外網友
首先，該機械臂工作時最長長度可達18米左右、直徑約4米左右，可以在太空抓取物體，方便設備的對接、安裝、變軌、分離等操作。這對大型機械臂是我國首個具有七個自由度的機械臂，它采用了“肩部3關節+肘部1關節+腕部3關節”的配置方案，肩部與腕部關節配置相同，意味著機械臂兩端活動功能一致，從而在太空可以實現類似人類手臂的運動能力。
七個自由度意味著什么？據中國電科21所專家說，這是對人類手臂的最真實還原，是我國目前智能程度最高、難度最大、系統最復雜的空間智能制造系統，最大承載能力25噸。
▲機械臂爬行示意圖
核心艙機械臂通過末端執行器與目標適配器之間的對接與分離，類似于木工常用的榫卯結構，可實現艙體爬行功能，以一種類似蠕蟲的運動方式移動到空間站的許多部分，進而在更大范圍觸達空間站各艙體外表面。
機械臂具備艙體爬行功能，并實現艙外狀態監視。當機械臂轉位實驗艙時，可開展空間站建造任務。
▲機械臂輔助太空行走
此外，機械臂可捕獲來訪懸停飛行器、轉移貨運飛船載荷、進行空間站艙表狀態檢查、輔助航天員出艙活動，并可與實驗艙實現機械臂級聯組合。
展開 庫卡、ABB等12家機械臂3D打印解決方案
這可以通過大型機器實現，尤其是那些使用 FDM 的機器，同時機械臂也為用戶提供了許多優勢。機器人手臂手不僅可以憑借其長距離臂進行大規模打印，而且由于其多軸以及制造部件通常不需要支撐結構這一事實，它還可以實現更大的自由度。
盡管制造機械臂的制造商屈指可數，但它們已被 3D 打印制造商用于聚合物和金屬增材制造解決方案。在本期文章中，南極熊匯總目前市場上的13個機械臂制造商和改裝解決方案。
原始機械臂制造商
庫卡（KUKA）
德國公司 KUKA 無疑是自動化市場的領導者之一，它提供的機器人使電子、汽車和醫療保健行業能夠簡化其制造流程。KUKA 開發了適用于增材制造的解決方案。因此，在許多機器人 3D 打印機上找到 KUKA 品牌也就不足為奇了，無論是用于設計金屬、塑料甚至是混凝土部件。一個例子是KR QUANTEC 系列機械臂，它提供的機器范圍為2,671—3,904mm，負載能力為120—300公斤。
△KR QUANTEC機械臂配備了一個噴嘴，用于為 Besix3D 公司擠出混凝土（圖片來源：KUKA）
ABB
ABB 集團是一家生產機械臂的跨國公司，包括用于3D 打印的機械臂。他們的機器人產品組合多種多樣，有不同類型的工業機器人來滿足消費者的需求。他們的 RobotStudio? 程序是世界上最受歡迎的機器人應用離線編程和仿真工具。據該公司稱，通過其解決方案，用戶可以釋放靈活性并將其業務生產力提升到一個新的水平。他們甚至能夠設計機器人以滿足自己獨特的需求，尤其是在增材制造方面。正如下圖所示，ABB 六軸工業機器人被 Massive Dimension 使用，該公司致力于可持續發展3D打印行業的發展。
展開 
中國航天科技集團初步掌握空間機械臂關鍵技術 可用于捕捉衛星
中國航天科技集團公司一院18所完成了空間機械臂的詳細方案設計及單關節的裝配調試，標志著該所已初步掌握空間機械臂設計、制造、試驗的關鍵技術。
報道稱，空間機械臂類似人手臂的功能，是先進的機電一體化高集成產品，它融合了機械、電子、控制及信息等多學科技術，通過搭載火箭，能執行空間碎片清理、在軌加注與維修等空間任務。
現在，該所已實現空間機械臂的機電一體化設計，并可進行微重力環境下的地面模擬試驗。后續，該所將針對空間機械臂的控制方法進行深入研究，使其能夠準確進行目標的捕獲。
據悉，該所此次研制的空間機械臂由一個臂展和6個關節組成 ，非常靈活，可以全方位進行目標捕獲和操作。目前，世界上很多國家都在致力于空間機械臂技術的研究。該所掌握該技術為一院拓展在軌空間技術服務等領域奠定了技術基礎。
國產空間機械臂（資料圖）
國防科技信息網9月5日也曾報道，近期，中國航天科技集團公司一院研發中心致力于“空間碎片清理技術”的研究，將推動我國實現“空間碎片”的清理。
報道稱，“空間碎片”是指由航天器、運載器進入空間產生的、繞地球軌道運行的一切無功能人造物體，包括失效衛星、火箭末級及分離物等。機構兼空間碎片協調委員會研究結果顯示，即使人類不再發射衛星，原有的空間碎片也會不斷分解，空間碎片的數量依然會不斷增加，這樣會給未來空間的可持續利用和發展帶來潛在威脅。因此，對“空間碎片”進行清理是全人類共同的責任。
目前，研發中心利用“機械臂”和“視覺導航系統”進行了仿真試驗驗證，可以實現模擬空間碎片的探測識別和捕獲，后續還將進行演示驗證試驗。
展開 基于模仿學習和強化學習的機械臂運動技能獲取
以 Actor-Critic 算法為主體結構搭建了機械臂強化學習模型，結合設計的獎賞函數學習優化技能策略。
圖2 強化學習部分訓練過程
最后，針對上述方法搭建了相應的實驗平臺。實驗平臺的硬件系統包括 UR5 機械臂、氣動二指手抓、Kinect V2 深度攝像頭等；軟件系統由ROS 機器人操作系統、MoveIt!運動規劃庫、Matlab、pytorch神經網絡框架等組成。設置了堆疊積木任務和 Pick and Place任務，驗證了本文RGBD-ID 方法、模仿學習模型和強化學習模型用于機械臂獲取運動技能的有效性和可行性。
圖3 機器人堆積木模仿學習過程
3、研究結論
針對機器人智能化的需求，進行了基于模仿學習和強化學習的機械臂運動技能獲取的研究。提出了一種人-圖像交互式示教方法，一種基于 LSTM 神經網絡的模仿學習框架，開展了機械臂強化學習獲取技能的工作。針對工作過程中出現的問題，不斷遞進的提出解決方案。最終，通過堆疊積木任務和 Pick and Place 任務驗證了方法的有效性，提高了機械臂的學習能力。
展開 基于粒子群優化算法的六自由度機械臂三維空間避障規劃
摘要：本研究旨在解決機械臂在復雜環境中避障路徑規劃的問題。本文提出了一種利用粒子群優化算法（PSO）進行機械臂避障規劃的方法，通過建立機械臂的運動模型，將避障問題轉化為優化問題。PSO算法通過模擬群體中個體的社會行為和個體行為來尋找到最佳路徑，確保機械臂在避開障礙物的同時，能夠高效地到達目標位置。研究表明，基于PSO算法的避障規劃在收斂速度和路徑優化上具有良好的性能，能夠有效提高機械臂的操作效率和安全性。此方法在工業機器人、醫療設備和服務機器人等領域具有廣泛的應用前景。
關鍵詞：粒子群優化算法，六自由度機械臂，三維空間，避障規劃，路徑優化，機器人技術
參考文獻：
[1]朱戰霞,靖颯,仲劍飛,等.基于碰撞檢測的空間冗余機械臂避障路徑規劃[J].西北工業大學學報, 2020, 38(1)
:8.DOI:CNKI:SUN:XBGD.0.2020-01-023.
[2]馬宇豪.六自由度機械臂避障軌跡規劃及控制算法研究[D].中國科學院大學[2024-06-08].
圖1 六自由度機械臂三維空間避障規劃示意圖
基于粒子群優化算法的三維避障路徑規劃
1.1 路徑規劃問題描述
路徑規劃是指在已知環境信息的情況下，確定從起始點到目標點的最優路徑，并且該路徑不能與環境中的障礙物相交。具體來說，假設環境內存在多個障礙物，路徑規劃的目標是找到一條從起始點到目標點的最短路徑，同時確保該路徑避開所有障礙物。
如圖2所示，在一個三維空間中，有若干障礙物分布在路徑上。需要通過路徑規劃算法計算出一條從起始點到目標點的最短路徑，并且該路徑不與任何障礙物發生碰撞。這種路徑規劃在機器人導航、自動駕駛和工業自動化等領域中具有重要應用。圖1展示了一個典型的三維空間避障路徑規劃問題。
展開 利用LabVIEW和SolidWorks改進機械臂設計流程
在裝配組件之后，我們無需修改運行仿真的軟件，就可以操作最終實現的機械臂，這在Square One的歷史上是第一次。在早期和SolidWorks匯編模塊一起實現運動控制軟件，大大提高了設計流程的效率，我們還實現了在軟件開發設計中包含機械團隊的目標。
