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前言：近年來(lái)，隨著服務(wù)機(jī)器人的興起，機(jī)械臂也正走進(jìn)我們的日常生活，服務(wù)機(jī)器人在應(yīng)用場(chǎng)景和服務(wù)方式上會(huì)繼續(xù)細(xì)分，深入各個(gè)領(lǐng)域，比工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用前景更為廣闊，行業(yè)規(guī)?；?qū)⒏?。而?/span>近年來(lái)出現(xiàn)了一些低成本的、小型的、“桌面版”的機(jī)械臂的產(chǎn)品，相信這將是服務(wù)機(jī)器人的一個(gè)重要方向！

說(shuō)起機(jī)械臂，你可能想到是這樣的：

在昨天，絕大多數(shù)機(jī)械臂的應(yīng)用領(lǐng)域是在工廠，例如在汽車(chē)工廠中的點(diǎn)焊和噴漆、化學(xué)和制藥工廠中的包裝和填充、以及核電站等高危環(huán)境下的工作。這些機(jī)械臂粗壯有力，但略顯笨重，大多被關(guān)在籠子里從事簡(jiǎn)單的重復(fù)性工作。

不同于標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)機(jī)器人，只承擔(dān)生產(chǎn)制造任務(wù)，服務(wù)機(jī)器人的下游應(yīng)用眾多，所承擔(dān)的作用也只有一條——服務(wù)全人類，除了生產(chǎn)制造工作。

簡(jiǎn)單思考之后，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，世界機(jī)器人產(chǎn)業(yè)如同一幅水墨畫(huà)，工業(yè)機(jī)器人佇立著，以顯性的海拔占據(jù)全球制造業(yè)，而服務(wù)機(jī)器人則以一種包容、廣闊的形態(tài)，涌入生活里的每一條支流。

近年來(lái)，隨著服務(wù)機(jī)器人的興起，大家也希望機(jī)械臂也能走進(jìn)我們的日常生活來(lái)。于是便有了低成本的、小型的、所謂的“桌面版”機(jī)械臂的產(chǎn)品。

今天的機(jī)械臂是這樣的：

至于做什么用呢？撿個(gè)銀行卡、寫(xiě)個(gè)情書(shū)、切個(gè)菜……（編輯快快補(bǔ)充！）那就需要你自己開(kāi)腦洞了，很多小伙伴說(shuō)“精度差、速度慢、力量小、然并卵?。　?“精度差、速度慢、力量小”相對(duì)于幾十萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)的工業(yè)機(jī)器人確實(shí)如此，但我認(rèn)為桌面版畢竟不是用來(lái)干體力活的，人家是用來(lái)開(kāi)腦洞的，那就需要設(shè)計(jì)算法啊、練編程啊！神馬？不會(huì)？慢走不送。。。。。。神馬？需要送送？那就繼續(xù)下面的小科普吧。

機(jī)械臂由很多連桿（?屬桿），和關(guān)節(jié)（電動(dòng)軸樞）構(gòu)成。典型的機(jī)械臂有?個(gè)基座、?個(gè)末端執(zhí)?器（例如夾鉗、吸盤(pán)或?筆啥的）和它們之間的六個(gè)連桿和關(guān)節(jié)，這樣機(jī)械臂可以在其活動(dòng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意的三維位置和朝向（位姿）。?前zekeep機(jī)器人的控制還是直接控制各個(gè)關(guān)節(jié)的電機(jī)，這個(gè)?較簡(jiǎn)單，但其實(shí)你真正需要的是將末端的夾持器移動(dòng)到期望的位置，如拿起遠(yuǎn)處的某?物體。

但問(wèn)題來(lái)了，1—5號(hào)電機(jī)?個(gè)個(gè)靠?動(dòng)控制，極其繁瑣??！現(xiàn)在?個(gè)解決辦法,第?步，操作者抓著機(jī)械臂的末端，放到期望位置上，并在控制臺(tái)按下操作按鈕記錄下此時(shí)機(jī)械臂的位姿，按順序記錄的?系列位姿隨后?作機(jī)器?編程的參考點(diǎn)，例如撿——放任務(wù)中的重復(fù)性動(dòng)作。機(jī)械臂會(huì)記憶住關(guān)節(jié)的?度和位置，并?動(dòng)編程，然后再重復(fù)實(shí)現(xiàn)，這就是小型機(jī)械臂的示教演示，可以很方便讓新手更快的上手使用小型機(jī)械臂，可以省去很多學(xué)習(xí)的時(shí)間成本。

關(guān)于小型機(jī)械臂未來(lái)，為了我們能更好的利用機(jī)械臂，還需要深入學(xué)習(xí)和了解高科技用處。

1、提高馬達(dá)技術(shù)

馬達(dá)當(dāng)前是機(jī)械臂的一個(gè)瓶頸，不僅力量小，還成本高，顯著影響了機(jī)械臂的最終成本。

馬達(dá)和生物系統(tǒng)里的關(guān)節(jié)和肌肉的工作機(jī)制截然不同有關(guān)。我們?nèi)祟惖氖直坳P(guān)節(jié)既輕又極具彈性。每個(gè)關(guān)節(jié)的柔韌度和肌肉的硬度是可以控制的，因此在擊劍運(yùn)動(dòng)中，你能夠在招架的同時(shí)保持肌肉的放松，輕易地將手中的花劍移至側(cè)面；或者是在扳腕較量中使胳膊上的肌肉變硬，保持牢固不被扳倒。我們的關(guān)節(jié)的活動(dòng)速度也非常快。相比之下，電機(jī)是笨重、高能耗、僵硬的。如果你給電機(jī)增加齒輪箱，便能夠增大輸出扭矩，但同時(shí)也降低了轉(zhuǎn)動(dòng)速率，而且使輸出軸難以被轉(zhuǎn)動(dòng)——不花點(diǎn)力氣你就無(wú)法用手扭動(dòng)機(jī)械臂，無(wú)法用手轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪箱的輸出軸。如果你制作小型機(jī)械臂時(shí)內(nèi)置輕型電機(jī)，即使機(jī)械臂和人的胳膊一樣輕，機(jī)械臂也完全不可能舉起一個(gè)咖啡杯。并且這個(gè)任務(wù)對(duì)于要求能夠在家里扶老人下床，協(xié)助他們?nèi)バl(wèi)生間的機(jī)器人就太過(guò)簡(jiǎn)單了，機(jī)器人要完成這些動(dòng)作必須同時(shí)具備柔韌性、彈性以及相當(dāng)大的力度。

有一段時(shí)間，很多人認(rèn)為機(jī)器人馬達(dá)的未來(lái)應(yīng)該是像人的肌肉那樣工作的系統(tǒng)，鎳鈦合金金屬肌肉纖維技術(shù)被譽(yù)為下一個(gè)革命性的進(jìn)步。這種金屬纖維能夠隨著電流變化而伸展收縮，人們?cè)O(shè)計(jì)了巧妙的裝置來(lái)使多簇同類的纖維平行工作用來(lái)負(fù)重，以及將其活動(dòng)范圍從幾毫米擴(kuò)展至幾厘米以及更長(zhǎng)距離。然而，整體能源效率和疲勞度方面的挑戰(zhàn)將這種金屬肌肉纖維的應(yīng)用縮小局限在某些領(lǐng)域，譬如醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域。在這個(gè)領(lǐng)域，嚴(yán)格受控的環(huán)境可令其工作地非常理想。

盡管如此，最近新型馬達(dá)的設(shè)計(jì)工作在高動(dòng)態(tài)、可控馬達(dá)方面已經(jīng)有所成就。研究者們正在開(kāi)發(fā)一種將電機(jī)和可調(diào)節(jié)彈簧整合起來(lái)的關(guān)節(jié)，這一整套的系統(tǒng)能夠能精巧地應(yīng)對(duì)外來(lái)沖擊力。更為精巧的馬達(dá)已經(jīng)具備了內(nèi)置的壓力感知，而且它能夠?qū)崿F(xiàn)極為快速的控制，馬達(dá)的電子器件能感知作用在馬達(dá)上的外部壓力并對(duì)這些壓力做出實(shí)時(shí)反應(yīng)以輸出任意期望的剛度和韌度?？傆幸惶?，這將使機(jī)械臂能夠與人進(jìn)行有力而又安全的握手、折紙、甚至是在保持蛋黃完整的前提下打破雞蛋。馬達(dá)之所以得以進(jìn)步，其中一個(gè)原因是雖然它們本身并不遵循摩爾定律，但卻得益于不斷進(jìn)步的嵌入式控制電路和軟件，這樣摩爾定律可以通過(guò)另一條途徑影響未來(lái)馬達(dá)技術(shù)。

2、基于學(xué)習(xí)的機(jī)械臂控制

當(dāng)前機(jī)器人也是遵循sense-plan-act范式，機(jī)器人觀察周?chē)氖澜纭?gòu)造內(nèi)部模型、制定行動(dòng)計(jì)劃，然后執(zhí)行這個(gè)計(jì)劃。在規(guī)則的環(huán)境中這是OK的，如前文提到的傳統(tǒng)意義上的視覺(jué)伺服。但是在現(xiàn)實(shí)世界各種凌亂的自然環(huán)境中，機(jī)械臂可真就要凌亂了。我們所以還是需要訓(xùn)練機(jī)器人可靠地處理復(fù)雜的真實(shí)世界的情況！

3、增加視覺(jué)傳感器控制速度

人類和動(dòng)物在現(xiàn)實(shí)中通常只進(jìn)行非常小的提前規(guī)劃，主要依靠高度發(fā)達(dá)的智能反饋機(jī)制，使用感覺(jué)信息糾正錯(cuò)誤和補(bǔ)償擾動(dòng)。例如打網(wǎng)球，玩家不斷觀察球和球拍，調(diào)整他的手的運(yùn)動(dòng)，最終在空中接球。這種反饋快速、高效、至關(guān)重要的是，可以糾正誤差或意想不到的擾動(dòng)。機(jī)器人使用視覺(jué)傳感器得到的圖像作為反饋信息，構(gòu)造機(jī)器人的位置閉環(huán)反饋，又稱為視覺(jué)伺服。近年來(lái)，視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)一直是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。

從利用信息方式的不同，可以將視覺(jué)伺服系統(tǒng)分為兩類：一是基于位置的視覺(jué)伺服系統(tǒng)(Position-Based Visual Servo system，PBVS)，一種是基于圖像的視覺(jué)伺服系統(tǒng)(Image-Based Visual Servo system，IBVS)。根據(jù)攝像機(jī)位置的不同，視覺(jué)伺服可以分成全局視覺(jué)和局部視覺(jué)(eye-in-hand)兩種。

全局視覺(jué)的優(yōu)點(diǎn)是視野較寬，缺點(diǎn)是存在分辨率低和目標(biāo)遮擋問(wèn)題；而局部視覺(jué)的特征與全局視覺(jué)恰好相反。因此，有人提出全局視覺(jué)和局部視覺(jué)相結(jié)合的視覺(jué)伺服控制方法。視覺(jué)伺服控制的性能與攝像機(jī)和機(jī)器人的標(biāo)定誤差緊密相關(guān)，而模型的準(zhǔn)確標(biāo)定是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。因此視覺(jué)伺服控制的無(wú)標(biāo)定模型引起了廣泛關(guān)注。其主要優(yōu)點(diǎn)是不需要知道機(jī)器人模型和標(biāo)定攝像機(jī)參數(shù)，具有自適應(yīng)能力，能夠在線估計(jì)雅可比矩陣。