机械臂硬件平台发展解析

机械臂的发展得力于德国宇航中心DLR和NASA的载人航天发展，机械臂可以替代人类完成太空任务。加拿大臂属于大型工作臂，在构型和功能设计上主要是以任务为导向。但是最近几十年的发展在向仿人机械臂的方向发展。机械臂按照驱动-传动的不同分为两种：

• 电机-谐波减速器
• 钢丝绳传动

1 电机-谐波减速器

DLR 从上个世纪80年代末开始已经研制成功三代仿人机械臂系统，前两代机械臂研发重点主要在于机械臂控制方法和理论的研究。第三代机械臂系统着重在于变刚度机械臂。

LWR-Ⅲ采用的模块化设计方法满足了不同构型的机械臂的快速装配的需求，实现了机械臂的产品化。LWR-III总共有7个关节，每个模块化关节控制器均基于DSP/FPGA控制板，笛卡尔控制器采用PC机，PC机与关节控制器采用实时串行通信总线SERCOS，控制周期为1ms。LWR-III机械臂的总质量为13.5Kg，最大负载能力为10Kg，关节内集成了力矩传感器、位置传感器等。现阶段已经实现了包括柔顺控制、碰撞检测以及人机安全等方面的研究，且处于世界领先地位。

随后，DLR将LWR-III应用扩展到双臂机器人，由此诞生了更加吸引眼球的仿人机器人Justin。Justin机器人主要用于研究双臂机器人的协调操作以及空间机器人应用等。

随着变刚度关节机器人成为研究的热点，DLR研制了新一代仿人形机械臂，该机械臂的每个关节内集成了2个电机，一个用于改变关节刚度，另一个完成关节驱动。新一代仿人机械臂具有与人类相似的外形、重量以及性能。现阶段DLR主要对新一代机械臂的鲁棒性、高动态性能以及灵活性进行研究，并取得显著的成果。

DLR LWR 三代机械臂

NASA的Johnson空间中心推出的仿人型机器人宇航员Robonaut 1（R1），其典型应用背景是国际空间站的舱外作业（EVA）。R1外形与人相似，机器人宇航员的灵巧手具有与人相同的抓取力，舱外作业（EVA）条件下具有8小时热承受能力，其机械臂的操作范围高于人类手臂。

随后，NASA联合通用电气研发了最新一代的机器人宇航员Robonaut 2(R2)。R1和R2的主要区别在于：

• R2采用基于多路低压差分信号总线的串行通信方式代替R1的485通信方式，减小了走线数量从而提高系统的可靠性；
• R2中采用了串联弹性驱动机构（SEA）以提高冲击容限，有效能量储存能力、位置精度以及力矩控制的稳定性；
• 关节控制器设计采用FPGA作为主控芯片，其控制周期达到100kHz，FPGA内部集成了PowerPC处理器，主要功能是实现通信、电机方波控制或电流矢量控制等。R2的响应速度为R1的4倍，且具有更加紧凑的结构以及更加丰富的感知系统来提高机械臂操作的灵巧性和安全性。

日本Kawada 公司先后研制了HRP-2、HRP-3、HRP-4C、HRP-4等仿人形机器人。Kawada 公司致力于未来仿人形机器人商业化和在日常生活中普及化，用来解决劳动力短缺和人口老龄化的问题，以提高人类生活质量。此也是日本大都数机器人公司的奋斗目标。手臂关节采用谐波减速器加伺服电机的驱动结构。在控制系统结构方面，HRP-2采用集中控制系统，HRP-3采用部分分布式控制系统，而HRP-4C之后采用完整的分布式控制系统，采用CAN总线通信方式实现机器人中央控制器和关节驱动器之间的通信。

2 钢丝绳传动

上述轻型机械臂关节采用电机、谐波减速器的结构，与此不同的是，MIT采用基于钢丝绳传动方法设计了一种的新型机械臂。采用钢丝绳传动方法可以将驱动器放在肩关节附近，具有降低机械臂的转动惯量的优点。2004年MIT研制了Domo仿人形机器人手臂，Domo具有29个自由度，包括两个6自由度力矩控制的手臂和两个4自由度力矩控制的灵巧手，颈部和头部分别为2自由度和7自由度，手臂通过5个DSP控制器实现关节传感器信息采集和电机控制。Domo的手臂中集成了弹性系列元件(SEA)用来检测关节力矩信号，实现机械臂的主动柔顺和被动柔顺控制。Domo手臂静止时无反向传动能力，通过力矩感知可以主动的产生反向传动能力。

MIT研制的另一款绳索传动式机械臂WAM^{TM}由Burt推广到市场中,该机械臂具有4个主自由度和3个腕部自由度，冗余自由度的设计大大提高了机械臂的应用范围。由于绳索传动具有零反弹、低摩擦和低惯量等特性使其具有优异的开环反向驱动能力，提高机械臂对人类操作的安全性，且该机械臂可以在笛卡尔空间直接控制，避免了逆运动学的计算，保证了机械臂的快速响应能力.