不得不說的機械手和機械臂

公主被惡龍追趕著，跌跌撞撞被逼入死角。

「救命啊，救命啊......」公主大喊道。「叫吧、叫吧，你就算叫破喉嚨，也沒有人會來救你的。」惡龍不為所動，甚至笑出了聲。公主慌亂地搖頭，道：「不！不！一定有方法將你制服的！」惡龍笑得更歡了：「不可能的，我滿身毒液，如果有人來救你，就要拔下我頭上的電池盒，那他也會被毒液毒死的......不會有人那麼傻的......哈哈哈哈......」

突然，一個聲音越來越近，「惡龍！惡龍！你敢出來見我嗎！」一人一龍皆是一驚。「破喉嚨！你終於來了！」公主喜極而泣。「你怎麼就是不肯放棄呢！」惡龍眉頭緊蹙。（惡龍有沒有眉頭這個問題就先放到一邊）破喉嚨緊盯著惡龍，滿眼堅定地說：「我一定會拔下你頭上的電池盒的。」惡龍沉默了半晌：「值得嗎？為了一個不可能和你在一起的人。」破喉嚨不語，滿眼肯定。

他打開了身上的劍盒，拿出了一個具有五個自由度並且配有機械手的機械臂，按下開關，惡龍頭上的電池盒已被牢牢攥在機械手中。一陣濃煙散去，惡龍變成了年少英俊的王子，還沒待他反應過來，手已被破喉嚨拉起......

驚不驚喜？感不感人？就是多虧了機械手和機械臂，愛情故事才得以圓滿落幕。同樣，在機器人的製作中，機械手和機械臂也顯得舉足輕重的。那麼今天我就簡單給大家介紹一下這兩個仿生式的機器人結構。

一、機械手

機械手是機器人與外界環境直接接觸的部分，它可以代替人手，與外界環境中有毒以及有害的物質直接接觸以減少對人的危害，它具有能不斷重複工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點。機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用範圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續軌跡控制機械手等。

提到機械手，不得不提的一個名詞就是自由度。什麼是自由度呢，比如一個桿件（剛體），在空間上完全沒有約束，那麼它可以在3個正交方向上平動，還可以以三個正交方向為軸進行轉動，那麼就有6個自由度。以人手為例，在屈曲方向上，大拇指有兩個自由度，食指到小拇指都有3個自由度，手掌上有兩個，除此之外，每個指根處還有1個左右活動的自由度，所以說，人手有21個自由度。根據自由度，機械手還分為電機數量等於所設計自由度的數量的全驅動機械手和電機數量小於所設計自由度的數量的欠驅動機械手，此處不談。

另一個和機械手有關的名詞是抓重比。所謂抓重比，就是機械手垂直抓握物體的重量和機械手本身重量的比例。同樣說起人手，它的重量大概占人體體重的0.58%左右，而抓取重量，就一個正常人來說，扛起幾公斤的大米應該不成問題，假如你有一個女朋友，你還能扛起幾十公斤的女朋友，除了感慨人的潛力是無限的，我們也知道了人手的抓重比是很高的，起碼數量級是幾十。但機械手不同，它沒有女朋友，一般的機械手垂直抓重比達到2.5已經算性能不錯的了，在設計機械手時，抓重比也是必須考慮的因素。

以下就是幾種常見的機器人身上的機械手：

1、普通機械手

這種機械手簡直就是機械手界的基本單位，只用一個電機驅動「手指」，甚至可以用直流電機控制。值得一提的是，當它抓住目標後電機不能轉動，可能因瞬時電流過大而燒壞。

2、凸輪彈簧機械手

凸輪彈簧機械手長得像個三腳架，當然也不可能通過閉合的方式來抓取物體，它工作時，三條腿是要張開的，所以它的抓取對象是中空物體，比如洋蔥圈，比如圓環，當機械手深入中空部位並張開手指時，就像戴手鐲一樣把物體抓起來了。

（癌？這張圖放錯了吧）

3、彈簧片機械手

這類機械手原理就是利用彈力卡住物體，類型多樣，結構簡單，較為方便。

4、移動機械手

為了實現抓取，人手將手指併攏，移動機械手也是這個原理，但它比人手更「直來直往」一些。利用絲桿、齒輪等傳動裝置，移動機械手的手指移動到一起，可以實現機械手的張合，也就能抓取物體。

5、不完全齒輪機械手

不完全齒輪機械手由兩個不完全齒輪組成，通過齒輪的嚙合來實現機械手指的開合。

6、絲杠機械手

之前在3D列印的介紹中，我們認識了絲杠，這次在機械手中，絲杠也發揮了較為重要的作用。通過聯軸器，絲杠與電機軸相連（步進電機可與絲杠直接相連）。此外，相信學過工圖的同學都知道，絲杠有螺距、導程，改變它們可以改變抓取目標的速度。這類機械手用來抓取較為規則的物體。

7、吸盤式機械手

提到吸盤大家都會想起某種清潔用具，不難理解，沒有意見的話我就跳過了，當然，有意見我也聽不見，就默認你們都很滿意了。

9、電磁機械手

所謂電磁機械手，嚴格上不能稱為手，因為它沒有手指。利用電磁鐵在通電時產生的磁力來抓取磁性材料就是它的運作方式。

10、柔性機械手

柔性機械手具有多個關節、擁有仿人手結構，能在自動控制下產生彎曲運動抓取物體。不過它的製作過程複雜，喜歡「知男而上」的同學請劃重點。

二、機械臂

光有機械手不夠，要拔下惡龍頭上的電池盒，我們還需要機械臂。機械臂按照類型可分為關節型機械手臂、仿人機械手臂、柔性機械手臂和並聯機械手臂等。

關節型機械手臂由運動元件、導向裝置、冷卻裝置、自動檢測裝置組成，可調節性高，由於各關節互相獨立，它的可調節性較強。仿人機械手臂自由度很高，但是製備過程較為繁雜。

柔性機械臂的連桿是剛性的，其鉸鏈為柔性的。當柔性鉸鏈在受到外力或力矩的情況下，材料發生彈性變形並在相鄰桿件之間產生相對運動。

並聯機構是一種由多個並行鏈構成的閉環系統，採用多個並行鏈構成的閉環機構，零部件數目也大幅減少，容易實現組裝和模塊化。並聯機械手臂具有以下結構特點：剛度較大，載荷自重比高，基本無誤差積累，不增加運動負荷，各項同性好等。

可能在你看來，機械臂是像推文封面那樣的（這裡可以倒回去看看那是誰的手）。但既然這篇推文會誕生，我們當然也要給你介紹一些看起來簡單、方便製作的機械臂。

1、普通機械臂

普通機械臂關節處直接通過直流電機、舵機等相連，製作簡單、成本低。

2、齒輪齒條機械臂

採用相配合的齒輪齒條或嚙合的不完全齒輪進行伸縮，齒輪旋轉，齒條移動，可以做往複運動。

3、平行四邊形機械臂

像推拉門一樣，採用平行四邊形結構的機械臂能較好地實現 伸縮，但剛性較差，需製作提高剛度的輔助裝置。

4、滑軌機械臂

滑軌聽上去有些陌生，實際在生活中非常常見，如抽屜、電腦桌鍵盤等，它的伸縮率也較大，且價格便宜，可與魚線、鋼絲繩等結合使用。

5、連桿機械臂

連桿機械臂類似於雨傘骨架，常採用角鋁、角鋼製作，受力也較為複雜。不信的話可以撐開雨傘看看。

6、氣動機械臂

氣動機械臂應用氣壓變化來帶動各關節，有經濟條件可以購買氣缸來製作，偏偏不喜歡氣缸的話注射器也是一個不錯的選擇。

7、螺旋機械臂

螺旋機械臂是不是讓你回憶起了被內外螺紋支配的恐懼？螺旋結構承載能力大，可根據場合選擇三角螺紋或梯形螺紋，必要時可應用具有自潤滑作用的聚四氟乙烯做螺母。

講完了機械手與機械臂的種類，我們講講它們的控制。當然直接用手掰也是沒有問題的，但是意義不大，我們這裡講基於單片機的控制系統。下圖是某機械臂控制的結構圖，可以看出機械臂的運動由舵機控制，而控制舵機的舵機控制板由單片機發出的指令控制。具體的程序怎麼寫、怎麼調試，就已經不屬於本篇概論的範圍了。

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