1 项目简介

1.1 项目背景

机器人这个词是于1920年从一场艺术中诞生的，伴随着社会进步和技术发展，机器人的概念从想象中的人形自动化机械，逐步演变为具备特殊功能的自动化智能机械。虽然当前对机器人的概念各陈其辞，但是与其面面俱到的描述和规定机器人的定义，倒不如一言以蔽之：“机器人，是通过机器（机械、自动化、智控、互联…）方式实现人（智能生命体）的某些（或全部）功能”。

机器人最大的价值在于代替人工或服务人类，如果技术发展超过应用层面时，似乎它的存在又是一个艺术的存在，例如波士顿动力机器人。在诸多被称为“机器人”的产品中，工业机械臂是直观印象中最为“有用”的机器人，是各大制造生产线中最频繁出场的明星，其代替的是人类手臂在空间移动中的自由灵活性；移动机器人（AMR/AGV）是另一类“常用”的机器人，其代替的是人工劳作中中短程范围的自主移动性；无人机是最后一类“常见”的机器人，其实现的是中短距低空移动能力。机器人技术发展至今，所解决的，多半是智能生命体的自由移动能力，随着传感和智能控制技术的融合，在移动能力的条件上，增加了对外界环境的感知和智能判断能力，这使得机器人可承载的能力进一步提升，从而有望多维度代替人类劳作。

图1.1 机器人 种类（a）机械臂 （b）移动机器人 （c）无人机

值得一提的是，机器人的功能开发应当出于社会需求而不是资本需求，比如咖啡师、下棋、拼魔方等类机器人，只能作为艺术展品而不能作为市场产品，因为它们的出现对于咖啡师、人类线下娱乐等处于挤兑竞争状态；相对应的，在恶劣环境中的工作能力，便是机器人最佳的出现场合。这种功能性的实用价值将更有助于社会的良性循环，而非在全行业统统取代人工，这是科学技术发展的原则和底线。

2023年拟推出的项目有SV1、SV2、SV3三种系列，这三者开发背景均是基于我个人对当前机器人技术的理解和观望，延申的个人项目。其中，SV1系列是桌面款机械臂，当前机械臂的种类、性能等都有了相当丰厚的积累，本次开发出发点有两类：其一是学习现有机械臂开发技术，形成一套成熟的机械臂开发流程和技术手段，作为个人经验的增长；其二是基于已有技术做应用层面的开拓和前沿技术的探索，期望能够达到人手一台的程度，尤其是远程操作方面的应用，初步预期很有趣，比如坐在家里可以操作远在公司的电脑，最为理想的机械臂，不仅能够完成既定路径轨迹的运动和执行，还要有动作安全性、自适应性。

1.2 项目要求

所开发的机械臂需要满足以下几个条件：

• 价格便宜：用最低成本开发尽可能高的性能
• 轻量化：避免傻大笨粗的设计
• 从零设计：避免模仿、复制、抄袭
• 开源设计：技术公开是讨论交流、技术升级的最佳方式，闭门造车要不得
• 智能化：自主识别、云端数据
• 模块化：应用包可选功能设计、模块化设计及维修

1.3 项目架构体系

图1.2  项目开发架构

2 设计需求

2.1 线驱机械臂本体设计需求

由于并非是针对市场需求对标开发，因此设计规格将从仿生的角度，尽可能接近人的手臂活动。

（1）负载

此处的负载，是指机械臂在任何姿态下所能承受的极限负载，通常在机械臂为最大臂展时（承力最弱的姿态）作为负载的临界值。因为设计对象是桌面级别的机械臂，其负载应该在10kg以下，暂定负载为8±2 kg。如图1.3所示，当规定了要求负载时，通常在机器人的承载最恶劣的姿态下进行计算校核，即先将2轴角度旋转至水平（由于2轴运动范围是有限的，可能最大角度并不能使其水平）或者最大角度时，此时3轴需要补偿2轴的转角并在此基础上向下旋转，使得5轴中心尽可能保持水平（臂展最大状态），在该姿态下施加要求负载，再进行关节零部件校核共奏。

图1.3 负载计算示意图

（2）臂展

此处的工作范围，是指机械臂在执行命令过程中，末端所能到达的最大工作空间。此处根据人体手臂运动范围，将臂展定义为800~1000mm之间。

需要注意的是，可达工作空间（臂展）分为全工作空间与有效性工作空间，全工作空间是所有位姿下机器人末端可达点集合，而有效工作空间是在机器人限位、奇异姿态、实体零部件干涉等给定的安全限位角度下可达工作区域，如图1.4所示，为典型的运动范围图。

图1.4 ABB IRB120机型运动空间图

（3）自由度

从人体手臂仿生角度，设定7个自由度，其中肩部3个关节，腕部3个关节，肘部1个关节。

理论上，三维空间的刚体需要三维坐标加上三个旋转角度，共6个自由度，而7个自由度相当于多了一个冗余自由度，让机械臂更灵活。比如，6个自由度的机械臂在空间中无法保持在肩膀和拿钥匙的手不动，而7个自由度可以。

（4）各轴运动参数

（5）整机结构

整个机器人结构组成分为肩座、大臂、肘部关节组件、小臂、腕部关节组件、末端六大组件，其中，肩座到肘部的长度为340mm，肘部到腕部的长度为370mm，腕部到末端尽头为170mm.最大工作半径达到880mm。