為什么好的機械臂有七個自由度而不是六個？

? ? ? 人的手臂(腕關節(jié)到肩關節(jié))有多少自由度？我想大多數(shù)人都沒有想過，更不用說知道有哪些自由度了。5是轉(zhuǎn)動鑰匙時轉(zhuǎn)動的關節(jié)，動力來自前臂兩個半徑的扭轉(zhuǎn)；6是鼠標放在桌面上用手旋轉(zhuǎn)時旋轉(zhuǎn)的關節(jié)，動力來自手腕的旋轉(zhuǎn)。至于為什么人類的手臂有七個自由度，而不是八六個，可能是因為非常了解機器人的控制。我們盡量簡單介紹一下機械臂。

　　首先，介紹一個機械臂有定理:

　　保持末端機構在空間的三維位置不變的情況下，六自由度機械臂無法從一種構型改變到另一種構型。

　　這個定理乍一看很難理解，所以我們可以考慮一個更簡單的情況:

　　機械臂由一個底座、兩個關節(jié)和兩個連接器組成(想象一下打開一個指南針，用手指握住一端)。我們能否在保持上端機構在平面上的位置不變的情況下，將機器人從“左”的狀態(tài)轉(zhuǎn)到“右”的狀態(tài)？

　　答案是否定的，無論兩個關節(jié)如何運動，運動過程當中末端機構的位置肯定會發(fā)生變化。讀者也可以嘗試用兩支筆在桌子上移動。

　　類似地，對于6自由度機械臂，即使某些兩組構型對應的末端機構的三維位置相同，機械手在從一種構型移動到另一種構型時也不可保持末端機構不動。

　　如果有人在電視上看過工業(yè)機器人焊接東西，會發(fā)現(xiàn)焊接在同一個位置時，會轉(zhuǎn)向一邊和另一邊，看起來很酷。其實這只是因為，雖然焊接只是想改變末端機構的方位，但并不改變末端機構的位置，由于定理的限制，它后退一點，然后以各種方式扭轉(zhuǎn)，以保證它在移動末端機構方位的過程當中不會撞到什么東西，因為末端機構的三維位置在移動時肯定會移動。如果機械臂能稍微隨意地轉(zhuǎn)向，機械臂就能實現(xiàn)它的目標，機械臂需要努力才能整體冷靜地轉(zhuǎn)向...

　　但多了一個自由度，機械臂就不一樣了。

　　想想開門時轉(zhuǎn)動鑰匙的動作。在這種情況下，人類手臂的末端機構(手)的三維位置沒有改變(總是在鑰匙孔的前面)，但是末端機構(手)的三維旋轉(zhuǎn)改變了(轉(zhuǎn)動鑰匙)。人們可以實現(xiàn)這個簡單的動作，是因為我們的手臂有七個自由度。

　　因為自由度越多，機械臂的剛性就越小。如果我們的手臂有8個自由度，受傷的概率會高很多。雖然沒有生物研究證明這一點(世界上沒有8自由度的生物體)，但對機器人的研究可以證明這個問題。