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工业4.0是个时髦词。要明白其内涵，得先从工业自动化说起。自动化分两种，一种是看得见的，一种是看不见的。 看得见的自动化包括机器人、数控机床、无人工厂等，很多时候我们会把这些高度自动化的流水线误认为是工业4.0，其实它们只是工业3.0，也就是“装备制造自动化”。 过去，提升生产效率，就是靠不断进行生产线的自动化升级改造。这使我们进了一个死胡同，因为一条生产线的装备制造自动化水平越高，它的柔性反而越差，因为要依靠大量机器设备来完成生产，一旦产品种类发生变化，硬件的更换成本很高，所以，传统的制造业要靠规模来获得效益，这是工业3.0的技术路线决定的。 看不见的自动化是指数据在研发、设计、生产、物流等环节的自动流动，所有的数据都能及时准确到达规定地点，用数据的流动来解决生产柔性的不确定性问题。这才是工业4.0，即所谓的“数据流动自动化”。 举例来说，出版社出书，因为要制版，每种书籍必须有一定的起印量，否则无法降低成本，这就是制造驱动的商业模式。打印店则完全不同，U盘一插，无论打印什么内容，都按页数收钱，因为成本都一样，这就是典型的数据驱动商业模式。 工业4.0真正要解决的，就是从制造驱动向数据驱动的转变。 至于具体的工业4.0，可以想象这样一个场景：生产可乐的车间里，生产线上连续过来三个瓶子，每个都自带一个二维码，里面记录着张三、李四和王五的定制信息。第一个瓶子走到灌装处时，通过二维码的无线通信告诉控制器：张三喜欢甜一点的，然后控制器就告诉灌装机器手：“多加白糖！”第二个瓶子过来，说李四是糖尿病患者，控制器就告诉机器手：“免糖！”第三个瓶子过来说王五要芬达，控制器就告诉灌可乐的机械手：“你歇会儿，芬达机械手，你上！” 多品种、小批量、个性化定制生产，这就是工业4.0的含义。每一罐可乐在你从网上下单的那一刻起，就是为你定制的，所有的特性都符合你的喜好。这也叫智能生产。 对于即将到来的数据流动自动化趋势，世界主要制造强国的理解各有千秋。美国的互联网IT产业世界第一，所以希望从信息化入手打造制造业，典型的就是通用电气公司推动的“工业互联网”，它更关注产品本身的智能化。德国的制造业基础雄厚，所以希望从制造业的装备制造自动化升级到数据流动自动化，有代表性的是西门子公司的“数字化工厂”，它更关注生产过程的数字化。 工业4.0的本质，就是通过数据流动自动化技术，从规模经济转向范围经济，以同质化规模化的成本，构建出异质化定制化的产业。对于产业结构改革，这是至关重要的作用。

在数码时代，电子手表，智能手表层出不穷，但传统工艺制造的机械结构手表仍非常具有收藏价值。而当最新的3D打印技术遇上机 械手表会产生什么呢？一位来自制表国度的瑞士工程师Laimer Christoph就利用3D打印技术设计制造了一个精妙的机械结构手表，而且居然还采用了精妙的“陀飞轮”结构，走时异常精确。虽然手表有些大个，但精妙的结构仍令人赞叹，工程师上传了利用3D打印制造这款机械手表的全过程，并无私地分享了手表结构设计源文件。 传统机械手表中，“陀飞轮（TOURBILLON）”装置即“旋转擒纵调速机构”由著名制表大师宝玑在 1795年发明，是标志时计价值的三大复杂技术（陀飞轮，三问，万年历）之一。这种设计精巧的结构能够在手表处于垂直时，抵消地心引力对手表中“擒纵结 构”的影响，提高走时精准度，复杂而精密的制作工艺使得这项技术成为一款高端机械手表的象征。

现在用的最多的工业机器人，一般都是六轴的，但是最近推出来的人机协作机械臂，却有7个自由度，一直想不明白为什么。直到最近看到知乎上的一个问题： 人的手臂（腕关节到肩关节）有几个自由度？才发现，原来7个自由度是对人手臂的真实还原。 人的手臂（腕关节到肩关节）有几个自由度？ 我想绝大部分人都没有想过，更别说去了解有哪几个自由度，即使是学工科的人，也未必能解释清楚。没想到知乎上居然有人把这个问题回答的这么专业有内涵，同时又那么有哲理，忍不住想要把这个答案分享一下。 回答这个问题的是知乎网友杨硕，答案如下： 实话说，我对robot manipulation还是挺熟的，但是楼上几个答案一眼看去都看不懂。不是黑，而是觉得对非专业人士来说不好理解。 我来尽量用通俗的语言解释一下。 首先，问题的答案是：数一下就行了啊！ 7个自由度。 有人问5，6是不是一样的。5是拧钥匙时唯一要转动的关节，动力来自小臂两根桡骨的扭转；6是把鼠标放在桌面用手转时唯一要转动的关节，动力来自手腕的旋转。 至于为什么人手臂是7个自由度，而不是8个也不是6个，可能是因为上帝非常懂机器人控制，下面尽量简单地介绍一下。 首先介绍一个定理： 6个自由度的机械手，在空间中无法在保持末端机构的三维位置不变的情况下从一个构型变换到另一个构型。 这个定理乍一看很不好理解，可以考虑一个更简单的情况： 在这张图上，一个机器人的手臂由基座、两个关节、两根连接件构成（想象把一个圆规打开，然后把一端用手指捏住）。请问我们能够把机器人在保持上部末端机构在平面上位置不变的情况下，从“lefty”这个状态扭到“righty”这个状态吗？ 答案是不行的，不管怎么动两个关节，移动过程中末端机构的位置肯定是要变的。看官也可以拿两根笔在桌子上动一动试试。 同样地，一个6自由度的机械手，即使某两组构型对应的末端机构的三维位置相同，机械手在从一个构型移动到另一个构型的时候无法保持末端机构始终不动。 如果有人在电视里看过工业机器人焊东西的话，就会发现它在同一个位置焊接的时候，一会儿整个扭到这边，一会儿整个扭到那边，看起来非常酷炫的样子。事实上这么做只是因为，虽然焊接只是想改变末端机构的朝向，而不改变末端机构的位置，但是由于定理的限制，它必须要往后退一些，然后各种扭，才能保证在移动末端机构的朝向的过程中不会撞到东西，因为移动的时候末端机构的三维位置一定会乱动。如果它能够随便转一点点就可以达到目的，还费那个力气酷炫地整体都转起来干啥…… 而多了一个自由度以后就不一样了。 想想开门时拧钥匙的动作，这个情况下是人胳膊的末端机构（手）的三维位置没有变（始终在钥匙孔前），但是末端机构（手）的三维旋转变了（转动了钥匙）。人能够实现这个简单的动作，就是因为我们的胳膊有7个自由度。 说到这里，看官可能会看出来了，哎我懂了，我的末端机构有6个自由度（三维位置，三维旋转），而胳膊作为一个机械手，有7个自由度，这两个自由度好像说的不是一回事，但是数量上7-6=1，所以这1个自由度我能拿来拧钥匙。 如果上帝把我们的胳膊设计成6个自由度的话，人拧钥匙的动作一定会非常浮夸。大家可以在拧钥匙的时候不要转手腕，感受一下。 那么为什么不再多给我们一些自由度呢？ 因为自由度越多，机械手刚性越差。如果我们的胳膊有8个自由度，那么受伤的概率会更加很多。虽然没有什么生物学研究证明这一点（世界上没有8个自由度的生物躯体），但是机器人的研究是可以证明这个问题的。 所以7是一个最好的选择。不知道圣经中把7作为最好最神圣的数字、一个星期有七天，和人的胳膊有7个关节有没有关系。 这个答案是不是专业有内涵，同时又那么通俗易懂，好想跟大神网友说请收下我的膝盖。。。。

自20世纪60年代机器人诞生之后，人类的工作和生活因其获得了很大的改变，世界各国也纷纷加大对机器人的投入，以期通过机器人占据制造业的最高端，其中，日本在机器人技术上取得了领先，工业机器人四大家族中，日本就占据了其二。说起机器人，必然会说日本，然而，以后这种情况可能会有所改变，因为谷歌的出现。 谷歌对于机器人，一开始只是零零散散地僱用了几位机器人学家；接着又把无人汽车弄上路；然后这个搜寻引擎巨头在韩国 KAIST 大学买了类人机器人HUBO ，但这些还不算什么。 Google 在去年十二月发布消息，他们陆陆续续买下了八家机器人制造公司，有 Boston Dynamics、maker of BigDog、WildCat 等等。 很明显，Google 非常想要生产机器人。 Open Source Robotics Foundation 的执行长 Brian Gerkey 估计这些购买花了好几亿，这样庞大的数目会吸引创投公司，让他们对其他机器人制造的新创公司感兴趣。 在 UCLA 指导机器人学、机械学的 Dennis Hong 说：「现在，2014 年，事情总算有所改变了。Google 会买下这些机器人制造公司，就代表机器人的商机己经开始。」 虽然 Google 开启这样的时代非常激励人心，但是 Gerkey 看到一个缺点：「机器人的最好特质已经渐渐流失到 Google 总部 Googleplex 去了，他们都偷偷的研究和制造，虽然这样制造产品是保护自己的权益，也能够发展出更精湛的产品，但是对整个产业来说，我们失去了一些东西。」 现在带大家来看看以下 Google 未来的计划，这些是 Google 新进的成员。 Industrial Perception Inc. 著名机器人： Industrial Sorting Robot 优点： 机器人的视觉精准。你们可以在以下的影片中看到，这个工业机器人可以快速的夹起货物后堆放完整，靠的就是它的立体声摄影机，可以找出物品确切的位置，准确的拾起货物并卸下。 补充： 虽然 Google 工业机器人的视觉系统运用很明显，但是其实早在各种机器人上都有运用这样的技术，你可以从美国五角大厦办的机器人比赛中（DARPA）看到，从最基本的飞行机器人到两脚的机器人都有这样的技术。 Autofuss 著名机器人： 无 优点： 以机器人行销为主。Autofuss 是 Bot Dolly 的姐妹公司，他们制造的机器人专门处理需要特别技巧、又能带来视觉震撼的广告。 补充： 这间公司在 2011 年和 Google 合作，拍摄一支电视广告，内容是一个工业机器人拿着 Nexus smartphone 做展示，不管 Google 哪时会生产出属于他们的机器人，Autofuss 都会做好准备，拍摄独一无二的广告，让它完美登场。 Bot Dolly 著名机器人： IRIS 优点： 动作控制。IRIS 的机器人控制平台用来拍摄着名电影「地心引力」，IRIS 精准的移动拍摄镜头，制造出无重力感的画面。 补充： 这间公司用机器人制作电影、广告只是个噱头，公司的真正目的其实是要改善现有的工业机器人，带来更新层面的规划系统。 Meka Robotics 著名机器人： M1 Mobile Manipulator 优点： 可伸缩的促动器。Meka 的机器人不走强壮路线，它主打的特色是「弹性」，机器人的关节伸缩自如，也非常有机动性，可顺应各式各样的任务。 补充： Meka 虽然想制造出非常拟真的机器人头，但他们最强的特色其实是机器人的手臂、四肢。OSRF 的 Gerkey 说：「Meka 做出功能性非常强的机器人，而且能够非常安全的在人类旁边运作。」 Boston Dynamics 著名机器人： Atlas, LS3 优点： 水力驱动。这间公司所制造的机器人最大的两个特色就是：有脚、自我驱动。他们的机器人活动稳定、力量强大，甚至可以抛掷煤渣砖。 补充： Unbounded Robotics 的执行长 Melonee Wise 说：「他们就是要能自主的机器人，Google 买下 Boston Dynamics 就是看上他们能够制造有脚的机器人，并且还能自主驱动。」 Holomni 著名机器人： 无 优点： 全方位轮子。虽然这间公司还未发表任何机器人，但公司的制造目标爲：制造出高科技的轮子装置，可以进行全方位的运动。 补充： 大概 Google 想要帮有脚的机器人制造出更多的活动和移动的方式。 SCHAFT Inc. 著名机器人： S-One 优点： 液体冷却的电能促动器。他们的机器人爲电容器驱动，电力相当于涡轮机发动引擎，可以发出强大的电能。 补充： 看来 Google 希望他们的机器人结合不同机器人公司的科技，从弹力、伸缩的促动器、吃电、或需要加油的驱动方式，Google 现在有非常多种运作选择。 Redwood Robotics 著名机器人： 无 优点： 简单、便宜的机器人手臂。2012 年创立的 Redwood Robotics 宣布他们想要提供机器手臂，但他们尚未发表任何产品。 补充： Meka 和 Redwood Robotics 可能会结合开发出节能、安全的机器人。

　　0 引 言 　　机械手是一种能模拟人的手臂动作，按照设定程序、轨迹和要求，代替人手进行抓取、搬运工件或操持工具的机电一体化自动装置。三自由度机械手又称3D机械人，能够实现三个自由度方向(水平、垂直和旋转)的抓取或放置物品，具有操作范围大，灵活性好，应用广泛的特点。 　　可编程控制器(PLC)是一种专门为工业应用而设计的进行数字运算操作的电子控制装置。由于其具有可靠性高，功能强，编程简单，人机交互界面友好等特性而广泛用于工业控制系统。 　　步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环执行元件。在非超载情况下，电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数目。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性误差而无累计误差的特点，使其在速度、定位等控制领域应用得非常广泛。 　　机械手按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式和机械式机械手。本文设计的三自由度机械手属于混合式机械手，它综合了电动式和气动式机械手的优点，既节省了行程开关和PLC的I／O端口，又达到了简便操作和精确定位的目的。 　　1 三自由度机械手的系统结构与运动方式 　　三自由度机械手为圆柱坐标型。图1为机械手结构示意图，机械手手臂的左右运动(水平方向)由伸缩步进电机控制，上下运动(垂直方向)由升降步进电机控制，逆时针和顺时针旋转运动则由底盘直流电机的正反转控制。机械手的夹紧装置采用关节结构，其夹紧与松开用气压驱动，并由电磁阀控制。 　　机械手可以根据设定程序的动作将工件从A处搬运到B处。SQ1，SQ2，SQ5，SQ6为水平和垂直方向上的限位开关，SQ3，SQ4为原点位置和终点位置的光接近开关。 　　2 三自由度机械手控制系统设计 　　三自由度机械手系统设置了手动工作方式和自动工作方式。自动方式又分为自动回原点、单步、单周期、连续四种工作方式。 　　2．1 硬件设计 　　主控制系统选用三菱FX2N系列晶体管输出型PLC，步进电机驱动器选用SH-20403型模块。机械手的外部接线图如图2所示。 　　机械手在最上面、最右边，底盘转至光接近开关X3处且夹紧装置松开时称系统处于原点状态。X10为手动控制按钮，按下该按钮后，可以进行按键开关 X20～X27对应的手动操作。X11～X15分别为自动方式中的回原点、单步、单周期和连续工作方式按钮，按下其中的某一个按钮，再按起动按钮X0，该工作方式的动作就会自动执行。步进电机只有在有脉冲信号(Y0)和方向信号(Y2或Y3)输入时才会转动，Y6，Y7选择将脉冲信号Y0送至哪个步进电机。Y5控制送气电磁阀，实现夹紧装置的夹紧与松开。Y10，Y11控制底盘直流电机的正反转。 　　2．2 软件设计 　　在选择单步、单周期和连续工作方式前，系统应当处于原点状态。如果不满足这一条件，可以选择回原点工作方式，该工作方式依次执行以下操作：向上运动至上限位x1→向右运动至右限位X2→顺时针转动至光接近开关X3→夹紧装置松开。 　　机械手自动工作方式的顺序功能图如图3所示。机械手手臂的运动速度由输入步进电机的脉冲频率控制，机械手下降及左行的距离由脉冲数控制，脉冲频率和脉冲数可以根据工业现场的实际情况在程序中设定，具有可重复操作性。 　　本系统采用的是PLC梯形图顺序编程的方法。其中以PLSY脉冲输出指令输出脉冲，用MOV指令设定脉冲个数，指定脉冲输出完后，指令执行完成标志 M8029置1。由于PLSY指令只能使用一次，而系统中两个步进电机均需要脉冲输入，设计中采用两个外部继电器解决了该问题。将Y0输出的脉冲同时接至两个继电器动触点，两继电器的常开触点分别与两块步进电机驱动器的脉冲输入端相连，Y6，Y7接到两继电器的控制端，这样就可以通过Y6，Y7来控制步进电机的脉冲输入。   　　3 系统的MCGS组态环境 　　MCGS是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具有功能完善，操作简便，可视性好，可维护性强的突出特点。图4为三自由度机械手系统工作时的MCGS组态环境界面，它包括主界面、手动工作方式界面和自动工作方式界面。 　　4 结 语 　　经调试，步进电机的运转无抖动和失步现象发生，机械手系统处于良好的运行状态。三自由度机械手系统实现的只是三个自由度方向上的运动，根据工业生产的实际需要，可以对其进一步改进，在夹紧装置肘部添加腕回转控制装置，就能使之成为四自由度机械手控制系统。在条件允许的情况下，也可以采用触摸屏代替MCGS 组态环境对机械手系统进行控制，这样占用空间小，人机交互界面直观，操作更方便。