一具可以拆開的骨架
想像你伸手去拿一個杯子。你的骨頭不會彎曲——上臂和前臂始終保持僵硬——所有的動作都來自它們之間的關節：肩、肘、腕。機械臂的工作方式與此完全相同。它是一串剛性零件，而巧妙之處就藏在連接它們的小鉸鏈裡。
所以一個機器人其實只有兩種零件。僵硬的桿件是骨頭，可動的鉸鏈是關節。這些桿件叫做連桿，這些鉸鏈叫做關節。你今後讀到的幾乎所有關於機械臂的內容，本質上都是在講連桿和關節如何被選擇和排列的故事。
連桿：一根拒絕彎曲的骨頭
連桿是機器人的一個剛性零件——一根金屬桿、一個鑄件，或機械臂上兩個鉸鏈之間的一段。最關鍵的詞是「剛性」：我們假定連桿不會伸長、扭轉或下垂，因此它上面任意兩點之間的距離永遠不變。真實的鋁桿在受力時確實會彎曲一絲一毫，但為了理解運動，我們把這點形變當作零。
為什麼要堅持這一點？因為一根僵硬的桿件會帶著自己的形狀一起移動。只要你知道連桿的一端去了哪裡，你立刻就知道整根連桿去了哪裡——它上面的每一個點都作為一個整體一起移動。正是這條假設，讓機械臂可預測到足以用數學來描述。一根軟麵條會有無數種形狀；而一根剛性連桿只有一種。
關節：唯一發生運動的地方
如果連桿永遠不彎曲，那運動從何而來？完全來自關節。關節是兩根連桿之間的連接，它有意地讓這兩根連桿以一種受控的方式相對運動。彎一下你的肘：上臂骨保持不動，前臂骨擺動，而肘就是允許它擺動的那個關節。機器人做出的每一個動作，都是它各個關節運動的總和。
有一條規則讓整幅圖保持清晰：一個關節恰好連接兩根連桿——不會連三根，也不會只連一根。正因如此，一條機械臂才能乾淨地讀作：骨頭、關節、骨頭、關節，一路下去。最常見的兩種關節是轉動關節，它像門鉸鏈或你的肘那樣旋轉；以及移動關節，它像抽屜或望遠鏡那樣直進直出地滑動。幾乎所有工業機器人都只由這兩種關節搭成。
從底座走到手：把機械臂看一遍
現在把這些零件排成一行。從地面開始，一條典型的工業機械臂不過是連桿和關節輪流交替。這種交替的模式——連桿、關節、連桿、關節——叫做運動鏈，它是整台機器的主幹。
- 從底座開始：那根用螺栓固定在地面上的連桿。它永遠不動——它是固定的骨頭，其餘一切都以它為基準來度量。
- 加上第一個關節：通常是一個轉動關節，讓整條手臂左右迴轉，就像在腰部轉身。
- 接著是一根連桿（「肩」骨），再一個關節，再一根連桿（「上臂」），如此往復——骨頭、關節、骨頭、關節，一路向外攀升。
- 停在最遠端，也就是你裝上工具的地方——夾爪、焊槍或吸盤。那個最末端的部件就是末端執行器，是真正接觸世界的「手」。
用這種方式把機械臂看過一遍，它就不再像一團纏繞的金屬了。它變成了一句簡單的話：一根固定的骨頭，然後是輪流交替的幾個關節和骨頭，最後以一隻手收尾。那台著名的六軸工廠機器人，不過就是這條鏈裡裝了六個關節而已。
為什麼這兩種零件決定了一切
整個領域竟然只建立在兩個概念之上，這聽起來或許令人意外。但威力恰恰在於排列方式。你把連桿做多長，決定了機器人能伸多遠。你加多少個關節、它們是旋轉還是滑動，則決定了那隻手能多靈巧地扭進刁鑽的位置。
那隻手實際能觸及的那片空間，叫做工作空間，它完全由連桿的長度和關節的活動極限所決定。更大的設計抉擇也遵循同樣的邏輯：把所有關節串成一條開放的線，得到的是靈活的串聯機械臂；而把幾條鏈都繞回到一個共用的平台上，得到的則是又硬又快的並聯機器人。同樣兩種原料，造出截然不同的機器。