一具可以拆开的骨架
想象你伸手去拿一个杯子。你的骨头不会弯曲——上臂和前臂始终保持僵硬——所有的动作都来自它们之间的关节：肩、肘、腕。机械臂的工作方式与此完全相同。它是一串刚性零件，而巧妙之处就藏在连接它们的小铰链里。
所以一个机器人其实只有两种零件。僵硬的杆件是骨头，可动的铰链是关节。这些杆件叫做连杆，这些铰链叫做关节。你今后读到的几乎所有关于机械臂的内容，本质上都是在讲连杆和关节如何被选择和排列的故事。
连杆：一根拒绝弯曲的骨头
连杆是机器人的一个刚性零件——一根金属杆、一个铸件，或机械臂上两个铰链之间的一段。最关键的词是「刚性」：我们假定连杆不会伸长、扭转或下垂，因此它上面任意两点之间的距离永远不变。真实的铝杆在受力时确实会弯曲一丝一毫，但为了理解运动，我们把这点形变当作零。
为什么要坚持这一点？因为一根僵硬的杆件会带着自己的形状一起移动。只要你知道连杆的一端去了哪里，你立刻就知道整根连杆去了哪里——它上面的每一个点都作为一个整体一起移动。正是这条假设，让机械臂可预测到足以用数学来描述。一根软面条会有无数种形状；而一根刚性连杆只有一种。
关节：唯一发生运动的地方
如果连杆永远不弯曲，那运动从何而来？完全来自关节。关节是两根连杆之间的连接，它有意地让这两根连杆以一种受控的方式相对运动。弯一下你的肘：上臂骨保持不动，前臂骨摆动，而肘就是允许它摆动的那个关节。机器人做出的每一个动作，都是它各个关节运动的总和。
有一条规则让整幅图保持清晰：一个关节恰好连接两根连杆——不会连三根，也不会只连一根。正因如此，一条机械臂才能干净地读作：骨头、关节、骨头、关节，一路下去。最常见的两种关节是转动关节，它像门铰链或你的肘那样旋转；以及移动关节，它像抽屉或望远镜那样直进直出地滑动。几乎所有工业机器人都只由这两种关节搭成。
从底座走到手：把机械臂看一遍
现在把这些零件排成一行。从地面开始，一条典型的工业机械臂不过是连杆和关节轮流交替。这种交替的模式——连杆、关节、连杆、关节——叫做运动链，它是整台机器的主干。
- 从底座开始：那根用螺栓固定在地面上的连杆。它永远不动——它是固定的骨头，其余一切都以它为基准来度量。
- 加上第一个关节：通常是一个转动关节，让整条手臂左右回转，就像在腰部转身。
- 接着是一根连杆（「肩」骨），再一个关节，再一根连杆（「上臂」），如此往复——骨头、关节、骨头、关节，一路向外攀升。
- 停在最远端，也就是你装上工具的地方——夹爪、焊枪或吸盘。那个最末端的部件就是末端执行器，是真正接触世界的「手」。
用这种方式把机械臂看过一遍，它就不再像一团缠绕的金属了。它变成了一句简单的话：一根固定的骨头，然后是轮流交替的几个关节和骨头，最后以一只手收尾。那台著名的六轴工厂机器人，不过就是这条链里装了六个关节而已。
为什么这两种零件决定了一切
整个领域竟然只建立在两个概念之上，这听起来或许令人意外。但威力恰恰在于排列方式。你把连杆做多长，决定了机器人能伸多远。你加多少个关节、它们是旋转还是滑动，则决定了那只手能多灵巧地扭进刁钻的位置。
那只手实际能触及的那片空间，叫做工作空间，它完全由连杆的长度和关节的活动极限所决定。更大的设计抉择也遵循同样的逻辑：把所有关节串成一条开放的线，得到的是灵活的串联机械臂；而把几条链都绕回到一个共用的平台上，得到的则是又硬又快的并联机器人。同样两种原料，造出截然不同的机器。