典型機(jī)械手臂研究現(xiàn)狀綜述

寧致遠(yuǎn)

（山東省臨邑縣第一中學(xué) 山東 臨邑 251500）

1 引言

隨著工業(yè)4.0科技革命的到來，工業(yè)機(jī)器人已成為工業(yè)化程度的重要標(biāo)志[1]。機(jī)械手臂是工業(yè)應(yīng)用和理論研究中最為典型也是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，也是在工業(yè)化和自動化中發(fā)展起來的一種新型裝置。它可以提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動強(qiáng)度、避免人身事故的發(fā)生、改善勞動條件，廣泛應(yīng)用于焊接、噴涂、裝配、搬運等作業(yè)環(huán)境中，大大節(jié)約了勞動成本。本論文將通過綜述機(jī)械手臂的發(fā)展歷程、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、各典型機(jī)械手臂的特點等內(nèi)容，并提出了未來機(jī)械手臂的發(fā)展方向。

2 幾種典型機(jī)械手臂

2.1 關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂

關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂是目前工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用最廣泛的一種，主要由以下幾部分組成[2]：運動元件、導(dǎo)向裝置、冷卻裝置、自動檢測裝置等。這種機(jī)械手臂一般具有以下特點：

（1）自由度高，現(xiàn)在常見的關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂的自由度可達(dá)6～7個自由度；

（2）各關(guān)節(jié)相互獨立，可調(diào)節(jié)性強(qiáng)；

（3）機(jī)構(gòu)設(shè)計簡單，求正解方便可行。但是該機(jī)械手臂的承載力較小，重復(fù)精度較差；

（4）各部件間因磨擦而產(chǎn)生的磨損較大，不利于重復(fù)的高精度；

（5）在高速運作中不易平衡慣性力和慣性力矩。

2.2 仿人機(jī)械手臂

目前，仿人機(jī)械手臂根據(jù)每個手指的驅(qū)動器數(shù)目可以分為靈巧手和欠驅(qū)動手[3]。靈巧手功能的實現(xiàn)至少需要3個手指[4]，并且每個手指至少有3個驅(qū)動器和3個自由度，所以整個手的自由度很高，但是其感知系統(tǒng)過于復(fù)雜，攜帶和維護(hù)不便。欠驅(qū)動手同樣每個手指有3個以上的自由度，但只有一個驅(qū)動器，對復(fù)雜形狀的物體具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力；除此之外，欠驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單、輕量化，操作便捷。

2.3 柔性機(jī)械手臂

柔性機(jī)械臂的連桿是剛性的，其鉸鏈為柔性的。當(dāng)柔性鉸鏈在受到外力或力矩的情況下，材料發(fā)生彈性變形并在相鄰桿件之間產(chǎn)生相對運動。柔性機(jī)械手臂的運動行程、精度剛度和強(qiáng)度在很大程度上受到材料屬性的影響，并且柔性機(jī)構(gòu)受到振動后會嚴(yán)重影響其控制的精度及系統(tǒng)的穩(wěn)定[5]。因此，對柔性機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制方法的研究，即如何從結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動學(xué)、動力學(xué)和控制方面考慮避免、減小和消除彈性變形和彈性振動的影響是柔性機(jī)械臂的研究熱點[6]。

2.4 并聯(lián)機(jī)械手臂

并聯(lián)機(jī)構(gòu)是一種由多個并行鏈構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)，采用多個并行鏈構(gòu)成的閉環(huán)機(jī)構(gòu)，零部件數(shù)目也大幅減少，容易實現(xiàn)組裝和模塊化[7]。并聯(lián)機(jī)械手臂具有以下結(jié)構(gòu)特點：剛度較大，載荷自重比高，基本無誤差積累，不增加運動負(fù)荷，各項同性好等。正是因為并聯(lián)機(jī)構(gòu)的這些特點，常被用于虛擬軸機(jī)床，運動模擬器和機(jī)器人操作器[8]等。

3 機(jī)械手臂的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

機(jī)械手臂的產(chǎn)生是基于仿生學(xué)為解放人類手臂而產(chǎn)生的一種機(jī)械裝置，從1958年美國研制出的第一臺示教型機(jī)械手臂到現(xiàn)在的可用于人類假肢的高智能機(jī)械手臂[9]，按照其自動化程度可大致分為三個階段：主動式遙控機(jī)器人、監(jiān)控室遙控機(jī)器人和自由式機(jī)器人。在20世紀(jì)60年代之前是機(jī)械手臂發(fā)展的初期階段，功能較為單一。60年代后期，機(jī)械手臂逐漸應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，如噴漆、弧焊等工序；70年代，人們開始致力于仿人機(jī)械手臂的研究，來提高機(jī)械手臂的抓取性能，如日本的Okada手、通用公司的Handyman手等。80年代一批著名的擬人機(jī)械手臂問世，如Stanford/JPL手、Utah/MIT手等。90年代研制出的靈巧手在手指構(gòu)型方面有所提高，感知功能也更加豐富，如NASA手、DIST手等。21世紀(jì)新開發(fā)的靈巧手較少，大多是在前面靈巧手基礎(chǔ)上的提高，如Shadow手、Gifu-Ⅱ手、UBH3手等。

3.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國機(jī)械手臂的研究起步于上世紀(jì)70年代，1972年我國第一臺機(jī)械手臂在上海開發(fā)成功。此后，廣州機(jī)床研究所和北京機(jī)床研究所合作設(shè)計制造了點焊機(jī)器人，北京機(jī)械自動化研究所設(shè)計制造了噴涂機(jī)器人，沈陽工業(yè)大學(xué)設(shè)計制造了裝卸載機(jī)器人等。我國于20世紀(jì)80年代開始研制仿人機(jī)械手，較有代表性的是北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所研制的三指機(jī)器人手BUAA1、BUAA2、BUAA3手以及四指擬人機(jī)械手BUAA4和哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的三代仿人機(jī)器人擬人機(jī)械手等。相較于國外，柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的研究還處于起步階段，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)都對柔性機(jī)械手臂進(jìn)行了設(shè)計和制造。在并聯(lián)機(jī)械手方面，國內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了大量研究，燕山大學(xué)黃真教授和金振林教授、天津大學(xué)黃田教授、北京航空航天大學(xué)團(tuán)隊等先后對并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行了深入研究并發(fā)表了相應(yīng)成果。

4 機(jī)械手臂的發(fā)展趨勢

目前，機(jī)械手臂的分類更加細(xì)致，尤其是機(jī)械手和智能形位檢測系統(tǒng)的結(jié)合使其能夠在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮作用，如工業(yè)、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)等；基于人類肌肉驅(qū)動的機(jī)械手臂正在不斷發(fā)展，仿生程度和柔性、靈活程度更高；另外，具有觸覺、視覺等功能的智能機(jī)械手也正在高速發(fā)展。

（1）繼續(xù)研究柔性機(jī)械手臂。在較為完善的剛性機(jī)械手臂基礎(chǔ)上進(jìn)行柔性機(jī)構(gòu)的求解方法和關(guān)鍵性控制問題的研究。

（2）研究串-并聯(lián)機(jī)械手臂。兼顧串聯(lián)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點，又基于仿生學(xué)的啟發(fā)，構(gòu)造一種并-串結(jié)構(gòu)的仿人機(jī)械手臂具有十分重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

（3）提高機(jī)械手臂的智能程度。繼續(xù)研究增強(qiáng)機(jī)械手臂的感知覺能力，使其具有更加強(qiáng)大的仿人功能，以期能夠為殘疾人提供高智能的假肢。

（4）研究環(huán)境適應(yīng)能力更強(qiáng)的機(jī)械手臂。研究具有環(huán)境適應(yīng)能力更強(qiáng)的航空航天機(jī)械手臂、暴風(fēng)救援機(jī)械手臂、火災(zāi)救援機(jī)械手臂、潛水機(jī)械手臂等。

5 結(jié)語

本論文通過綜述機(jī)械手臂的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀等內(nèi)容，總結(jié)了機(jī)械手臂的定義與分類及各自的結(jié)構(gòu)功能，提出未來機(jī)械手臂的發(fā)展方向。并且綜述了幾種常見的機(jī)械手臂：關(guān)節(jié)型機(jī)械手機(jī)械手臂、并聯(lián)機(jī)械手臂等，分析了它們的特點，以及它們各自的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀。

[1]孫志杰，王善軍，張雪鑫.工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2011，27(7):61-62.

[2]鄧超群.簡單機(jī)械手的設(shè)計與研究[J].煤礦機(jī)械，2015，36(10):187-188.

[3]羅金良.可變約束和機(jī)械自適應(yīng)結(jié)構(gòu)的綜合設(shè)計與應(yīng)用研究[D].重慶:重慶大學(xué)，2008.

[4]卜奪奪.仿人機(jī)器人欠驅(qū)動靈巧手研究[D].杭州電子科技大學(xué)，2012.

[5]張元興，羅金良，何價來.擬人機(jī)械手的研究與發(fā)展[J].現(xiàn)代機(jī)械，2013(6):1-5.

[6]黎昌勇.柔性機(jī)械臂研究方法淺析[J].中國科技博覽，2009(27):26-27.

[7]高峰.機(jī)構(gòu)學(xué)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢的思考[J].機(jī)械工程學(xué)報，2005，41(8):3-17.

[8]梁輝，徐輝，郭倫.一種并-串結(jié)構(gòu)機(jī)械手臂的研究[J].青島科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2013，34(6):613-617.

[9]郭洪武.淺析機(jī)械手的應(yīng)用與發(fā)展趨勢[J].中國西部科技，2012，11(10):3-3.