機電液一體化控制機械臂技術特征與發展趨勢分析

金宗毅，胡俊宇，羅 恒，金 艷，陶學恒

(大連工業大學 機械工程與自動化學院，遼寧 大連 116034)

0 引言

隨著科學技術的快速發展，多學科之間實現了融合，使機械行業逐漸向著智能化、精確化和信息化方向進步，尤其在國際范圍逐漸走向工業4.0時代，傳統的人工操作機械的方式進一步被取代，先進的數字控制設備被廣泛應用于生產與機械制造領域。為進一步實現各行業的自動化，機器人技術作為機電專業未來發展的重要方向，逐漸成為了近年研究的熱點。機械臂技術是機器人技術的分支，也是機器人技術最廣泛的應用形式，隨著生產和使用需求的逐漸升級，機械臂的復雜性和先進性也持續提升，其在制造業、自動生產線、農業機械、畜牧機械、醫療行業、軍事、航空等領域發揮了重要作用?，F代化機械臂對于機械、電氣、液壓技術十分依賴，機電液作為綜合性新興學科也加強了在機械臂領域的應用研究，有效提升了機械臂的功能與適用能力。

1 機電液一體化技術特征

機電液一體化技術是以傳統的機械技術為主體，將計算機技術、液壓動力技術、電氣控制技術、信息技術等結合起來的一種新技術體系[1]。機電液一體化技術并不是簡單地將機電、液壓、電子技術進行整合，而是將三者融合成為一個完成的系統，成為一個新的學科，使傳統技術實現協同，進而應用到設計、制造以及生產生活的方方面面。與傳統的機械技術相比機電液一體化控制技術應用電氣控制功能更加全面，關鍵工作部位多配備有傳感器或視覺系統，各個部件之間能通過信息傳輸線路實現互通，各個功能部位傳感器獲取的數據通過信息傳輸線路傳遞給單片機或中央處理器，通過處理器精確控制機械裝置的各項功能，包括液壓流量分配與開關、機械動作執行監控、狀態分析等[2]。

圖1 機電一體化技術體系

近年來我國的機電液一體化技術實現了快速發展，現階段技術主要應用于傳統的機械裝備中，其功能包括以下幾點：一是機械裝備的自動電液控制，例如利用計算機系統配合大規模集成電路實現對大型農機、工程機械等工作狀態的監測，并實時進行主要工作部件位置、水平度、施加力大小的調整，傳統機械設備的功能得到豐富，很多機械動作的實施更加靈活精準；二是機械行走系統的電液控制，包括對工程機械、農業機械、車輛等行走系統進行驅動力調整、底盤高度調整、轉向控制等，并能控制行走系統實現按照特定路線的精確行駛，如勻速直線行駛、曲線行駛、繞行等；三是電液控制發動機，利用電腦芯片實現發動機運轉特性的調整與監測，進而實現機械設備使用過程的能源節約。四是智能化機器人控制技術，是機電液一體化控制的高層次表現，能夠與更多尖端學科結合，使機械結構實現多自由度的全空間作業，顯著提高機械設備的適用能力[3]。

2 機械臂結構與技術特征

2.1 機械臂的功能

機械臂是在現代機械技術的基礎上，以機械為主體研制的一種仿生設備，工業機械臂的發展從最初的簡單搬運到現階段的高精度作業經歷了70多年的歷史，機械臂的發展實現了空間多自由度的功能要求，其在工業搬運、農業采摘、生產焊接、產品裝配、產品制造等眾多領域發揮了重要作用，尤其對于一些重復性工作和重體力工作而言，機械臂的應用能顯著提高工作效率，減少人力雇傭成本和人力負擔[4]。

2.2 機械臂的結構原理

生產生活中常見的機械臂結構與原理存在一定的相似性，以圖2所示機械臂為例，機械臂的主體結構為多關節結構，其運行由多個回轉部件、關節、支撐臂部件、可伸縮部件、抓手等組成，大部分機械臂工作過程類似于費力杠桿的工作過程。大部分機械臂包括以下機械結構，一是主體回轉機構，位于機械臂的最下方位置，由伺服電機、回轉支撐、渦輪、渦桿、回轉軸等零部件組成，能夠實現水平方向的自由轉動；二是關節軸承，能夠實現兩個相連接支撐臂的空間轉動，包括俯仰、擺動等；三是可伸縮氣缸、液壓油缸或電缸，能實現手臂沿特定方向的伸縮功能；四是抓手結構，包括夾取、抓取、吸取等多種方式，所使用的驅動力和技術形式也多種多樣[5]。此外機械臂中常用的運動控制技術還包括電機控制同步帶運轉、齒輪齒條傳動等。除以上機械結構外，一個成熟的機械臂產品還包含驅動裝置、計算機控制、電源、傳感器等設備，軟硬件設施也成為現代機械臂技術的重要影響因素。也就是說，機械臂的性能受到機械結構設計與軟硬件技術先進性的共同制約。

1.抓手；2.可伸縮部件；3.支撐臂；4.關節；5.回轉部件

在現代化機械臂的運行過程中，可編程控制器是各個功能實現的重要保證，機械臂每個動作的執行都受到可編程控制器的控制，目前大部分機械臂產品的控制技術需依賴成熟的PLC技術，PLC負責工作過程的決策與控制，實現傳統機械功能與現代人工智能的有效連接。

3 機械臂技術應用現狀

3.1 在制造業領域的研究及應用

機械臂在制造業領域應用十分廣泛，隨著自動化生產線的普及，制造業所應用的機械臂產品也向著系列化和成套化發展，在同一生產線上，所應用的機械臂常常具有多種形式，以滿足不同工序和工藝的加工制造要求。例如在機械產品的安裝環節，傳統人工作業需要長期重復大量技術簡單、勞動強度高的工作任務，而利用現代化的機械臂技術，能夠實現不同環節、不同零部件的快速識別與精準裝配，如圖3所示，為多種機械臂相配合的數碼產品裝配生產線，裝配過程能很好實現工件交互與坐標定位，實現不同部件的位置、角度、方向精確調整與安裝[6]。

圖3 多機械臂成套安裝工位

除在裝配環節應用外，機械臂還在自動化生產線中的產品揀選、產品加工、金屬焊接、倉儲物流等眾多領域廣泛應用。此外，機械臂還應用在一些高溫高壓、有毒有害等危險場合，避免了人工操作受到人身健康威脅，并在惡劣環境中更好的保證加工生產的質量。

3.2 在農業領域的應用

隨著我國農業生產機械化以及自動化的普及，農業中應用的機械臂技術逐漸增多，盡管機械臂的應用還不能像工業領域那樣普及，但相關的研究已明顯增多，并在局布范圍內應用?，F階段應用的農業機械臂根據農業生產的類型分為種植業機械臂、畜牧業機械臂等多個種類，若按照實際的應用功能劃分，包括自動采摘機械臂、自動飼喂機械臂、自動除草施肥機械臂等。農業生產中所使用的機械臂與工業中存在一定的差異，機械臂多安裝于軌道或輪式底盤上，應用于移動式作業。目前來看，我國農業機械臂的應用落后于歐美等發達國家，應用的主體集中于智慧大棚、智慧牧場等局布環境，大田應用相對較少。近年來，江蘇大學、中國農業大學等學校相繼研制成功番茄、黃瓜、草莓采摘機械臂，為我國農業機械臂的應用創造了良好條件。

3.3 在醫療方面的應用

相對于農業而言，機械臂在醫療方面的應用更為普及，經過幾十年的技術應用與發展，醫療機械臂在現代醫學的神經外科、骨外科、胸外科、顱外科等。尤其在2014年以后，醫療機械臂應用量近一步增加，并向著血管、神經、脊髓等重要方向發展。例如，2011年美國生產的Renaissance 機械臂已能通過信息導航與遠程控制及視覺輔助定位實現精度達1.5 mm的脊骨手術[7]。

4 發展趨勢分析

4.1 向模塊化技術發展

現階段的機械臂產品大多功能不定，應用于各行各業的生產過程中，通常僅能完成預設的工作任務，柔性化能力較弱。很多生產過程中的技術升級只能通過更換整臺機械臂來實現，造成了嚴重的浪費。基于此，對現有機械臂進行模塊化升級，使機械臂通過一定的裝配工藝實現功能的多樣化，使用者只需通過更換不同的功能組件，即可利用機械臂的主體在較低的成本投入下實現功能升級。

4.2 向成組化發展

現階段的機械臂應用除在汽車制造、汽車電子產品等少數領域外，大部分機械臂的應用都是獨立作業，僅完成單一的重復性工作。對于生產過程中相對復雜的工作完成能力較弱，且應用過程對于人工的替代并不全面。大部分機械臂應用集中在重體力勞動或危險工作方面，導致很多工作的實施需要人工配合，并不能完全實現機械臂全程作業。因此，向成組化發展將成為機械臂應用的發展趨勢。

4.3 向精確化發展

機械臂技術要實現更大范圍的普及，需要在現階段應用方式的基礎上近一步替代人工作業，而剩余的人工作業內容更難以替代，不僅要求機械臂的結構、功能得到優化，還必須在邏輯判斷、精確定位、抗外界干擾等方面得到進一步提高。

5 結語

隨著機電液一體化技術的快速發展，機械臂技術的功能提升也將得到更好的保障，未來機電液一體化技術在機械臂領域的應用還將進一步擴展，并與計算機人工智能等技術實現更全面融合，使機械臂技術近一步替代人工勞作，為生產生活創造更大便利。