多功能六軸機(jī)器人機(jī)械手臂前景發(fā)展分析

摘要：機(jī)械手是在上世紀(jì)五十年代末期出現(xiàn)，近年來才迅速發(fā)展起來的重要自動(dòng)化裝置，現(xiàn)已成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的一種重要手段。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已經(jīng)受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手;自動(dòng)化裝置;應(yīng)用

1、機(jī)械手臂介紹

機(jī)械手是指能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。

2、機(jī)械手的發(fā)展?fàn)顩r

1954年，被稱為“機(jī)器人之父”的美國(guó)科學(xué)家George Devol 取得了附有重放記憶裝置的第一臺(tái)機(jī)械手的專利權(quán)，該設(shè)備能執(zhí)行從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的受控運(yùn)動(dòng)（即點(diǎn)一點(diǎn)運(yùn)動(dòng)），這被認(rèn)為是“機(jī)器人時(shí)代”的開始。1970年，機(jī)器人學(xué)界早期的改革家之一，Victor Schenman在斯坦福大學(xué)演示了一種計(jì)算機(jī)控制的機(jī)械手，這就是非常著名的斯坦福機(jī)械手。它非常先進(jìn)，技術(shù)很復(fù)雜，迄今還被很多研究中心使用。

80年代，人們?yōu)榱俗寵C(jī)器人技術(shù)向各行各業(yè)擴(kuò)展、應(yīng)用，于是有了用于社會(huì)服務(wù)、海洋開發(fā)、宇宙空間、地下采礦、軍事作戰(zhàn)、救災(zāi)搶險(xiǎn)等領(lǐng)域的機(jī)器人。應(yīng)用于這些領(lǐng)域的機(jī)器人，絕大多數(shù)都是由機(jī)械手和與之對(duì)應(yīng)的安裝平臺(tái)組成的。[1]

到了上世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展和它們之間的相互整合，機(jī)械手技術(shù)得到了飛速發(fā)展。現(xiàn)代控制理論使得機(jī)械手控制系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高。[2]傳感器技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用大大的提高了機(jī)械手的作業(yè)性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)機(jī)械手的協(xié)調(diào)工作，也使得機(jī)械手由過去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備發(fā)展。微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機(jī)械手的可靠性有了很大的提高。還有通過諸如模態(tài)分析、有限元分析及仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用，某些領(lǐng)域的機(jī)械手已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)。如圖1所示。

3、機(jī)械手的發(fā)展?fàn)顩r

目前國(guó)內(nèi)機(jī)械于主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。

目前世界高端工業(yè)機(jī)械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。定位精度可以滿足微米及亞微米級(jí)要求，運(yùn)行速度可以達(dá)到3M/S ，量產(chǎn)產(chǎn)品達(dá)到6軸，負(fù)載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100KG。更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時(shí)，隨著機(jī)械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)突破傳統(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。

4、總結(jié)

近幾年來，隨著自動(dòng)化工業(yè)的不斷發(fā)展，機(jī)械手也將隨之壯大起來。在未來幾年里它的發(fā)展趨勢(shì)如下：

（1）工業(yè)機(jī)械手性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修）。

（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化：由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)械手整機(jī);國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)械手產(chǎn)品問市。

（3）工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)：大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鐘寧帆，孫敏慧， 鄒云.奇異攝動(dòng)系統(tǒng)的 H ∞控制：基于奇異系統(tǒng)的方法[J] .控制理論與應(yīng)用， 2007.

[2] 鄒湘軍，金雙，陳燕，等.基于Modelica的采摘機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制與建模[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009.

作者簡(jiǎn)介：夏明（1996.05-），山東交通學(xué)院本科學(xué)生，指導(dǎo)老師：李光。