淺談機(jī)械手的研究進(jìn)展

寧崧然

（四川省成都市七中高新校區(qū)高三7班，四川 成都 6 1 0 0 3 1）

淺談機(jī)械手的研究進(jìn)展

寧崧然

（四川省成都市七中高新校區(qū)高三7班，四川 成都 6 1 0 0 3 1）

機(jī)械手在最近幾十年發(fā)展迅速，作為一種新技術(shù)被廣泛用于工程實(shí)踐中，機(jī)械手能模仿人肢體的一些功能，雖然不夠靈活，但是能解決很多生產(chǎn)中面對(duì)的問(wèn)題。本文主要對(duì)機(jī)械手在工業(yè)中的應(yīng)用情況，講述了機(jī)械手發(fā)展的意義，接著講述了機(jī)械手在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，然后對(duì)其在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展進(jìn)行綜述，最后對(duì)機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。

機(jī)械手；自動(dòng)化；工業(yè)機(jī)械人

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提高，許多企業(yè)都尋求機(jī)器人代替勞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)工業(yè)的自動(dòng)化，因此工業(yè)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。眾所周知，手是人類(lèi)實(shí)現(xiàn)勞動(dòng)生產(chǎn)力最為關(guān)鍵的一環(huán)，由此可見(jiàn)機(jī)械手也是機(jī)器人中最關(guān)鍵的部位，很多功能都得依靠機(jī)械手實(shí)現(xiàn)，已經(jīng)引起人們的重視。

機(jī)械手從結(jié)構(gòu)還有結(jié)構(gòu)形式上看簡(jiǎn)單，專(zhuān)用性和實(shí)用性強(qiáng)，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是機(jī)械的上下料裝置。機(jī)械手在美國(guó)發(fā)展最早，隨后很多國(guó)家都積極發(fā)展機(jī)械手以及對(duì)它的研究，每個(gè)國(guó)家都取得了不錯(cuò)的成果。各行各行都涌現(xiàn)出各式各樣的機(jī)器手，在農(nóng)業(yè)用機(jī)器手采摘水果修剪樹(shù)葉，在軍事領(lǐng)域用機(jī)械手排除炸彈和危險(xiǎn)品，在醫(yī)藥行業(yè)出現(xiàn)了納米機(jī)器人，在碼頭出現(xiàn)了搬運(yùn)機(jī)械手等。從圖1可以看出，機(jī)械手就是能模仿人的手臂，比如我們的手臂能夠1 8 0度自由旋轉(zhuǎn)，能夠抓取東西，可以靈活的應(yīng)用手指干活，因此機(jī)械手也是趨向于模仿這些功能。

機(jī)械手手腕運(yùn)動(dòng)有：繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為上下擺動(dòng)(或節(jié)距)，繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為左右擺動(dòng)，沿y軸方向的稱為橫向移動(dòng)(或沿Z軸方向縱向移動(dòng))。因此，手腕有一個(gè)最大的四個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)，即四個(gè)自由度。腕關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的基本要求可以概括為以下三點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。手腕是在手臂的前面，手與它一起由手臂所承受的靜態(tài)和動(dòng)載荷。顯然，手腕上的結(jié)構(gòu)、重量和功率負(fù)荷，直接影響臂的結(jié)構(gòu)、重量和工作性能。因此，在手腕上必須努力設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。（2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局。作為機(jī)械手的手腕，并承擔(dān)著連接和支撐的功能，除了保證力和運(yùn)動(dòng)的要求外，必須有足夠的強(qiáng)度、剛度，合理的布局也應(yīng)考慮，并解決了手腕和手臂的連接。（3）必須考慮工作條件。機(jī)械手的工作條件沒(méi)有太大的影響的環(huán)境，所以機(jī)械手腕沒(méi)有太多不利因素。

圖1 工業(yè)機(jī)械手

1 研究意義

機(jī)器人手主要由三個(gè)部分組成，手、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)。用于保持工件（或工具）的零件，根據(jù)形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求的對(duì)象是有各種結(jié)構(gòu)形式，如夾持式、保持型和吸附式等，使手完成各種旋轉(zhuǎn)（擺動(dòng)），運(yùn)動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)達(dá)到規(guī)定的動(dòng)作，改變物體的位置和姿態(tài)來(lái)把握。升降、拉伸、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)制，稱為機(jī)械手的自由度。為了抓住任何位置和方向的對(duì)象在空間中，有6個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越大，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。一般專(zhuān)用機(jī)械手有2個(gè)3度的自由度。控制系統(tǒng)是通過(guò)控制每個(gè)機(jī)器人的自由度來(lái)完成具體動(dòng)作的。在同一時(shí)間，接收傳感器的反饋，并形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器等微控制芯片組成。

機(jī)械手能在臟、亂、差以及能周而復(fù)始的做一個(gè)動(dòng)作和在高溫、低溫、放射、有毒、下水道環(huán)境下進(jìn)行操作，具有很好的發(fā)展前景。因此機(jī)械手在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，例如汽車(chē)行業(yè)的生產(chǎn)線、各種裝配生產(chǎn)線和軍事領(lǐng)域。搬運(yùn)機(jī)械手的研究具有如下意義：首先，使用、機(jī)械手可以節(jié)省大量的人力和資源。其次，在大型材料的搬運(yùn)中具有重要的優(yōu)勢(shì)。

2 機(jī)械手的應(yīng)用

2.1 完善生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化

機(jī)械手來(lái)實(shí)現(xiàn)ma t e r i a l c o n v e y o r工件的裝卸、刀具的更換和機(jī)械裝配等自動(dòng)化程度的應(yīng)用，可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。

2.2 改善工作條件，避免事故發(fā)生

在高溫、高壓、低溫、低壓、灰塵、噪聲、異味、放射性或其他有毒物質(zhì)污染及作業(yè)空間狹小的情況下，手動(dòng)操作是危險(xiǎn)的或不可能的，而應(yīng)用的機(jī)械手可以代替部分或全部的安全工作，勞動(dòng)條件得以改善。在一些簡(jiǎn)單的、重復(fù)的，尤其是重操作的工作，可以用機(jī)械手代替人，可以避免由于操作或個(gè)人疏忽引起的意外。

2.3 可以減少人為誤差，并便于生產(chǎn)的節(jié)奏

因?yàn)闄C(jī)械手可以周而復(fù)始的做一個(gè)動(dòng)作，因此可以節(jié)省大量的時(shí)間，由于機(jī)械手的應(yīng)用可以連續(xù)操作，它永遠(yuǎn)能保持一樣的加工精度，不會(huì)產(chǎn)生人為誤差。因此，在自動(dòng)機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線，對(duì)機(jī)械手的使用越來(lái)越多，工廠更加依賴機(jī)械手使用。因此，機(jī)械手的廣泛被使用是根據(jù)時(shí)代進(jìn)步所發(fā)展的，是以后必然發(fā)展的結(jié)果。

3 機(jī)械手發(fā)展的領(lǐng)域

3.1 工業(yè)制造領(lǐng)域

機(jī)器人在傳統(tǒng)制造業(yè)中可以保證機(jī)械加工的精度，同時(shí)也能提高其高效率，如汽很多制造業(yè)，像富士康和汽車(chē)生產(chǎn)線大量使用機(jī)械手。很多自動(dòng)化生產(chǎn)線在現(xiàn)場(chǎng)焊接、電弧焊接、噴漆、切割、電子裝配和物流系統(tǒng)處理、包裝等工作，也是機(jī)器人的一部分完成。

3.2 軍事領(lǐng)域

排爆和排除炸彈等危險(xiǎn)工作以前只能靠我們?nèi)巳ヅ懦?，?dāng)機(jī)械手應(yīng)用后可以完全代替人去危險(xiǎn)的地方工作，這樣可以保護(hù)士兵的生命財(cái)產(chǎn)。

3.3 醫(yī)療領(lǐng)域

在醫(yī)療行業(yè)眾所周知使用最多的是納米機(jī)器人，可以對(duì)腫瘤進(jìn)行安全的切除，可以完成一些高難度的操作，很多醫(yī)療機(jī)器人可以更加準(zhǔn)確的進(jìn)行手術(shù)。

3.4 娛樂(lè)領(lǐng)域

機(jī)器人廣泛應(yīng)用于娛樂(lè)領(lǐng)域，例如，機(jī)器人足球比賽、機(jī)器人跳舞、機(jī)器人和機(jī)器人操作比賽、寵物等。機(jī)械手是在機(jī)械化和自動(dòng)化過(guò)程中發(fā)展的一種新裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)械手被廣泛應(yīng)用在自動(dòng)生產(chǎn)線上，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已在附近成為高科技、新技術(shù)的迅速發(fā)展，把機(jī)械手和各種應(yīng)用相結(jié)合創(chuàng)造出更大的利益，給人們帶來(lái)更多的方便。塑料機(jī)械已成為發(fā)展最快的行業(yè)之一，且每年需求增加。在我國(guó)的塑料機(jī)械行業(yè)高速發(fā)展的主要因素有兩個(gè)：一是高技術(shù)裝備的需求所帶來(lái)的設(shè)備更新和淘汰陳舊設(shè)備；二是國(guó)內(nèi)的加工行業(yè)對(duì)機(jī)器人的使用呈現(xiàn)多樣化發(fā)展。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人手的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行問(wèn)題也是未來(lái)發(fā)展的方向。工業(yè)機(jī)器人是近幾十年發(fā)展的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。智能機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支，它的特點(diǎn)是通過(guò)編程來(lái)完成預(yù)期的各種任務(wù)，在結(jié)構(gòu)和性能上的人和機(jī)的優(yōu)勢(shì)，特別是反映了人類(lèi)的智力和適應(yīng)性。機(jī)械手的準(zhǔn)確度和完成工作的能力，在各種環(huán)境中有著廣闊的發(fā)展前景。

4 機(jī)械手在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

4.1 機(jī)械手在國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀

由于種種原因，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展相對(duì)緩慢。目前，我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始計(jì)劃引進(jìn)工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人技術(shù)，通過(guò)引進(jìn)、模仿、改造、創(chuàng)新，機(jī)器人將能夠獲得快速發(fā)展。

經(jīng)過(guò)多年不斷努力，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人也出現(xiàn)了百花齊放的局面，很多機(jī)器人更加超越了其他發(fā)達(dá)國(guó)家。在制造業(yè)，特別是在汽車(chē)行業(yè)，工業(yè)機(jī)械已被廣泛使用。如毛坯制造（沖壓、鑄造、鍛造、機(jī)械加工、焊接等）、熱處理、表面涂層、切割、裝配、測(cè)試和倉(cāng)庫(kù)堆垛作業(yè)，機(jī)器人正在逐步取代人工操作。

4.2 機(jī)械手在國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)在1 9 4 7開(kāi)發(fā)一個(gè)可以遙控的機(jī)械手，1 9 4 8，開(kāi)發(fā)了一個(gè)機(jī)械主從機(jī)械手。第一個(gè)是從美國(guó)開(kāi)始發(fā)展的，1 9 5 4美國(guó)s.w e a r沃爾瑪提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請(qǐng)了專(zhuān)利。該專(zhuān)利的關(guān)鍵是利用伺服技術(shù)來(lái)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，機(jī)器人可以通過(guò)人類(lèi)的手來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)作的記錄和再現(xiàn)。這個(gè)機(jī)器人被稱為教學(xué)和回放機(jī)器人。幾乎所有的現(xiàn)有機(jī)器人都使用這種控制，1 9 5 8美國(guó)聯(lián)合控制公司開(kāi)發(fā)第一臺(tái)機(jī)器人手鉚接機(jī)器人。作為其中的一個(gè)機(jī)器人產(chǎn)品最早的實(shí)用模型（顯示）是美國(guó)的1 9 6 2，美國(guó)啟動(dòng)V E RS T RA NA MF與Un i ma t i o n公司推出“UNI MA T E”。這些工業(yè)機(jī)器人主要由相似的人的手和手臂組成，它可以代替繁重的勞動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化。1 9 6 3年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上，試制成了數(shù)控教學(xué)與回放的機(jī)械手。企業(yè)名稱是通用機(jī)械手（即通用自動(dòng)）。以轉(zhuǎn)臺(tái)為藍(lán)本的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，用液壓驅(qū)動(dòng)可帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)伸縮節(jié)距，作為滾筒控制系統(tǒng)的存儲(chǔ)裝置。在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了大量的坐標(biāo)通用機(jī)械手。在同一年，俄國(guó)的一家WE RF公司采用雙坐標(biāo)來(lái)發(fā)明了一種新型功能。中央柱的機(jī)械手可以旋轉(zhuǎn)和升降，液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也是一個(gè)教學(xué)和播放模式。這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在2 0世紀(jì)6 0年代初，這是國(guó)外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的基礎(chǔ)。1 9 7 8日本本田公司研發(fā)了一種小型的RI D S機(jī)器人，用于裝配操作和定位誤差的一個(gè)小型電子計(jì)算機(jī)控制小于1 mm。聯(lián)邦德國(guó)K n K a公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)器人，關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和過(guò)程控制的應(yīng)用。美國(guó)是在工業(yè)機(jī)器人方面發(fā)展最快，應(yīng)用最多的國(guó)家。

目前，大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人仍然屬于第一代，主要依靠手動(dòng)控制；控制方式是開(kāi)放的，沒(méi)有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是實(shí)現(xiàn)高度智能化。第二代機(jī)器人正在加緊開(kāi)發(fā)。它配備了一個(gè)微機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究和安裝各種傳感器，對(duì)感官信息進(jìn)行反饋，使柑橘采摘機(jī)器人具有感覺(jué)功能。第三代機(jī)器人可以獨(dú)立完成工作過(guò)程中的任務(wù)。

隨著工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，國(guó)際學(xué)術(shù)交流活動(dòng)非?；钴S，歐美國(guó)家和其他國(guó)家開(kāi)展了大量的學(xué)術(shù)交流。國(guó)際工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人會(huì)議I S I R決定召開(kāi)會(huì)議討論研究每年的柑橘采摘機(jī)器人的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。目前，很多行業(yè)的機(jī)器人主要用于全方位的使用，基本覆蓋了所有的行業(yè)，無(wú)論數(shù)量、品種和性能都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)柑橘采摘機(jī)器人代替人工操作，主要是在危險(xiǎn)操作（廣義）、多塵、高溫、噪聲、工作空間不適合人工操作的環(huán)境中。

國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是開(kāi)發(fā)一種智能機(jī)械手?？梢苑答佂獠織l件的變化，做出相應(yīng)的變化。由于位置稍有偏差，它可以糾正和檢測(cè)，重點(diǎn)是視覺(jué)和觸覺(jué)功能。已經(jīng)取得了一定的效果。視覺(jué)功能是安裝在機(jī)器人手上的電視攝像機(jī)和光學(xué)測(cè)距儀和微型計(jì)算機(jī)。工作是將電視攝像機(jī)的圖像的對(duì)象轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)，然后發(fā)送到計(jì)算機(jī)上，以分析對(duì)象的類(lèi)型、大小、顏色和位置，并發(fā)出命令來(lái)控制機(jī)器人的工作。觸覺(jué)功能是安裝在機(jī)器人手上的觸覺(jué)反饋控制裝置。工作時(shí)，首先把機(jī)器人調(diào)到所需要的位置，通過(guò)安裝在手指上的傳感器對(duì)工件實(shí)現(xiàn)定位，當(dāng)信號(hào)反饋到傳感器中再進(jìn)行命令。手柄尺寸由安裝在手指上的敏感元件來(lái)控制，從而實(shí)現(xiàn)手柄尺寸的自動(dòng)調(diào)整?？傊S著傳感技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手裝配作業(yè)的能力將得到進(jìn)一步的提高。將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，更重要的是要改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的手工操作狀態(tài)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人手的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。目前，機(jī)械手的使用范圍已經(jīng)向多方面發(fā)展，而且在各個(gè)行業(yè)都取得了不錯(cuò)的成就，因此對(duì)機(jī)械手的更一步研究更加重要。

5 機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)

（1）工業(yè)機(jī)械手可繼續(xù)改進(jìn)（高速、高精度、高可靠性、易操作和維護(hù)）。（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)的模塊化，可重構(gòu)開(kāi)發(fā)。（3）工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)在基于P C機(jī)的開(kāi)放式控制系統(tǒng)的方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備；集成控制柜的改進(jìn)、結(jié)構(gòu)緊湊、模塊化結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性、可操作性和可維護(hù)性。（4）傳感器起著重要的作用，裝配、焊接機(jī)器人還用于視覺(jué)、觸覺(jué)傳感器和使用融合技術(shù)的遠(yuǎn)程機(jī)器人；在產(chǎn)品配置系統(tǒng)的多傳感器融合技術(shù)已經(jīng)成熟的應(yīng)用。（5）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械手的仿真，從開(kāi)發(fā)到排練的過(guò)程控制，如遙控器操作人員在操作環(huán)境中的遙控器的感覺(jué)。（6）當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)是非自治系統(tǒng)的人機(jī)交互控制的追求，是致力于運(yùn)營(yíng)商和機(jī)械手，形成一個(gè)完整的系統(tǒng)，智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。

6 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹機(jī)械手在工業(yè)中的應(yīng)用情況以及其使用范圍，講述了機(jī)械手發(fā)展的意義，講述了機(jī)械手在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，然后對(duì)其在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展進(jìn)行綜述，最后對(duì)機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析，得出機(jī)器人以后的主要發(fā)展方向。

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