仿生機械手臂的研究進展及發(fā)展方

向常凱

摘 要：仿生機械手臂能夠輔助或替代人類完成高精度、高危險性的工作，隨著制造業(yè)和智能產(chǎn)業(yè)的快速的發(fā)展，仿生機械手臂技術(shù)發(fā)展迅速，在人們的日常生活和工業(yè)制造中得到廣泛的應(yīng)用。本文分析了幾種仿生機械手臂的基本原理和應(yīng)用情況，進一步的，根據(jù)各種仿生機械手臂的原理特點和應(yīng)用辛苦，對他們的發(fā)展前景進行了分析。

關(guān)鍵詞：仿生機械手臂;關(guān)節(jié)式機械手臂;氣動式機械手臂

中圖分類號：TB17 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）02-0101-02

現(xiàn)如今，自動化技術(shù)已經(jīng)滲透到人們生活的各個方面。仿生機械手臂是機器人技術(shù)與生物力學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，通常用來代替人類進行危險工作、高精度操作，所以，研究機械手臂具有重要意義[1]。與傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)相比，使用基于人工智能和人體工程力學(xué)的仿生機械手臂的極大程度解放了生產(chǎn)過程中的人力資源，從而在獲得更大利益的同時提高了工作效率，使一些行業(yè)的可操作性更強，生產(chǎn)精度更高。與此同時，仿生機械手臂能夠有效記錄工作日程，便于管理人員了解進度，進行維護和維修等。另一方面，隨著芯片技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展，仿生機械手臂的結(jié)構(gòu)越來越簡單、體積越來越小，各種基于仿生機械技術(shù)的機械手臂、機械腿被推出，這極大的方便了殘障人士，可以使得殘障人士高效、簡單的完成生活和工作的各個環(huán)節(jié)。上世紀(jì)80年代，北京航空航天大學(xué)已經(jīng)在開展三指以及四指機器人的研究，與此同時，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在機械手臂方面的研究也取得了突破性的進展。但是與國外在柔性關(guān)節(jié)機械臂方面的研究相比，我國仍然處于起步階段。在國外，上世紀(jì)60年代后期便開始將機械手臂投入工業(yè)生產(chǎn);70年代，人們便開始致力于仿人機械手臂的研究;90年代顯著提高了手指構(gòu)型的靈巧性，同時對于感知功能的研究也得到了長足的發(fā)展。不難看出，國內(nèi)外對于此的研究仍存在著不小的差距。因此，我們需要在該方面進行廣泛的研究，以彌補現(xiàn)有差距[2-3]。

1 仿生機械手臂的原理

關(guān)節(jié)式機械手臂是目前工業(yè)機器人中應(yīng)用最廣泛的一種，主要包括運動元件、導(dǎo)向裝置、冷卻裝置、自動檢測裝置等，典型的關(guān)節(jié)式機械手臂如圖1所示。關(guān)節(jié)式機械手臂有大臂與小臂擺動，以及肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的運動。具有上肢結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)近似人手操作的機能，需要研制最合適的結(jié)構(gòu)。常見的關(guān)節(jié)式機械手臂的傳動機構(gòu)一般采用擺動式、齒條式以及齒輪式，根據(jù)具體的工況選擇采用具體的傳動機構(gòu)。關(guān)節(jié)式機械手臂在日常生活中應(yīng)用廣泛，主要有噴漆、表面處理、測試、測量、切割、自動裝配、噴漆、搬運、焊接等工作。氣動式機械手臂包括執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等，典型的氣動式機械手臂如圖2所示。通過PLC程序控制氣壓傳動裝置根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序，按照一定的順序、一定的運動軌跡、一定的速度以及一定的時間來完成動作。在執(zhí)行過程中，控制系統(tǒng)除了進行指令發(fā)出之外還需要進行動作反饋監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)操作裝置出現(xiàn)錯誤或者系統(tǒng)出現(xiàn)故障，那么控制系統(tǒng)停止操作，給出報警信號以及錯誤代碼。在進行動作反饋監(jiān)控時，位置檢測傳感器實時監(jiān)測執(zhí)行機構(gòu)的位置，并實時反饋給動作反饋監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)將獲得的實時位置與預(yù)先設(shè)定的位置進行比較，若沒有異常則繼續(xù)監(jiān)控，若出現(xiàn)異常，則給系統(tǒng)發(fā)出調(diào)整指令，如果系統(tǒng)能夠自動調(diào)整，則給出報警記錄，若系統(tǒng)不能自己調(diào)整，則系統(tǒng)暫停，發(fā)出報警，工作人員介入。氣動式機械手臂具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動作快、節(jié)能環(huán)保、無級調(diào)速、過載保護等優(yōu)點，所以被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、家電制造業(yè)、食品和藥品包裝流水線、精密儀器控制等方面[4]。

2 仿生機械手臂的應(yīng)用

仿生機械手臂在機械制造行業(yè)中有著重要的地位。在制造業(yè)當(dāng)中，噴漆機械臂、澆注機械臂等都被大量的投入使用?；『笝C械臂、點焊機械臂及搬運機械臂也廣泛應(yīng)用與傳統(tǒng)工業(yè)當(dāng)中。汽車制造流水線代表著高技術(shù)的領(lǐng)域，也是率先使用機械臂的領(lǐng)域。而且在高精度機床上，機械臂也發(fā)揮著重要作用。

在醫(yī)療行業(yè)，機械臂由于其編程化模式的操作，能夠代替人類實現(xiàn)更高精度的手術(shù)，同時利用精密儀器實現(xiàn)更加微小的創(chuàng)口，其商業(yè)價值不可忽略，已被醫(yī)療行業(yè)采用并投入到日常生活中。在醫(yī)療行業(yè)中，機械臂主要分為外科手術(shù)機械臂和康復(fù)醫(yī)療機械臂。對于外科手術(shù)而言，機械臂不能真正實現(xiàn)智能化手術(shù)過程，而是向手術(shù)提供了有用的機械化幫助，例如達芬奇手術(shù)系統(tǒng)和ZEUS機器人手術(shù)系統(tǒng)。而康復(fù)醫(yī)療機械臂的一個重要應(yīng)用場合就是恢復(fù)四肢殘廢者手臂或腿部實現(xiàn)像正常人一樣的功能，即在患者的殘疾部位裝上機械假肢，通過神經(jīng)和大腦實現(xiàn)連接，和正常人一樣通過意識控制機械假肢的運作。

近年來，電商和快遞業(yè)的爆發(fā)式增長催生了物流行業(yè)的蓬勃發(fā)展，其典型標(biāo)志是物流自動化進程的迅速加快。機械臂已成為現(xiàn)代物流系統(tǒng)迅速發(fā)展的重要組成部分。目前，機械臂在物流行業(yè)的運用主要集中在商品碼垛、拆垛、搬運等幾個環(huán)節(jié)，隨著機器人視覺技術(shù)的發(fā)展，揀貨環(huán)節(jié)也出現(xiàn)了機器人的應(yīng)用案例。碼垛機器人在歐洲、美國和日本的碼垛市場占有率超過90%，絕大多數(shù)碼垛作業(yè)由機器人完成。碼垛機器人不僅能夠長時間連續(xù)無故障進行碼垛行業(yè)，且碼垛速度快、精度高、碼垛質(zhì)量好，負重遠超人工碼垛作業(yè)。雖然碼垛機器人前期投入較高，但卻能實現(xiàn)邊際成本效用最大化。隨著人工成本的上升，物流行業(yè)對碼垛機器人的需求飛速上漲[5]。

3 仿生機械手臂的發(fā)展方向

在機械制造領(lǐng)域，主要的有結(jié)構(gòu)仿生和功能仿生。結(jié)構(gòu)基于生物（主要是動物）的肌肉結(jié)構(gòu)，通過分析其運行的機理等等，實現(xiàn)對生物結(jié)構(gòu)的仿制實現(xiàn)仿生機械手臂的構(gòu)造。這種結(jié)構(gòu)仿生的機理很大程度上基于生物體千百萬年的進化，所以得到的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性通常較高，且功能性極強，能顯著提高工作效率。具體的如模仿蝙蝠的高精度雷達、模仿蒼蠅的振動陀螺儀、模仿鯊魚皮的超級導(dǎo)管熱等，且隨著生物學(xué)的大力發(fā)展，越來越則涉及到更加復(fù)雜的領(lǐng)多的仿生機械將被發(fā)明出來。功能性的仿生機械域，其中，目前最相關(guān)的領(lǐng)域即使人工智能領(lǐng)域，計算機科學(xué)家、數(shù)據(jù)科學(xué)家、生物科學(xué)家協(xié)同合作，通過模擬人腦神經(jīng)元的結(jié)果，對計算機進行訓(xùn)練，使得計算機具有類似于人的感知、思考、判斷和決策能力，這是典型的功能性仿真，也是現(xiàn)在熱門的研究方向。

仿生機械的最初應(yīng)用就是在醫(yī)療領(lǐng)域，通過制造仿生手臂、仿生肢體，來彌補身體的缺陷，從而實現(xiàn)人體功能資料。然而，隨著技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的仿手臂、仿生肢體等將變得越來越輕、越來越耐用、越來越智能，從而進一步的協(xié)助肢體殘障人士。另一方面，高精度機械手臂在醫(yī)療過程中的廣泛應(yīng)用，使得手術(shù)的安全性大大提高，顯著的減少了手術(shù)創(chuàng)傷和術(shù)后感染的可能性，恢復(fù)時間明顯縮短。因此，在醫(yī)療領(lǐng)域，仿生機械的發(fā)展和前景巨大。

在新興行業(yè)中，如快遞的分揀和配送環(huán)節(jié)，阿里巴巴的菜鳥網(wǎng)絡(luò)中大量使用小型移動機器人實現(xiàn)分揀，具有精度高、速度快等特點，且能夠?qū)崿F(xiàn)自充電，大大降低了人力資源的使用，而京東公司的無人配送機器人也已經(jīng)在北京的相關(guān)高校投入使用，進一步的解決了最后一公里的配送問題，提供配送效率。

4 結(jié)語

本文對仿生機械的種類、研究情況以及發(fā)展方向進行了分析，其中，重點對兩種仿生機械手臂：關(guān)節(jié)式仿生機械手臂和氣動式仿生機械手臂的原理進行分析，指明了兩種結(jié)構(gòu)之間的差異以及在不同領(lǐng)域的應(yīng)用情況。此外，結(jié)合現(xiàn)有的應(yīng)用情況，對仿生機械在機械制造領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域和新型行業(yè)中的發(fā)展前景進行了剖析。在機械制造方面，通過對動物肌理的仿生可以獲取各種功能的設(shè)備，而通過對計算機進行大量的訓(xùn)練，可能獲得具有人工智能的計算機，從而實現(xiàn)模式識別、圖像識別、狀態(tài)預(yù)測等等復(fù)雜功能。在醫(yī)療領(lǐng)域，仿生機械的大量使用將顯著提高醫(yī)療水平，大大提高治愈率。在新興行業(yè)中，大量仿生機械的應(yīng)用也勢必會提高公司的乃至全設(shè)備的運行效率，降低人力資源和能源消耗。因此，仿生機械具有極大的研究價值和極廣的應(yīng)用前景。

參考文獻

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