機(jī)械手臂在機(jī)械工程技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

夏振魯

（德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東德州 253500）

1 機(jī)械手臂的優(yōu)點(diǎn)分析

機(jī)械手臂的發(fā)明采用了仿生技術(shù)，它仿照人類的手臂運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手臂的末端執(zhí)行器是特殊材料制成的手指。機(jī)械手臂包括伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械框架部分、控制系統(tǒng)、不同種類的傳感器等。機(jī)械手臂的關(guān)節(jié)可以使機(jī)械手臂改變運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)大范圍的運(yùn)動(dòng)，改變機(jī)械手的位置。機(jī)械手負(fù)責(zé)控制工程材料。機(jī)械手臂的能力強(qiáng)于人類的手臂，機(jī)械手臂的自由度高于人類手臂，可以在三維空間內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，因此可以達(dá)到人類手臂觸碰不到的位置。機(jī)械手臂在人類手臂的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，有許多品種，適應(yīng)于不同的工作。機(jī)械手臂是智能機(jī)器人的基礎(chǔ)。在許多危險(xiǎn)環(huán)境下的工作中，如果使用人工完成，稍有不慎就會(huì)有很大的危險(xiǎn)。為了避免工人受傷，機(jī)械手臂可以代替工人的工作。很多制造產(chǎn)品對(duì)精密度的要求很高，使用人工會(huì)造成很大的誤差，導(dǎo)致生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)。機(jī)械手臂的精度更高，使用機(jī)械手臂完成高精度的工作可以給企業(yè)和社會(huì)帶來更高的經(jīng)濟(jì)效益。人類在較多的工作中容易疲憊，而機(jī)械手臂卻可以完成非常多的工作，機(jī)械手臂不會(huì)感覺到累，休息的時(shí)間幾乎很少，可以完成高強(qiáng)度的工作。

2 機(jī)械手臂的應(yīng)用分析

機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)受機(jī)械手臂系統(tǒng)的控制。機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)特性隨著系統(tǒng)的設(shè)定而改變。通過設(shè)定相應(yīng)程序可以使機(jī)械手臂按照要求完成任務(wù)。使用某些可以編輯程序的軟件對(duì)機(jī)械手臂建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，并且使用仿真軟件進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試成功后對(duì)機(jī)械手臂的質(zhì)量和功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。相關(guān)人員對(duì)機(jī)械手臂下達(dá)命令，機(jī)械手臂可以高效率的完成工作任務(wù)。

工業(yè)制造更加追求自動(dòng)化和智能化，機(jī)械手臂應(yīng)用范圍非常廣。例如，利用機(jī)械手臂完成危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使用機(jī)械手臂進(jìn)行汽車制造、醫(yī)學(xué)治療、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、休閑娛樂、軍事戰(zhàn)爭(zhēng)、探索自然等活動(dòng)。

機(jī)械手臂可以分為油田鉆井操作機(jī)械手臂、軟索式機(jī)械手臂、硬臂式助力機(jī)械手臂、多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂和T 形助力機(jī)械手臂。顧名思義，油田鉆井操作機(jī)械手臂是用來挖孔挖井的機(jī)械手臂。這種機(jī)械手臂分為上手臂和下手臂兩部分。上手臂在二層臺(tái)面上的中心臺(tái)上，起固定和穩(wěn)定作用。下手臂在水平距離下層臺(tái)井口2 m 左右的位置，下手臂為了方便鉆井往往采用鋒利且堅(jiān)硬的材料。軟索式機(jī)械手臂用于將物體升起，可以升起的高度較小。軟索式機(jī)械手臂的承載能力也相對(duì)較差，最多可以提起0.5 t 的重物。這種機(jī)械手臂采用固定在地面或懸掛的方式，靠自身儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣體交換運(yùn)動(dòng)。制造硬臂式助力機(jī)械手臂所需的材料比其他幾種機(jī)械手臂都要堅(jiān)硬。如果在拾取物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的扭矩，就要選用硬臂式助力機(jī)械手臂。硬臂式助力機(jī)械手臂可以承受的最大重量與最大高度都和軟索式機(jī)械手臂幾乎相同。多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂因具有更多的關(guān)節(jié)而運(yùn)動(dòng)更加靈活，自由度也更高，可以在三維空間內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)。多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂的精確度也比較高，在要求精確度較高的工程制造領(lǐng)域中很常見。這種機(jī)械手臂利用關(guān)節(jié)多的優(yōu)點(diǎn)可以很輕松地繞過障礙物進(jìn)行工作。T 形助力機(jī)械手臂將手臂的主體做成了字母T 的形狀，具有良好的穩(wěn)定性。T 形助力機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)受導(dǎo)軌的限制，可以向左、向右、向前、向后運(yùn)動(dòng)。在一些窄小的工作空間內(nèi)常常使用T形助力機(jī)械手臂。這種機(jī)械手臂有著較為完善的安全系統(tǒng)，考慮到相關(guān)人員和貨物的安全，在該手臂中加入了安全系統(tǒng)，在物品懸空的狀態(tài)下，即使機(jī)械手臂的松開按鈕被觸發(fā)，機(jī)械手也不會(huì)松開，提高了工作過程中的安全系數(shù)。

機(jī)械手臂可以應(yīng)用于對(duì)身體產(chǎn)生危害的實(shí)驗(yàn)中?？蒲腥藛T在實(shí)驗(yàn)室中難免會(huì)進(jìn)行一些危害性較大的實(shí)驗(yàn)，如可能會(huì)產(chǎn)生有害氣體的實(shí)驗(yàn)、會(huì)出現(xiàn)對(duì)身體有害的放射性物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)、易發(fā)生爆炸的實(shí)驗(yàn)等等。機(jī)械手臂最初的應(yīng)用就來源于實(shí)驗(yàn)室。科研人員在做含有危害身體健康的放射性物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了避免對(duì)自己身體產(chǎn)生危害，就設(shè)計(jì)了和人類手臂具有相似功能的機(jī)械臂，機(jī)械手臂從此誕生了。機(jī)械手臂代替了實(shí)驗(yàn)室的研究人員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，機(jī)械手臂不會(huì)受有毒有害物質(zhì)的影響。使用機(jī)械手臂進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，既保證了科研人員的安全，又為實(shí)驗(yàn)成果做出了巨大的貢獻(xiàn)。自從第一臺(tái)機(jī)械手臂發(fā)明后，人們意識(shí)到了機(jī)械手臂的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)機(jī)械手臂的研究增多。使用計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手臂實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手臂的自動(dòng)化和智能化，更多功能和種類的機(jī)械臂被發(fā)明出來。

機(jī)械手臂被廣泛應(yīng)用于汽車制造行業(yè)。與其他行業(yè)相比，汽車制造業(yè)應(yīng)用機(jī)械手臂的時(shí)間較長(zhǎng)，大約有40 年。機(jī)械手臂的應(yīng)用代表著汽車生產(chǎn)制造實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。與汽車制造有關(guān)的工作大多比較危險(xiǎn)，而且對(duì)產(chǎn)品精度的要求也比較高。利用機(jī)械手臂安裝一些細(xì)小零件產(chǎn)生的誤差是非常小的，符合汽車制造行業(yè)的生產(chǎn)要求。越來越多危險(xiǎn)系數(shù)較大的操作工序被機(jī)械手臂完成。機(jī)械手臂主要應(yīng)用于工業(yè)制造方面，并且發(fā)展更新迅速。隨著的工作需求的增加，科研人員對(duì)機(jī)械手臂的實(shí)驗(yàn)研究也逐漸增加。機(jī)械手臂更加傾向于自動(dòng)化和智能化。

研究者模擬人手臂的各處關(guān)節(jié)和骨骼的運(yùn)動(dòng)創(chuàng)造出了機(jī)械手臂。為了讓生活更加方便更加輕松，機(jī)械手臂被應(yīng)用在生活和休閑娛樂方面。機(jī)械手臂不僅可以用來做一些危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)，還能完成一些沉重的工作。純?nèi)斯ぴ诎徇\(yùn)重物時(shí)往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力，一個(gè)質(zhì)量很大的物品需要幾個(gè)人才能搬運(yùn)。機(jī)械手臂的出現(xiàn)解決了搬運(yùn)的問題。機(jī)械手臂可以代替工人完成費(fèi)力的工作。兩關(guān)節(jié)機(jī)械手臂是機(jī)械手臂的一種，它因具有兩個(gè)關(guān)節(jié)而得名，經(jīng)常用在工業(yè)制造中。兩關(guān)節(jié)手臂在運(yùn)動(dòng)方面具有多個(gè)自由度。與其他類型的機(jī)械手臂相比，兩關(guān)節(jié)的機(jī)械手臂更能實(shí)現(xiàn)對(duì)操作目標(biāo)的近距離接觸。兩關(guān)節(jié)機(jī)械手臂使用特殊材料制成，能夠承載較大的重量。制造工業(yè)中使用兩關(guān)節(jié)機(jī)械手臂，能夠輕松的搬運(yùn)、夾持重物，減輕工人的負(fù)擔(dān)，為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。在21 世紀(jì)，機(jī)械手臂已經(jīng)成為了一個(gè)新型工業(yè)制造廠重要的設(shè)備，象征著從人工到機(jī)械生產(chǎn)的工業(yè)革命。隨著時(shí)代的發(fā)展，科技的進(jìn)步，工業(yè)制造的要求也越來越高。機(jī)械手臂不僅局限于兩關(guān)節(jié)機(jī)械手臂，多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂也相繼被發(fā)明創(chuàng)造出來。多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以在三維空間內(nèi)任意運(yùn)動(dòng)。多機(jī)械手臂的創(chuàng)造促進(jìn)了機(jī)械工程技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步。大大提高了工業(yè)制造的生產(chǎn)效率。

機(jī)械手臂的發(fā)明為手臂殘疾的病人帶來了希望。機(jī)械手臂采用了仿生技術(shù)，仿照人類手臂的關(guān)節(jié)運(yùn)功。醫(yī)療使用的機(jī)械手臂按照人類手臂的比例制作，關(guān)節(jié)數(shù)量、手臂大小與人手臂相同。安裝了機(jī)械手臂的殘疾人就可以像正常人一樣靈活地使用手臂拿東西。機(jī)械手臂的出現(xiàn)為殘疾人提供了方便，促進(jìn)了我國(guó)醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，改善了手臂殘疾人的生活。醫(yī)療假肢機(jī)械手臂最理想的模型是與人的手臂結(jié)構(gòu)相同、骨頭大小相同、關(guān)節(jié)數(shù)量相同，甚至連外表也相同。假肢機(jī)械手臂可以完成任何人的手臂能夠完成的工作，外表人性化，不會(huì)傷及殘疾人的自尊心。用作假肢的機(jī)械手臂可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性定制化，根據(jù)殘疾人的比例1∶1定制，促進(jìn)殘疾人更順暢地使用。機(jī)械手臂對(duì)靈活性的要求也比較高，在運(yùn)動(dòng)時(shí)要自然順暢。在醫(yī)療假肢機(jī)械手臂的選材上也要本著壽命長(zhǎng)、不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害的原則。另外，機(jī)械手臂在抓取的時(shí)候要掌握好一定的力度，如抓取雞蛋時(shí)力度要稍微小一點(diǎn)，否則會(huì)把雞蛋抓碎。在抓取重物或者摩擦系數(shù)較小的物體時(shí)，就要使用較大的力度以防止物體摔落。更加先進(jìn)的機(jī)械手臂正在被科學(xué)家們研究?？茖W(xué)家正在研究一種可以和人體神經(jīng)連接的智能機(jī)械手臂。該機(jī)械手臂不僅可以拾取、夾持物體，還能夠感受外界對(duì)機(jī)械手臂產(chǎn)生的刺激，該機(jī)械手臂和人類的手臂一樣可以感受冷、熱、疼痛等刺激。使安裝后的機(jī)械手臂更具有真實(shí)性。這種先進(jìn)的機(jī)械手臂還具有和人類相似的肌肉組織。

除此之外，機(jī)械手臂還可以輔助醫(yī)生治療病人。工作精度非常高的機(jī)械手臂可以成為醫(yī)生手術(shù)臺(tái)上的得力助手。我國(guó)正在加大力度地研究機(jī)械手臂的輔助治療功能。很多醫(yī)生在給病人進(jìn)行手術(shù)操作時(shí)并不能保證手術(shù)的安全性和精確性，因此，以機(jī)械手臂為主體的自動(dòng)化手術(shù)設(shè)備被科學(xué)家發(fā)明出來。使用機(jī)械手臂為病人做手術(shù)克服了傳統(tǒng)手術(shù)的不確定性和不安全性。例如在機(jī)械手臂上安裝微型攝像頭可以幫助醫(yī)生完成一些對(duì)細(xì)節(jié)精確度要求較高的手術(shù)。目前用來做手術(shù)的機(jī)械手臂還處在研究發(fā)明和實(shí)驗(yàn)階段，相信在不久的未來，機(jī)械手術(shù)就可以逐漸被應(yīng)用在醫(yī)療手術(shù)方面。對(duì)機(jī)械手臂的進(jìn)一步研究是造福人類的大工程。

機(jī)械手臂在維護(hù)世界安全方面也做出了很大的貢獻(xiàn)。經(jīng)歷過戰(zhàn)爭(zhēng)的土地上可能會(huì)被士兵埋入地雷，地雷一旦爆炸就會(huì)威脅附近人員的生命安全。土里埋藏的地雷還會(huì)對(duì)周圍的土壤造成污染，影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育。地雷即使在土地里埋藏多年也有很大可能會(huì)爆炸。為此，科學(xué)家們發(fā)明了可以排雷的機(jī)械手臂，可以在無人接觸的情況下解除引爆裝置，保證人員的安全。

3 總結(jié)

時(shí)代在發(fā)展，科技在進(jìn)步，機(jī)械手臂的發(fā)展變化也越來越大。近年來，我國(guó)更加重視機(jī)械手臂在機(jī)械工程技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究。在科技迅速發(fā)展的今天，在工業(yè)制造方面對(duì)智能化自動(dòng)化的要求也越來越高，機(jī)械制造業(yè)要抓住發(fā)展機(jī)遇，敢于創(chuàng)新，敢于挑戰(zhàn)，努力發(fā)展智能機(jī)械產(chǎn)品，對(duì)機(jī)械制造方面的難題要不懈鉆研，推進(jìn)我國(guó)智能機(jī)械手臂行業(yè)的發(fā)展。