淺談機械手的研究進展

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）

淺談機械手的研究進展

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）

機械手在最近幾十年發(fā)展迅速，作為一種新技術被廣泛用于工程實踐中，機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)中面對的問題。本文主要對機械手在工業(yè)中的應用情況，講述了機械手發(fā)展的意義，接著講述了機械手在各個領域的發(fā)展，然后對其在國內(nèi)外的發(fā)展進行綜述，最后對機械手的發(fā)展趨勢進行了分析。

機械手；自動化；工業(yè)機械人

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和工業(yè)自動化水平的不斷提高，許多企業(yè)都尋求機器人代替勞動力，實現(xiàn)工業(yè)的自動化，因此工業(yè)機器人應運而生。眾所周知，手是人類實現(xiàn)勞動生產(chǎn)力最為關鍵的一環(huán)，由此可見機械手也是機器人中最關鍵的部位，很多功能都得依靠機械手實現(xiàn)，已經(jīng)引起人們的重視。

機械手從結(jié)構(gòu)還有結(jié)構(gòu)形式上看簡單，專用性和實用性強，簡單的說就是機械的上下料裝置。機械手在美國發(fā)展最早，隨后很多國家都積極發(fā)展機械手以及對它的研究，每個國家都取得了不錯的成果。各行各行都涌現(xiàn)出各式各樣的機器手，在農(nóng)業(yè)用機器手采摘水果修剪樹葉，在軍事領域用機械手排除炸彈和危險品，在醫(yī)藥行業(yè)出現(xiàn)了納米機器人，在碼頭出現(xiàn)了搬運機械手等。從圖1可以看出，機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，可以靈活的應用手指干活，因此機械手也是趨向于模仿這些功能。

機械手手腕運動有：繞X軸轉(zhuǎn)動稱回轉(zhuǎn)運動，繞y軸轉(zhuǎn)動稱為上下擺動(或節(jié)距)，繞Z軸轉(zhuǎn)動稱為左右擺動，沿y軸方向的稱為橫向移動(或沿Z軸方向縱向移動)。因此，手腕有一個最大的四個獨立的運動，即四個自由度。腕關節(jié)設計的基本要求可以概括為以下三點：（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)和動載荷。顯然，手腕上的結(jié)構(gòu)、重量和功率負荷，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計，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。（2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局。作為機械手的手腕，并承擔著連接和支撐的功能，除了保證力和運動的要求外，必須有足夠的強度、剛度，合理的布局也應考慮，并解決了手腕和手臂的連接。（3）必須考慮工作條件。機械手的工作條件沒有太大的影響的環(huán)境，所以機械手腕沒有太多不利因素。

圖1 工業(yè)機械手

1 研究意義

機器人手主要由三個部分組成，手、運動機構(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），運動或復合運動達到規(guī)定的動作，改變物體的位置和姿態(tài)來把握。升降、拉伸、旋轉(zhuǎn)等獨立運動的運動機制，稱為機械手的自由度。為了抓住任何位置和方向的對象在空間中，有6個自由度。自由度是機械手設計中的關鍵參數(shù)。自由度越大，機械手的靈活性越大，通用性越廣，結(jié)構(gòu)越復雜。一般專用機械手有2個3度的自由度。控制系統(tǒng)是通過控制每個機器人的自由度來完成具體動作的。在同一時間，接收傳感器的反饋，并形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制。控制系統(tǒng)的核心通常是由單片機或數(shù)字信號處理器等微控制芯片組成。

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

2 機械手的應用

2.1 完善生產(chǎn)過程自動化

機械手來實現(xiàn)ma t e r i a l c o n v e y o r工件的裝卸、刀具的更換和機械裝配等自動化程度的應用，可以提高勞動生產(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，手動操作是危險的或不可能的，而應用的機械手可以代替部分或全部的安全工作，勞動條件得以改善。在一些簡單的、重復的，尤其是重操作的工作，可以用機械手代替人，可以避免由于操作或個人疏忽引起的意外。

2.3 可以減少人為誤差，并便于生產(chǎn)的節(jié)奏

因為機械手可以周而復始的做一個動作，因此可以節(jié)省大量的時間，由于機械手的應用可以連續(xù)操作，它永遠能保持一樣的加工精度，不會產(chǎn)生人為誤差。因此，在自動機床的綜合加工自動線，對機械手的使用越來越多，工廠更加依賴機械手使用。因此，機械手的廣泛被使用是根據(jù)時代進步所發(fā)展的，是以后必然發(fā)展的結(jié)果。

3 機械手發(fā)展的領域

3.1 工業(yè)制造領域

機器人在傳統(tǒng)制造業(yè)中可以保證機械加工的精度，同時也能提高其高效率，如汽很多制造業(yè)，像富士康和汽車生產(chǎn)線大量使用機械手。很多自動化生產(chǎn)線在現(xiàn)場焊接、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，也是機器人的一部分完成。

3.2 軍事領域

排爆和排除炸彈等危險工作以前只能靠我們?nèi)巳ヅ懦敊C械手應用后可以完全代替人去危險的地方工作，這樣可以保護士兵的生命財產(chǎn)。

3.3 醫(yī)療領域

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

3.4 娛樂領域

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

隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，機器人手的網(wǎng)絡運行問題也是未來發(fā)展的方向。工業(yè)機器人是近幾十年發(fā)展的一種高科技自動化生產(chǎn)設備。智能機器人是工業(yè)機器人的一個重要分支，它的特點是通過編程來完成預期的各種任務，在結(jié)構(gòu)和性能上的人和機的優(yōu)勢，特別是反映了人類的智力和適應性。機械手的準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 機械手在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

4.1 機械手在國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀

由于種種原因，我國工業(yè)機器人技術的發(fā)展相對緩慢。目前，我國已經(jīng)開始計劃引進工業(yè)柑橘采摘機器人技術，通過引進、模仿、改造、創(chuàng)新，機器人將能夠獲得快速發(fā)展。

經(jīng)過多年不斷努力，我國的工業(yè)機器人也出現(xiàn)了百花齊放的局面，很多機器人更加超越了其他發(fā)達國家。在制造業(yè)，特別是在汽車行業(yè)，工業(yè)機械已被廣泛使用。如毛坯制造（沖壓、鑄造、鍛造、機械加工、焊接等）、熱處理、表面涂層、切割、裝配、測試和倉庫堆垛作業(yè)，機器人正在逐步取代人工操作。

4.2 機械手在國外的發(fā)展現(xiàn)狀

美國在1 9 4 7開發(fā)一個可以遙控的機械手，1 9 4 8，開發(fā)了一個機械主從機械手。第一個是從美國開始發(fā)展的，1 9 5 4美國s.w e a r沃爾瑪提出了工業(yè)機器人的概念，并申請了專利。該專利的關鍵是利用伺服技術來控制機器人的關節(jié)，機器人可以通過人類的手來實現(xiàn)對動作的記錄和再現(xiàn)。這個機器人被稱為教學和回放機器人。幾乎所有的現(xiàn)有機器人都使用這種控制，1 9 5 8美國聯(lián)合控制公司開發(fā)第一臺機器人手鉚接機器人。作為其中的一個機器人產(chǎn)品最早的實用模型（顯示）是美國的1 9 6 2，美國啟動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，以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化。1 9 6 3年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎上，試制成了數(shù)控教學與回放的機械手。企業(yè)名稱是通用機械手（即通用自動）。以轉(zhuǎn)臺為藍本的運動系統(tǒng)，用液壓驅(qū)動可帶動旋轉(zhuǎn)伸縮節(jié)距，作為滾筒控制系統(tǒng)的存儲裝置。在此基礎上開發(fā)了大量的坐標通用機械手。在同一年，俄國的一家WE RF公司采用雙坐標來發(fā)明了一種新型功能。中央柱的機械手可以旋轉(zhuǎn)和升降，液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)也是一個教學和播放模式。這兩種機械手出現(xiàn)在2 0世紀6 0年代初，這是國外工業(yè)機器人發(fā)展的基礎。1 9 7 8日本本田公司研發(fā)了一種小型的RI D S機器人，用于裝配操作和定位誤差的一個小型電子計算機控制小于1 mm。聯(lián)邦德國K n K a公司還生產(chǎn)一種點焊機器人，關節(jié)結(jié)構(gòu)和過程控制的應用。美國是在工業(yè)機器人方面發(fā)展最快，應用最多的國家。

目前，大多數(shù)工業(yè)機器人仍然屬于第一代，主要依靠手動控制；控制方式是開放的，沒有識別能力；改進的方向主要是實現(xiàn)高度智能化。第二代機器人正在加緊開發(fā)。它配備了一個微機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究和安裝各種傳感器，對感官信息進行反饋，使柑橘采摘機器人具有感覺功能。第三代機器人可以獨立完成工作過程中的任務。

隨著工業(yè)機器人在制造業(yè)和應用領域的不斷擴大，國際學術交流活動非常活躍，歐美國家和其他國家開展了大量的學術交流。國際工業(yè)柑橘采摘機器人會議I S I R決定召開會議討論研究每年的柑橘采摘機器人的開發(fā)應用。目前，很多行業(yè)的機器人主要用于全方位的使用，基本覆蓋了所有的行業(yè)，無論數(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)柑橘采摘機器人代替人工操作，主要是在危險操作（廣義）、多塵、高溫、噪聲、工作空間不適合人工操作的環(huán)境中。

國外機械手的發(fā)展趨勢是開發(fā)一種智能機械手。可以反饋外部條件的變化，做出相應的變化。由于位置稍有偏差，它可以糾正和檢測，重點是視覺和觸覺功能。已經(jīng)取得了一定的效果。視覺功能是安裝在機器人手上的電視攝像機和光學測距儀和微型計算機。工作是將電視攝像機的圖像的對象轉(zhuǎn)換成視頻信號，然后發(fā)送到計算機上，以分析對象的類型、大小、顏色和位置，并發(fā)出命令來控制機器人的工作。觸覺功能是安裝在機器人手上的觸覺反饋控制裝置。工作時，首先把機器人調(diào)到所需要的位置，通過安裝在手指上的傳感器對工件實現(xiàn)定位，當信號反饋到傳感器中再進行命令。手柄尺寸由安裝在手指上的敏感元件來控制，從而實現(xiàn)手柄尺寸的自動調(diào)整。總之，隨著傳感技術的發(fā)展，機械手裝配作業(yè)的能力將得到進一步的提高。將機械手、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械制造系統(tǒng)的手工操作狀態(tài)。隨著科學技術的發(fā)展，機器人手的應用領域也在不斷擴大。目前，機械手的使用范圍已經(jīng)向多方面發(fā)展，而且在各個行業(yè)都取得了不錯的成就，因此對機械手的更一步研究更加重要。

5 機械手的發(fā)展趨勢

（1）工業(yè)機械手可繼續(xù)改進（高速、高精度、高可靠性、易操作和維護）。（2）機械結(jié)構(gòu)的模塊化，可重構(gòu)開發(fā)。（3）工業(yè)機械手控制系統(tǒng)在基于P C機的開放式控制系統(tǒng)的方向發(fā)展，便于標準化和網(wǎng)絡化設備；集成控制柜的改進、結(jié)構(gòu)緊湊、模塊化結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性、可操作性和可維護性。（4）傳感器起著重要的作用，裝配、焊接機器人還用于視覺、觸覺傳感器和使用融合技術的遠程機器人；在產(chǎn)品配置系統(tǒng)的多傳感器融合技術已經(jīng)成熟的應用。（5）虛擬現(xiàn)實技術在機械手的仿真，從開發(fā)到排練的過程控制，如遙控器操作人員在操作環(huán)境中的遙控器的感覺。（6）當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點是非自治系統(tǒng)的人機交互控制的追求，是致力于運營商和機械手，形成一個完整的系統(tǒng)，智能機器人走出實驗室進入實用化階段。

6 結(jié)語

本文主要介紹機械手在工業(yè)中的應用情況以及其使用范圍，講述了機械手發(fā)展的意義，講述了機械手在各個領域的發(fā)展，然后對其在國內(nèi)外的發(fā)展進行綜述，最后對機械手的發(fā)展趨勢進行了分析，得出機器人以后的主要發(fā)展方向。

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