典型機械手臂研究現狀綜述

寧致遠

（山東省臨邑縣第一中學 山東 臨邑 251500）

1 引言

隨著工業4.0科技革命的到來，工業機器人已成為工業化程度的重要標志[1]。機械手臂是工業應用和理論研究中最為典型也是最早出現的工業機器人，也是在工業化和自動化中發展起來的一種新型裝置。它可以提高產品質量、提高勞動強度、避免人身事故的發生、改善勞動條件，廣泛應用于焊接、噴涂、裝配、搬運等作業環境中，大大節約了勞動成本。本論文將通過綜述機械手臂的發展歷程、國內外研究現狀、各典型機械手臂的特點等內容，并提出了未來機械手臂的發展方向。

2 幾種典型機械手臂

2.1 關節型機械手臂

關節型機械手臂是目前工業機器人中應用最廣泛的一種，主要由以下幾部分組成[2]：運動元件、導向裝置、冷卻裝置、自動檢測裝置等。這種機械手臂一般具有以下特點：

（1）自由度高，現在常見的關節型機械手臂的自由度可達6～7個自由度；

（2）各關節相互獨立，可調節性強；

（3）機構設計簡單，求正解方便可行。但是該機械手臂的承載力較小，重復精度較差；

（4）各部件間因磨擦而產生的磨損較大，不利于重復的高精度；

（5）在高速運作中不易平衡慣性力和慣性力矩。

2.2 仿人機械手臂

目前，仿人機械手臂根據每個手指的驅動器數目可以分為靈巧手和欠驅動手[3]。靈巧手功能的實現至少需要3個手指[4]，并且每個手指至少有3個驅動器和3個自由度，所以整個手的自由度很高，但是其感知系統過于復雜，攜帶和維護不便。欠驅動手同樣每個手指有3個以上的自由度，但只有一個驅動器，對復雜形狀的物體具有很強的自適應能力；除此之外，欠驅動結構簡單、輕量化，操作便捷。

2.3 柔性機械手臂

柔性機械臂的連桿是剛性的，其鉸鏈為柔性的。當柔性鉸鏈在受到外力或力矩的情況下，材料發生彈性變形并在相鄰桿件之間產生相對運動。柔性機械手臂的運動行程、精度剛度和強度在很大程度上受到材料屬性的影響，并且柔性機構受到振動后會嚴重影響其控制的精度及系統的穩定[5]。因此，對柔性機械臂結構設計和控制方法的研究，即如何從結構設計、運動學、動力學和控制方面考慮避免、減小和消除彈性變形和彈性振動的影響是柔性機械臂的研究熱點[6]。

2.4 并聯機械手臂

并聯機構是一種由多個并行鏈構成的閉環系統，采用多個并行鏈構成的閉環機構，零部件數目也大幅減少，容易實現組裝和模塊化[7]。并聯機械手臂具有以下結構特點：剛度較大，載荷自重比高，基本無誤差積累，不增加運動負荷，各項同性好等。正是因為并聯機構的這些特點，常被用于虛擬軸機床，運動模擬器和機器人操作器[8]等。

3 機械手臂的發展現狀

3.1 國外發展現狀

機械手臂的產生是基于仿生學為解放人類手臂而產生的一種機械裝置，從1958年美國研制出的第一臺示教型機械手臂到現在的可用于人類假肢的高智能機械手臂[9]，按照其自動化程度可大致分為三個階段：主動式遙控機器人、監控室遙控機器人和自由式機器人。在20世紀60年代之前是機械手臂發展的初期階段，功能較為單一。60年代后期，機械手臂逐漸應用于工業生產，如噴漆、弧焊等工序；70年代，人們開始致力于仿人機械手臂的研究，來提高機械手臂的抓取性能，如日本的Okada手、通用公司的Handyman手等。80年代一批著名的擬人機械手臂問世，如Stanford/JPL手、Utah/MIT手等。90年代研制出的靈巧手在手指構型方面有所提高，感知功能也更加豐富，如NASA手、DIST手等。21世紀新開發的靈巧手較少，大多是在前面靈巧手基礎上的提高，如Shadow手、Gifu-Ⅱ手、UBH3手等。

3.2 國內發展現狀

我國機械手臂的研究起步于上世紀70年代，1972年我國第一臺機械手臂在上海開發成功。此后，廣州機床研究所和北京機床研究所合作設計制造了點焊機器人，北京機械自動化研究所設計制造了噴涂機器人，沈陽工業大學設計制造了裝卸載機器人等。我國于20世紀80年代開始研制仿人機械手，較有代表性的是北京航空航天大學機器人研究所研制的三指機器人手BUAA1、BUAA2、BUAA3手以及四指擬人機械手BUAA4和哈爾濱工業大學研制的三代仿人機器人擬人機械手等。相較于國外，柔性關節機械臂的研究還處于起步階段，哈爾濱工業大學、上海交通大學都對柔性機械手臂進行了設計和制造。在并聯機械手方面，國內學者也進行了大量研究，燕山大學黃真教授和金振林教授、天津大學黃田教授、北京航空航天大學團隊等先后對并聯機器人進行了深入研究并發表了相應成果。

4 機械手臂的發展趨勢

目前，機械手臂的分類更加細致，尤其是機械手和智能形位檢測系統的結合使其能夠在更廣泛的領域發揮作用，如工業、醫療、農業、服務業等；基于人類肌肉驅動的機械手臂正在不斷發展，仿生程度和柔性、靈活程度更高；另外，具有觸覺、視覺等功能的智能機械手也正在高速發展。

（1）繼續研究柔性機械手臂。在較為完善的剛性機械手臂基礎上進行柔性機構的求解方法和關鍵性控制問題的研究。

（2）研究串-并聯機械手臂。兼顧串聯和并聯機構的優點，又基于仿生學的啟發，構造一種并-串結構的仿人機械手臂具有十分重要的科學意義和應用價值。

（3）提高機械手臂的智能程度。繼續研究增強機械手臂的感知覺能力，使其具有更加強大的仿人功能，以期能夠為殘疾人提供高智能的假肢。

（4）研究環境適應能力更強的機械手臂。研究具有環境適應能力更強的航空航天機械手臂、暴風救援機械手臂、火災救援機械手臂、潛水機械手臂等。

5 結語

本論文通過綜述機械手臂的國內外研究現狀等內容，總結了機械手臂的定義與分類及各自的結構功能，提出未來機械手臂的發展方向。并且綜述了幾種常見的機械手臂：關節型機械手機械手臂、并聯機械手臂等，分析了它們的特點，以及它們各自的發展歷程和研究現狀。

[1]孫志杰，王善軍，張雪鑫.工業機器人發展現狀與趨勢[J].吉林工程技術師范學院學報，2011，27(7):61-62.

[2]鄧超群.簡單機械手的設計與研究[J].煤礦機械，2015，36(10):187-188.

[3]羅金良.可變約束和機械自適應結構的綜合設計與應用研究[D].重慶:重慶大學，2008.

[4]卜奪奪.仿人機器人欠驅動靈巧手研究[D].杭州電子科技大學，2012.

[5]張元興，羅金良，何價來.擬人機械手的研究與發展[J].現代機械，2013(6):1-5.

[6]黎昌勇.柔性機械臂研究方法淺析[J].中國科技博覽，2009(27):26-27.

[7]高峰.機構學研究現狀與發展趨勢的思考[J].機械工程學報，2005，41(8):3-17.

[8]梁輝，徐輝，郭倫.一種并-串結構機械手臂的研究[J].青島科技大學學報:自然科學版，2013，34(6):613-617.

[9]郭洪武.淺析機械手的應用與發展趨勢[J].中國西部科技，2012，11(10):3-3.