仿生機械手臂的研究進展及發展方

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，隨著制造業和智能產業的快速的發展，仿生機械手臂技術發展迅速，在人們的日常生活和工業制造中得到廣泛的應用。本文分析了幾種仿生機械手臂的基本原理和應用情況，進一步的，根據各種仿生機械手臂的原理特點和應用辛苦，對他們的發展前景進行了分析。

關鍵詞：仿生機械手臂;關節式機械手臂;氣動式機械手臂

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

現如今，自動化技術已經滲透到人們生活的各個方面。仿生機械手臂是機器人技術與生物力學相結合的產物，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]。與傳統的機械結構相比，使用基于人工智能和人體工程力學的仿生機械手臂的極大程度解放了生產過程中的人力資源，從而在獲得更大利益的同時提高了工作效率，使一些行業的可操作性更強，生產精度更高。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，隨著芯片技術和軟件技術的發展，仿生機械手臂的結構越來越簡單、體積越來越小，各種基于仿生機械技術的機械手臂、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節。上世紀80年代，北京航空航天大學已經在開展三指以及四指機器人的研究，與此同時，哈爾濱工業大學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節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60年代后期便開始將機械手臂投入工業生產;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型的靈巧性，同時對于感知功能的研究也得到了長足的發展。不難看出，國內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，以彌補現有差距[2-3]。

1 仿生機械手臂的原理

關節式機械手臂是目前工業機器人中應用最廣泛的一種，主要包括運動元件、導向裝置、冷卻裝置、自動檢測裝置等，典型的關節式機械手臂如圖1所示。關節式機械手臂有大臂與小臂擺動，以及肘關節和肩關節的運動。具有上肢結構，可實現近似人手操作的機能，需要研制最合適的結構。常見的關節式機械手臂的傳動機構一般采用擺動式、齒條式以及齒輪式，根據具體的工況選擇采用具體的傳動機構。關節式機械手臂在日常生活中應用廣泛，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行機構、驅動系統、控制系統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預先設定的程序，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。在執行過程中，控制系統除了進行指令發出之外還需要進行動作反饋監控，一旦發現操作裝置出現錯誤或者系統出現故障，那么控制系統停止操作，給出報警信號以及錯誤代碼。在進行動作反饋監控時，位置檢測傳感器實時監測執行機構的位置，并實時反饋給動作反饋監控系統，系統將獲得的實時位置與預先設定的位置進行比較，若沒有異常則繼續監控，若出現異常，則給系統發出調整指令，如果系統能夠自動調整，則給出報警記錄，若系統不能自己調整，則系統暫停，發出報警，工作人員介入。氣動式機械手臂具有結構簡單、體積小、動作快、節能環保、無級調速、過載保護等優點，所以被廣泛應用于汽車制造業、家電制造業、食品和藥品包裝流水線、精密儀器控制等方面[4]。

2 仿生機械手臂的應用

仿生機械手臂在機械制造行業中有著重要的地位。在制造業當中，噴漆機械臂、澆注機械臂等都被大量的投入使用。弧焊機械臂、點焊機械臂及搬運機械臂也廣泛應用與傳統工業當中。汽車制造流水線代表著高技術的領域，也是率先使用機械臂的領域。而且在高精度機床上，機械臂也發揮著重要作用。

在醫療行業，機械臂由于其編程化模式的操作，能夠代替人類實現更高精度的手術，同時利用精密儀器實現更加微小的創口，其商業價值不可忽略，已被醫療行業采用并投入到日常生活中。在醫療行業中，機械臂主要分為外科手術機械臂和康復醫療機械臂。對于外科手術而言，機械臂不能真正實現智能化手術過程，而是向手術提供了有用的機械化幫助，例如達芬奇手術系統和ZEUS機器人手術系統。而康復醫療機械臂的一個重要應用場合就是恢復四肢殘廢者手臂或腿部實現像正常人一樣的功能，即在患者的殘疾部位裝上機械假肢，通過神經和大腦實現連接，和正常人一樣通過意識控制機械假肢的運作。

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

3 仿生機械手臂的發展方向

在機械制造領域，主要的有結構仿生和功能仿生。結構基于生物（主要是動物）的肌肉結構，通過分析其運行的機理等等，實現對生物結構的仿制實現仿生機械手臂的構造。這種結構仿生的機理很大程度上基于生物體千百萬年的進化，所以得到的結構穩定性通常較高，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管熱等，且隨著生物學的大力發展，越來越則涉及到更加復雜的領多的仿生機械將被發明出來。功能性的仿生機械域，其中，目前最相關的領域即使人工智能領域，計算機科學家、數據科學家、生物科學家協同合作，通過模擬人腦神經元的結果，對計算機進行訓練，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，也是現在熱門的研究方向。

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

在新興行業中，如快遞的分揀和配送環節，阿里巴巴的菜鳥網絡中大量使用小型移動機器人實現分揀，具有精度高、速度快等特點，且能夠實現自充電，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在北京的相關高校投入使用，進一步的解決了最后一公里的配送問題，提供配送效率。

4 結語

本文對仿生機械的種類、研究情況以及發展方向進行了分析，其中，重點對兩種仿生機械手臂：關節式仿生機械手臂和氣動式仿生機械手臂的原理進行分析，指明了兩種結構之間的差異以及在不同領域的應用情況。此外，結合現有的應用情況，對仿生機械在機械制造領域、醫療領域和新型行業中的發展前景進行了剖析。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備，而通過對計算機進行大量的訓練，可能獲得具有人工智能的計算機，從而實現模式識別、圖像識別、狀態預測等等復雜功能。在醫療領域，仿生機械的大量使用將顯著提高醫療水平，大大提高治愈率。在新興行業中，大量仿生機械的應用也勢必會提高公司的乃至全設備的運行效率，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用前景。

參考文獻

[1] 申瓊，何勇.仿生機械手結構設計與分析[J].東華大學學報：自然科學版，2002，28（1）：37-40.

[2] 雷鴻春，高康，甄慧慧，等.一種腦電遠程控制的仿生機械手臂[J].電子世界，2017（20）：99-99.

[3] 張昊，王超亮，田文龍，等.同步仿生機械臂設計[J].兵工自動化，2015，34（5）：77-80.

[4] 王利波，張志軍，王領.氣動類人仿生機械手設計[J].大連交通大學學報，2013，34（2）：63-66.

[5] 云彩霞，李珊，宋曉華，等.同步仿生機械臂設計[J].電子測試，2014（9）：10-11.