機械手臂在機械工程技術領域的應用

夏振魯

（德州職業技術學院，山東德州 253500）

1 機械手臂的優點分析

機械手臂的發明采用了仿生技術，它仿照人類的手臂運動，機械手臂的末端執行器是特殊材料制成的手指。機械手臂包括伺服驅動機構、機械框架部分、控制系統、不同種類的傳感器等。機械手臂的關節可以使機械手臂改變運動方向，實現大范圍的運動，改變機械手的位置。機械手負責控制工程材料。機械手臂的能力強于人類的手臂，機械手臂的自由度高于人類手臂，可以在三維空間內自由運動，因此可以達到人類手臂觸碰不到的位置。機械手臂在人類手臂的基礎上進行創新，有許多品種，適應于不同的工作。機械手臂是智能機器人的基礎。在許多危險環境下的工作中，如果使用人工完成，稍有不慎就會有很大的危險。為了避免工人受傷，機械手臂可以代替工人的工作。很多制造產品對精密度的要求很高，使用人工會造成很大的誤差，導致生產出的產品質量不過關。機械手臂的精度更高，使用機械手臂完成高精度的工作可以給企業和社會帶來更高的經濟效益。人類在較多的工作中容易疲憊，而機械手臂卻可以完成非常多的工作，機械手臂不會感覺到累，休息的時間幾乎很少，可以完成高強度的工作。

2 機械手臂的應用分析

機械手臂的運動受機械手臂系統的控制。機械手臂的運動特性隨著系統的設定而改變。通過設定相應程序可以使機械手臂按照要求完成任務。使用某些可以編輯程序的軟件對機械手臂建立相關的數學模型，并且使用仿真軟件進行測試，測試成功后對機械手臂的質量和功能進行實驗檢測。相關人員對機械手臂下達命令，機械手臂可以高效率的完成工作任務。

工業制造更加追求自動化和智能化，機械手臂應用范圍非常廣。例如，利用機械手臂完成危險的實驗項目，使用機械手臂進行汽車制造、醫學治療、農業生產、休閑娛樂、軍事戰爭、探索自然等活動。

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

機械手臂可以應用于對身體產生危害的實驗中?？蒲腥藛T在實驗室中難免會進行一些危害性較大的實驗，如可能會產生有害氣體的實驗、會出現對身體有害的放射性物質的實驗、易發生爆炸的實驗等等。機械手臂最初的應用就來源于實驗室?？蒲腥藛T在做含有危害身體健康的放射性物質的實驗時，為了避免對自己身體產生危害，就設計了和人類手臂具有相似功能的機械臂，機械手臂從此誕生了。機械手臂代替了實驗室的研究人員進行實驗，機械手臂不會受有毒有害物質的影響。使用機械手臂進行實驗，既保證了科研人員的安全，又為實驗成果做出了巨大的貢獻。自從第一臺機械手臂發明后，人們意識到了機械手臂的優點，對機械手臂的研究增多。使用計算機控制機械手臂實現了機械手臂的自動化和智能化，更多功能和種類的機械臂被發明出來。

機械手臂被廣泛應用于汽車制造行業。與其他行業相比，汽車制造業應用機械手臂的時間較長，大約有40 年。機械手臂的應用代表著汽車生產制造實現了自動化。與汽車制造有關的工作大多比較危險，而且對產品精度的要求也比較高。利用機械手臂安裝一些細小零件產生的誤差是非常小的，符合汽車制造行業的生產要求。越來越多危險系數較大的操作工序被機械手臂完成。機械手臂主要應用于工業制造方面，并且發展更新迅速。隨著的工作需求的增加，科研人員對機械手臂的實驗研究也逐漸增加。機械手臂更加傾向于自動化和智能化。

研究者模擬人手臂的各處關節和骨骼的運動創造出了機械手臂。為了讓生活更加方便更加輕松，機械手臂被應用在生活和休閑娛樂方面。機械手臂不僅可以用來做一些危險的實驗，還能完成一些沉重的工作。純人工在搬運重物時往往費時費力，一個質量很大的物品需要幾個人才能搬運。機械手臂的出現解決了搬運的問題。機械手臂可以代替工人完成費力的工作。兩關節機械手臂是機械手臂的一種，它因具有兩個關節而得名，經常用在工業制造中。兩關節手臂在運動方面具有多個自由度。與其他類型的機械手臂相比，兩關節的機械手臂更能實現對操作目標的近距離接觸。兩關節機械手臂使用特殊材料制成，能夠承載較大的重量。制造工業中使用兩關節機械手臂，能夠輕松的搬運、夾持重物，減輕工人的負擔，為企業帶來良好的經濟效益。在21 世紀，機械手臂已經成為了一個新型工業制造廠重要的設備，象征著從人工到機械生產的工業革命。隨著時代的發展，科技的進步，工業制造的要求也越來越高。機械手臂不僅局限于兩關節機械手臂，多關節機械手臂也相繼被發明創造出來。多關節機械手臂由電動機驅動，可以在三維空間內任意運動。多機械手臂的創造促進了機械工程技術的發展進步。大大提高了工業制造的生產效率。

機械手臂的發明為手臂殘疾的病人帶來了希望。機械手臂采用了仿生技術，仿照人類手臂的關節運功。醫療使用的機械手臂按照人類手臂的比例制作，關節數量、手臂大小與人手臂相同。安裝了機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。機械手臂的出現為殘疾人提供了方便，促進了我國醫療技術的發展，改善了手臂殘疾人的生活。醫療假肢機械手臂最理想的模型是與人的手臂結構相同、骨頭大小相同、關節數量相同，甚至連外表也相同。假肢機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，不會傷及殘疾人的自尊心。用作假肢的機械手臂可以實現個性定制化，根據殘疾人的比例1∶1定制，促進殘疾人更順暢地使用。機械手臂對靈活性的要求也比較高，在運動時要自然順暢。在醫療假肢機械手臂的選材上也要本著壽命長、不會對人體產生危害的原則。另外，機械手臂在抓取的時候要掌握好一定的力度，如抓取雞蛋時力度要稍微小一點，否則會把雞蛋抓碎。在抓取重物或者摩擦系數較小的物體時，就要使用較大的力度以防止物體摔落。更加先進的機械手臂正在被科學家們研究?？茖W家正在研究一種可以和人體神經連接的智能機械手臂。該機械手臂不僅可以拾取、夾持物體，還能夠感受外界對機械手臂產生的刺激，該機械手臂和人類的手臂一樣可以感受冷、熱、疼痛等刺激。使安裝后的機械手臂更具有真實性。這種先進的機械手臂還具有和人類相似的肌肉組織。

除此之外，機械手臂還可以輔助醫生治療病人。工作精度非常高的機械手臂可以成為醫生手術臺上的得力助手。我國正在加大力度地研究機械手臂的輔助治療功能。很多醫生在給病人進行手術操作時并不能保證手術的安全性和精確性，因此，以機械手臂為主體的自動化手術設備被科學家發明出來。使用機械手臂為病人做手術克服了傳統手術的不確定性和不安全性。例如在機械手臂上安裝微型攝像頭可以幫助醫生完成一些對細節精確度要求較高的手術。目前用來做手術的機械手臂還處在研究發明和實驗階段，相信在不久的未來，機械手術就可以逐漸被應用在醫療手術方面。對機械手臂的進一步研究是造福人類的大工程。

機械手臂在維護世界安全方面也做出了很大的貢獻。經歷過戰爭的土地上可能會被士兵埋入地雷，地雷一旦爆炸就會威脅附近人員的生命安全。土里埋藏的地雷還會對周圍的土壤造成污染，影響農作物的生長發育。地雷即使在土地里埋藏多年也有很大可能會爆炸。為此，科學家們發明了可以排雷的機械手臂，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

時代在發展，科技在進步，機械手臂的發展變化也越來越大。近年來，我國更加重視機械手臂在機械工程技術領域的應用研究。在科技迅速發展的今天，在工業制造方面對智能化自動化的要求也越來越高，機械制造業要抓住發展機遇，敢于創新，敢于挑戰，努力發展智能機械產品，對機械制造方面的難題要不懈鉆研，推進我國智能機械手臂行業的發展。