機械臂技術的研究現狀及其典型應用分析

程智超，王云漢，孫浩天，賈文哲，李 錕

(1.長春工程學院，長春 130000；2.長春建工集團吉泓建筑有限公司，長春 130000)

0 引言

隨著科技的快速發展，德國工業4.0以及中國制造2025規劃的出現，著重強調發展先進的機械技術。中國制造2025規劃中強調重點發展高檔數控機床、機械臂及高技術船舶、先進軌道交通裝備、農業機械裝備等多個領域，以提高制造業的水平。機械臂作為當今科研領域研究的一個熱點，其技術及應用應進一步得到優化和普及。機械臂因其效率高、穩定性好、惡劣環境適應性強等優點，在工業、農業等許多領域已經轉化為生產力為社會發展做出貢獻。然而傳統機械臂也存在自主性差、兼容性低等缺點，其多數應用在固定參數、流程甚至是固定運動軌跡的工作條件中，即使流程或工作對象發生細小改變也需要對作業系統和機械臂運動參數進行重新設定，因此，機械臂的技術升級工作和智能化研究是近年來的熱點問題。

1 國內機械臂市場分析

根據智研咨詢發布的《2020—2026年中國工業機械臂行業市場調研及投資方向研究報告》數據顯示：2017年我國機械臂市場規模為150.43億元，2018年我國機械臂市場規模為149.19億元。其中國產品牌市場規模從2014年的6.51億元增長至2018年的22.83億元；國外品牌市場規模從2014年的72.45億元增長至2018年的126.36億元，如圖1所示。

圖1 2014—2018年我國機械臂市場規模(億元)

圖2為2014—2018年我國機械臂市場銷量及國產品牌銷量對比，可見2014年我國機械臂產品銷量為3.60萬臺，其中國產品牌銷量為0.36萬臺，國產品牌占比為10.00%；到2018年我國機械臂銷量增長至9.72萬臺，其中國產品牌銷量增長至1.88萬臺，國產品牌占比從2014年的10.00%增長至2018年的19.34%。東部地區是我國工業機械臂主要生產區。主要分布在國內東部地區，東北和華東、華南是主要機械臂生產基地。由此看出，我國十分重視機械臂的發展前景，沒有國內自主研發機械臂，就沒有其為各個行業提供設備，不會有國民經濟及生產能力的進一步發展。

圖2 2014—2018年我國機械臂銷量及國產品牌占比

2 國內機械臂技術研究與應用情況

近年來，我國自主機械臂技術水平和應用能力得到顯著提升，例如越疆科技劉培超及團隊，憑借 “Dobot機械臂”項目，奪得中美創新創業大賽的二等獎，他的創立目標是制造一個價格低廉、操作精準的機械臂，供教育科研以及相關領域使用。關鍵技術的攻克歷經了將近3個月的時間，同時設計了7種控制方法。PC鼠標端、手機APP、腦電波控制、語音控制、手勢傳感器、體感控制、視覺識別，使得Dobot的使用方式更加符合人性，增加用戶好感。它能寫出漂亮的毛筆字和英文，能畫畫、切香腸，端水也不會灑出來，還可以搬運小小的螺絲釘，甚至還可以打字和3D打印，Dobot機械臂如圖3所示。

圖3 Dobot機械臂

現階段的機械臂產品廣泛應用于各種場合，但這種工作方式多數只能按照事先設置的位置進行重復的動作，無法感知周圍環境，其應用范圍因此受到一定的限制。我國機械臂多數應用在生產線上，這類機械臂主要工作于原料搬運、噴漆、焊接等工作場合，在應用方面，在第二汽車廠建立的我國第一條采用國產機械手的生產線——東風系列駕駛室多品種混流機械手噴涂生產線，該線由7臺國產PJ系列噴涂機械手和PM系列噴涂機械手和周邊設備構成，已運行10年，完成噴涂20萬輛東風系列駕駛室的生產任務，成為國產機械手應用的一個窗口。

紅旗轎車在引進消化先進技術的基礎上，為了配合紅旗轎車焊裝生產線的設計與實施，一汽集團與沈陽自動化所等單位聯合開發了120 kg點焊機器人。紅旗轎車焊裝生產線共裝備了6臺120 kg點焊機器人，提高了生產率，保證了生產質量。其中，一汽“紅旗”汽車機器人焊接生產線如圖4所示。

圖4 一汽“紅旗”汽車機器人焊接生產線

國內工業機械臂的發展十分迅速，政府頒布的政策支持也起到了很大的幫助作用。政府相繼頒布了《中國制造2020》《十三五規劃》和《機器人產業發展規劃(2016—2020年)》等政策扶持機器人產業的發展。有了政策支持，再加上機械臂的產品優勢和廣闊的市場需求，工業機械臂在國內的發展前景不可估量。

與傳統的機械臂相比，我國自主研究的桌面機械臂具有成本低、重量輕、占地面積小等突出優點。通過實驗證明，運用 Faster R-CNN 神經網絡比單純用 Open CV 做圖像識別，準確率有明顯提升。但其工作性能仍受很多因素影響，例如應用于農業水果采摘或抓取試驗時，由于機械手與水果有時會發生滑動、掉落等現象，并不是每次都能成功把抓取到的目標物體放入水果筐中。圖5 所示為桌面機械臂實際抓取水果圖，理論上來講，只要在桌面機械臂工作區范圍內，水果種類是 Faster R-CNN目標檢測網絡中已經定義過的，且識別后水果體積不大于機械抓手最大張開尺寸，桌面機械臂都會進行抓取，這為農業水果采摘及撿選自動化技術提供了支持。

圖5 機械臂抓取目標物體

3 國際典型機型及其應用特點

機械臂從20世紀40年代出現到目前為止，己經有將近80年的歷史了，在這樣的歷史長河中，人類對它的研究并沒有隨著時間的流逝而削弱，而是越發的投入和深入。生活因為機械臂的出現而變得多彩，現在可以通過一款機械臂來幫助我們完成任務，而不必自己動手。國外的機械臂研究現狀可以通過以下兩種機械臂的概況來簡單的介紹。

3.1 空間機械臂

空間機械臂是一個空間機電系統，這個系統由機、電、熱、控共同組成。隨著空間技術(特別是航天飛機、空間站、空間機器人等)的飛速發展。空間機械臂在太空中的應用越來越廣泛。空間機械臂主要有兩大類：艙外機械臂、艙內機械臂。前者針對不同的工作任務需求，其自由度通常為5～10個，長度通常是從幾米到十幾米，主要安裝載體在空間站、航天飛機、以及小型飛行器上。它主要的任務有:運送目標、輔助進行對接、攝影、在軌建設、抓捕或者釋放衛星等，此外它還可以作為輔助設備，幫助航天員進行出艙活動。而后者具有尺寸小、運動范圍小等特點，它的主要任務是更換設備部件、裝配設備以及打撈空間漂浮物等。

德國宇航中心在20世紀90年代研制并成功發射了小型空間機器臂系統ROTEX。這種系統安裝了各種類型的執行機構和傳感機構，擁有8個自由度。能夠精準的完成1 m的范圍內預設的操作。在“國際空間站”的美國艙段上，裝有NASA公司和Canada公司共同研制的自由飛行機器人，是當前正在進行的研究。這種飛行機器人由一個特殊用途的靈敏機械手(SPDM)(15個自由度、長3.5 m)和一個空間站遙控操作臂系統SSRMS (7個自由度，長17.6 m)組成。除此之外，由歐洲航天局主導開發的機械臂ERA還被日本和俄羅斯分別裝配在其國際空間站的所屬艙段上，這種機械臂長度大約11 m，并擁有7個自由度，國際空間站SSRMS機械臂如圖6 所示。

圖6 國際空間站SSRMS

3.2 關節型機械臂

RMP200機器人組成平臺如圖7所示，是由Segway(賽格威公司)與一家機器人制造商制造的RMP200輕機器人。其有一個相對較小的軌跡和高機動性能的平臺使它適應在室內環境移動。RMP200機器人具有較長的長臂和有效載荷比自身的重量,從而使其適合移動操作。

圖7 RMP200機器人組成平臺

日本早在20世紀80年代也開始了對農業采摘機械臂的研究。1984年，日本Kyoto大學開始了對番茄采摘機械臂的研究，并研制出了一個5自由度的關節型機械臂。1993年，日本Kondo 等人研制的番茄采摘機械臂具有7個自由度，其末端執行器由兩個機械手指和一個吸盤組成，視覺傳感器主要由彩色攝像機來尋找和識別成熟果實，利用雙目視覺方法對目標進行定位，行走裝置采用4輪結構。與此同時，Kondo 等人還針對草莓的高架栽培模式和傳統模型研制出了相應的草莓采摘機械臂。該機械臂具有5個自由度，視覺系統與番茄采摘機械臂類似，末端執行器采用真空系統加螺旋加速切割器。五自由度番茄采摘機械臂如圖8所示。

圖8 五自由度番茄采摘機械臂

KUKA醫療行業合作伙伴Sunya Tech(舜若科技)研制LBR med 系列作為靈敏的七軸輕型機器人可以簡單靈活地集成到醫療器械中，從而執行各種醫療活動。靈敏的傳感器技術、全面的安全防范、衛生方面優化過的表面，以及為直接與人協作而設計的控制系統，使其特別適用于醫療技術。此外，使用 LBR Med技術，醫療器械制造商也能夠更快更容易地開發和許可基于機器人組件的產品，因為 LBR Med 已通過國際認可的 CB 體系認證，LBR med 系列機械臂如圖9 所示。

圖9 LBR med機械臂

4 可編程機械臂技術及意義

美國作為科技強國，其機器人技術在世界上名列前茅。世界上第一臺可編程機器人就誕生在美國，并且在1961年成功將其應用到美國通用汽車生產流水線上。斯坦福大學的研究人員于1966年成功研發出世界上第一臺具有環境識別和環境建模能力的移動式機器人。1978年世界著名的機器人研發公司Unimation公司成功研發出一系列通用的、可編程、可靈活裝配的機器人。同樣，機器人技術強國日本，于1979年成功研發出世界上第一臺用于垂直方向上裝配的鉸接式機器人。

機械臂的發展及功能的多樣化帶動著國家經濟的快速提升，利用先進的科研技術在機械臂研發與應用領域占據了智能化市場；勞動工具是生產力發展水平的主要標志，國外的機械臂技術不斷為經濟各部門提供先進的技術裝備，保證各部門的生產在先進技術的基礎上不斷發展，從而帶動整個國家經濟的現代化，有效體現了機械臂技術研發與應用重要性及必要性。

5 結論

隨著機械臂越來越廣泛的得到了應用，逐漸改善了傳統生產模式，在機械行業中它可用于零部件組裝，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數控機床、組合機床上使用更普遍。目前，機械臂已發展成為柔性制造系統FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設備和機械手共同構成一個柔性加工系統或柔性制造單元，它適用于中、小批量生產，可以簡化龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。當工件變更時，柔性生產系統很容易改變，有利于企業不斷更新適銷對路的品種，提高產品質量，更好地適應市場競爭的需要。而目前我國的機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規模和產業化水平低，機械臂的研究和開發直接影響到我國自動化生產水平，無論從經濟上、技術上考慮增強相關技術的研究都是十分必要的。