機電液一體化控制機械臂技術(shù)特征與發(fā)展趨勢分析

金宗毅，胡俊宇，羅 恒，金 艷，陶學恒

(大連工業(yè)大學 機械工程與自動化學院，遼寧 大連 116034)

0 引言

隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，多學科之間實現(xiàn)了融合，使機械行業(yè)逐漸向著智能化、精確化和信息化方向進步，尤其在國際范圍逐漸走向工業(yè)4.0時代，傳統(tǒng)的人工操作機械的方式進一步被取代，先進的數(shù)字控制設備被廣泛應用于生產(chǎn)與機械制造領(lǐng)域。為進一步實現(xiàn)各行業(yè)的自動化，機器人技術(shù)作為機電專業(yè)未來發(fā)展的重要方向，逐漸成為了近年研究的熱點。機械臂技術(shù)是機器人技術(shù)的分支，也是機器人技術(shù)最廣泛的應用形式，隨著生產(chǎn)和使用需求的逐漸升級，機械臂的復雜性和先進性也持續(xù)提升，其在制造業(yè)、自動生產(chǎn)線、農(nóng)業(yè)機械、畜牧機械、醫(yī)療行業(yè)、軍事、航空等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。現(xiàn)代化機械臂對于機械、電氣、液壓技術(shù)十分依賴，機電液作為綜合性新興學科也加強了在機械臂領(lǐng)域的應用研究，有效提升了機械臂的功能與適用能力。

1 機電液一體化技術(shù)特征

機電液一體化技術(shù)是以傳統(tǒng)的機械技術(shù)為主體，將計算機技術(shù)、液壓動力技術(shù)、電氣控制技術(shù)、信息技術(shù)等結(jié)合起來的一種新技術(shù)體系[1]。機電液一體化技術(shù)并不是簡單地將機電、液壓、電子技術(shù)進行整合，而是將三者融合成為一個完成的系統(tǒng)，成為一個新的學科，使傳統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)協(xié)同，進而應用到設計、制造以及生產(chǎn)生活的方方面面。與傳統(tǒng)的機械技術(shù)相比機電液一體化控制技術(shù)應用電氣控制功能更加全面，關(guān)鍵工作部位多配備有傳感器或視覺系統(tǒng)，各個部件之間能通過信息傳輸線路實現(xiàn)互通，各個功能部位傳感器獲取的數(shù)據(jù)通過信息傳輸線路傳遞給單片機或中央處理器，通過處理器精確控制機械裝置的各項功能，包括液壓流量分配與開關(guān)、機械動作執(zhí)行監(jiān)控、狀態(tài)分析等[2]。

圖1 機電一體化技術(shù)體系

近年來我國的機電液一體化技術(shù)實現(xiàn)了快速發(fā)展，現(xiàn)階段技術(shù)主要應用于傳統(tǒng)的機械裝備中，其功能包括以下幾點：一是機械裝備的自動電液控制，例如利用計算機系統(tǒng)配合大規(guī)模集成電路實現(xiàn)對大型農(nóng)機、工程機械等工作狀態(tài)的監(jiān)測，并實時進行主要工作部件位置、水平度、施加力大小的調(diào)整，傳統(tǒng)機械設備的功能得到豐富，很多機械動作的實施更加靈活精準；二是機械行走系統(tǒng)的電液控制，包括對工程機械、農(nóng)業(yè)機械、車輛等行走系統(tǒng)進行驅(qū)動力調(diào)整、底盤高度調(diào)整、轉(zhuǎn)向控制等，并能控制行走系統(tǒng)實現(xiàn)按照特定路線的精確行駛，如勻速直線行駛、曲線行駛、繞行等；三是電液控制發(fā)動機，利用電腦芯片實現(xiàn)發(fā)動機運轉(zhuǎn)特性的調(diào)整與監(jiān)測，進而實現(xiàn)機械設備使用過程的能源節(jié)約。四是智能化機器人控制技術(shù)，是機電液一體化控制的高層次表現(xiàn)，能夠與更多尖端學科結(jié)合，使機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多自由度的全空間作業(yè)，顯著提高機械設備的適用能力[3]。

2 機械臂結(jié)構(gòu)與技術(shù)特征

2.1 機械臂的功能

機械臂是在現(xiàn)代機械技術(shù)的基礎(chǔ)上，以機械為主體研制的一種仿生設備，工業(yè)機械臂的發(fā)展從最初的簡單搬運到現(xiàn)階段的高精度作業(yè)經(jīng)歷了70多年的歷史，機械臂的發(fā)展實現(xiàn)了空間多自由度的功能要求，其在工業(yè)搬運、農(nóng)業(yè)采摘、生產(chǎn)焊接、產(chǎn)品裝配、產(chǎn)品制造等眾多領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，尤其對于一些重復性工作和重體力工作而言，機械臂的應用能顯著提高工作效率，減少人力雇傭成本和人力負擔[4]。

2.2 機械臂的結(jié)構(gòu)原理

生產(chǎn)生活中常見的機械臂結(jié)構(gòu)與原理存在一定的相似性，以圖2所示機械臂為例，機械臂的主體結(jié)構(gòu)為多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其運行由多個回轉(zhuǎn)部件、關(guān)節(jié)、支撐臂部件、可伸縮部件、抓手等組成，大部分機械臂工作過程類似于費力杠桿的工作過程。大部分機械臂包括以下機械結(jié)構(gòu)，一是主體回轉(zhuǎn)機構(gòu)，位于機械臂的最下方位置，由伺服電機、回轉(zhuǎn)支撐、渦輪、渦桿、回轉(zhuǎn)軸等零部件組成，能夠?qū)崿F(xiàn)水平方向的自由轉(zhuǎn)動；二是關(guān)節(jié)軸承，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個相連接支撐臂的空間轉(zhuǎn)動，包括俯仰、擺動等；三是可伸縮氣缸、液壓油缸或電缸，能實現(xiàn)手臂沿特定方向的伸縮功能；四是抓手結(jié)構(gòu)，包括夾取、抓取、吸取等多種方式，所使用的驅(qū)動力和技術(shù)形式也多種多樣[5]。此外機械臂中常用的運動控制技術(shù)還包括電機控制同步帶運轉(zhuǎn)、齒輪齒條傳動等。除以上機械結(jié)構(gòu)外，一個成熟的機械臂產(chǎn)品還包含驅(qū)動裝置、計算機控制、電源、傳感器等設備，軟硬件設施也成為現(xiàn)代機械臂技術(shù)的重要影響因素。也就是說，機械臂的性能受到機械結(jié)構(gòu)設計與軟硬件技術(shù)先進性的共同制約。

1.抓手；2.可伸縮部件；3.支撐臂；4.關(guān)節(jié)；5.回轉(zhuǎn)部件

在現(xiàn)代化機械臂的運行過程中，可編程控制器是各個功能實現(xiàn)的重要保證，機械臂每個動作的執(zhí)行都受到可編程控制器的控制，目前大部分機械臂產(chǎn)品的控制技術(shù)需依賴成熟的PLC技術(shù)，PLC負責工作過程的決策與控制，實現(xiàn)傳統(tǒng)機械功能與現(xiàn)代人工智能的有效連接。

3 機械臂技術(shù)應用現(xiàn)狀

3.1 在制造業(yè)領(lǐng)域的研究及應用

機械臂在制造業(yè)領(lǐng)域應用十分廣泛，隨著自動化生產(chǎn)線的普及，制造業(yè)所應用的機械臂產(chǎn)品也向著系列化和成套化發(fā)展，在同一生產(chǎn)線上，所應用的機械臂常常具有多種形式，以滿足不同工序和工藝的加工制造要求。例如在機械產(chǎn)品的安裝環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)人工作業(yè)需要長期重復大量技術(shù)簡單、勞動強度高的工作任務，而利用現(xiàn)代化的機械臂技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)不同環(huán)節(jié)、不同零部件的快速識別與精準裝配，如圖3所示，為多種機械臂相配合的數(shù)碼產(chǎn)品裝配生產(chǎn)線，裝配過程能很好實現(xiàn)工件交互與坐標定位，實現(xiàn)不同部件的位置、角度、方向精確調(diào)整與安裝[6]。

圖3 多機械臂成套安裝工位

除在裝配環(huán)節(jié)應用外，機械臂還在自動化生產(chǎn)線中的產(chǎn)品揀選、產(chǎn)品加工、金屬焊接、倉儲物流等眾多領(lǐng)域廣泛應用。此外，機械臂還應用在一些高溫高壓、有毒有害等危險場合，避免了人工操作受到人身健康威脅，并在惡劣環(huán)境中更好的保證加工生產(chǎn)的質(zhì)量。

3.2 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應用

隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化以及自動化的普及，農(nóng)業(yè)中應用的機械臂技術(shù)逐漸增多，盡管機械臂的應用還不能像工業(yè)領(lǐng)域那樣普及，但相關(guān)的研究已明顯增多，并在局布范圍內(nèi)應用。現(xiàn)階段應用的農(nóng)業(yè)機械臂根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的類型分為種植業(yè)機械臂、畜牧業(yè)機械臂等多個種類，若按照實際的應用功能劃分，包括自動采摘機械臂、自動飼喂機械臂、自動除草施肥機械臂等。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所使用的機械臂與工業(yè)中存在一定的差異，機械臂多安裝于軌道或輪式底盤上，應用于移動式作業(yè)。目前來看，我國農(nóng)業(yè)機械臂的應用落后于歐美等發(fā)達國家，應用的主體集中于智慧大棚、智慧牧場等局布環(huán)境，大田應用相對較少。近年來，江蘇大學、中國農(nóng)業(yè)大學等學校相繼研制成功番茄、黃瓜、草莓采摘機械臂，為我國農(nóng)業(yè)機械臂的應用創(chuàng)造了良好條件。

3.3 在醫(yī)療方面的應用

相對于農(nóng)業(yè)而言，機械臂在醫(yī)療方面的應用更為普及，經(jīng)過幾十年的技術(shù)應用與發(fā)展，醫(yī)療機械臂在現(xiàn)代醫(yī)學的神經(jīng)外科、骨外科、胸外科、顱外科等。尤其在2014年以后，醫(yī)療機械臂應用量近一步增加，并向著血管、神經(jīng)、脊髓等重要方向發(fā)展。例如，2011年美國生產(chǎn)的Renaissance 機械臂已能通過信息導航與遠程控制及視覺輔助定位實現(xiàn)精度達1.5 mm的脊骨手術(shù)[7]。

4 發(fā)展趨勢分析

4.1 向模塊化技術(shù)發(fā)展

現(xiàn)階段的機械臂產(chǎn)品大多功能不定，應用于各行各業(yè)的生產(chǎn)過程中，通常僅能完成預設的工作任務，柔性化能力較弱。很多生產(chǎn)過程中的技術(shù)升級只能通過更換整臺機械臂來實現(xiàn)，造成了嚴重的浪費。基于此，對現(xiàn)有機械臂進行模塊化升級，使機械臂通過一定的裝配工藝實現(xiàn)功能的多樣化，使用者只需通過更換不同的功能組件，即可利用機械臂的主體在較低的成本投入下實現(xiàn)功能升級。

4.2 向成組化發(fā)展

現(xiàn)階段的機械臂應用除在汽車制造、汽車電子產(chǎn)品等少數(shù)領(lǐng)域外，大部分機械臂的應用都是獨立作業(yè)，僅完成單一的重復性工作。對于生產(chǎn)過程中相對復雜的工作完成能力較弱，且應用過程對于人工的替代并不全面。大部分機械臂應用集中在重體力勞動或危險工作方面，導致很多工作的實施需要人工配合，并不能完全實現(xiàn)機械臂全程作業(yè)。因此，向成組化發(fā)展將成為機械臂應用的發(fā)展趨勢。

4.3 向精確化發(fā)展

機械臂技術(shù)要實現(xiàn)更大范圍的普及，需要在現(xiàn)階段應用方式的基礎(chǔ)上近一步替代人工作業(yè)，而剩余的人工作業(yè)內(nèi)容更難以替代，不僅要求機械臂的結(jié)構(gòu)、功能得到優(yōu)化，還必須在邏輯判斷、精確定位、抗外界干擾等方面得到進一步提高。

5 結(jié)語

隨著機電液一體化技術(shù)的快速發(fā)展，機械臂技術(shù)的功能提升也將得到更好的保障，未來機電液一體化技術(shù)在機械臂領(lǐng)域的應用還將進一步擴展，并與計算機人工智能等技術(shù)實現(xiàn)更全面融合，使機械臂技術(shù)近一步替代人工勞作，為生產(chǎn)生活創(chuàng)造更大便利。