机械臂的研究与发展

机械臂的研究与发展

机械臂是能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。

机械手首先是从美国开始研制的。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。一般有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实用机型是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

机械臂的发展状况如下：

第一代机械臂，即按事先示教的位置和姿态进行重复的动作的机械。它也简称为示教/再现方式的机械臂或是T/P方式的机械臂。目前国际上使用的机械臂大多仍是这种工作方式。由于这种工作方式只能按照事先示教的位置和姿态金子那个重复的动作而对周围环境毫无感觉的功能，其应用范围受到一定的限制，主要应用于材料的搬运、喷漆、电焊等工作。

1993年乌克兰，戈道斯等申请的专利，一种用缝合针将病人的第二血管缝合到冠状动脉上的最小侵入性手术方法。该系统采用了机械臂链接手术器械。这些器械具有能够被操作

来抓取和缝合组织的末端操作装置。该机械臂通过一个控制器与一个主操作手柄联合。手柄可以由外科医生移动来产生末端操作装置的一个相对移动。

第二代机械臂，既具有如视觉、触觉等外部感觉功能的机械臂。这种情况由于具有外部的感觉功能，因此可以根据外界的情况修改自身的动作，从而完成较为复杂的动作。如李彦涛等研制一种将Simulink控制程序和助餐机器人目标机无缝连接、下载的方法，实现机器人的实时控制，实时满足不同伤残患者的助餐要求。在Matlab/xPC实时目标环境的基础上，开发了助餐机器人的硬件接口模块和上位机软件模块，设计了助餐机器人模块化控制平台及基于脚踏开关、语音识别和图像识别的三种人机交互方式。实现了机械手3个关节控制器、运动学计算、路径规划控制算法。

又如人脸肖像绘制机器臂，它是一种可以自动绘制人脸肖像轮廓图的智能机械系统，它由图像采集模块、图像处理模块、机械控制绘图模块组成，能够自动拍摄人脸照片，提取肖像轮廓，然后控制机械臂在画板上画出人脸线条画。人脸肖像绘制机器人是机器视觉的研究方向之一，广泛用于科普展览，其中提出的基于机器视觉的研究方向之一，广泛用于科普展览，其中提出的基于机器视觉的研究技术在生产和生活等各个方面都有着广泛的应用。研究绘图机械控制系统的硬件选型和控制算法，在Visual C++6.0中实现了外部对机械臂绘图动作的自动控制，设计机械臂绘画动作流程，完成人脸轮廓图的自动绘制。

第三代机械臂，这类机械臂除了具有外部感觉功能外，还具有规划和决策功能，从而可以适应因为环境的变化而自主进行的工作。第三代机器人目前还处于研究阶段，距离实际应用还有一段距离。如，邹建奇等人以柔韧性机械臂为例，进行简单的逆运动学分析，并采用小脑模型神经网络方法对机械臂的逆运动学进行了数值仿真分析，小脑模型神经网络可在较短的学习次数中有效地控制机械臂的震动。

在普及第一代工业机器人的基础上，第二代机工业机器人已经得到推广，成为主流安装机型，第三代机器人也占有一定比重。咱们现在研究的果实采摘机械臂就属于第二代工业机器人。在机器人采摘研究方面，我国才刚刚起步。2006年出台的“十一五”国家高技术研究发展计划（863计划），提出了高技术项目《果树采摘机器人关键技术研究》。近年来国内许多高校如中国农业大学、东北林业大学、浙江大学、江苏大学、南京农业大学、沈阳农业大学等高校积极投入农业机器人领域的研究，通过跟踪国外先进技术，在机器人采摘领域内也取得了初步的成果，但是都处于实验阶段，投入农业生产实际仍需时日。其主要问题在于其灵巧性有待提高、果实的平均采摘周期较长、果实识别率低、损伤率较高、制造成本过高。随着传感器及计算机视觉等技术的发展，采摘机器人的研究还需在以下方面进行努力：

一是要找到一种可靠性好、精度高的视觉系统技术，能够检测出所有成熟果实，精确对其进行定位；二是提高机械手和末端执行器的设计柔性和灵巧性，成功避障，提高采摘的成功率，降低果实的损伤率；三是要提高采摘机器人的通用性和利用率。

机械臂的技术要素：

机械结构：以关节型为主流，80年代发明的适用于装配作业的平面关节型机器人约占总数量的1/2。应汽车、建筑、桥梁等行业的需求，超大型机器人应运而生。CAD、CAM 等技术已普遍用于设计、仿真和制造中。

控制技术：大多采用32位CPU，控制轴数多达27轴，NC技术、离线编程技术大量采用。协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制。采用基于PC开放结构的控制系统已成为一股潮流。

驱动技术：新一代伺服电机与基于微处理器的智能伺服控制器相结合已由FANUC等公司开发并用于工业机器人中，在远程控制中分布式智能驱动新技术。

应用智能化的传感器：装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两种以上的传感器，有些机器人留了多种机器人接口。

通用机器人编程语言：在ABB公司的20多个型号产品中，采用了通用模块化语言RAPID。该语言易学易用，可用于各种开发环境，与大多数WINDOWS软件产品兼容。

网络通讯：大部分机器人采用了Ether网络通讯方式，占总量的41.3%，其他采用RS-232、RA-422、RS-485等通讯接口。

从三代机械臂的发展来看，随着技术的发展，机械臂越来越高精度，多功能，且向着集成化，系统化，智能化的方向发展。高速，高精度，多功能化。目前，最快的装配机器人最大合成速度16.5m/s，有一种大直角坐标搬运机器人，其最大合成速度竟达80m/s。90年代末的机器人一般都具有两、三种功能，向多功能化方向发展。集成化与系统化。当今机器人技术的另一个特点是机器人的应用从单机、单元向系统发展。百台以上的机器人群与微机及周边设备和操作人员形成一个大群体。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品连接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的虚拟制造，为工业机器人系统化的发展推波助澜。随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化以及机器人在FMS、CIMS系统中的群体应用，工业机器人也在不断向智能化方向发展，以适应敏捷制造，满足多样化、个性化的需求。