多功能六轴机器人机械手臂前景发展分析

摘要：机械手是在上世纪五十年代末期出现，近年来才迅速发展起来的重要自动化装置，现已成为实现工业自动化的一种重要手段。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手大的特点，因此，机械手已经受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。

关键词：机械手;自动化装置;应用

1、机械手臂介绍

机械手是指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。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。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。

2、机械手的发展状况

1954年，被称为“机器人之父”的美国科学家George Devol 取得了附有重放记忆装置的第一台机械手的专利权，该设备能执行从一点到另一点的受控运动（即点一点运动），这被认为是“机器人时代”的开始。1970年，机器人学界早期的改革家之一，Victor Schenman在斯坦福大学演示了一种计算机控制的机械手，这就是非常著名的斯坦福机械手。它非常先进，技术很复杂，迄今还被很多研究中心使用。

80年代，人們为了让机器人技术向各行各业扩展、应用，于是有了用于社会服务、海洋开发、宇宙空间、地下采矿、军事作战、救灾抢险等领域的机器人。应用于这些领域的机器人，绝大多数都是由机械手和与之对应的安装平台组成的。[1]

到了上世纪90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展和它们之间的相互整合，机械手技术得到了飞速发展。现代控制理论使得机械手控制系统的性能进一步提高。[2]传感器技术的发展和应用大大的提高了机械手的作业性能和对环境的适应性。网络通信技术实现了多个机械手的协调工作，也使得机械手由过去的专用设备向标准化设备发展。微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机械手的可靠性有了很大的提高。还有通过诸如模态分析、有限元分析及仿真设计等现代设计方法的运用，某些领域的机械手已经实现了优化设计。如图1所示。

3、机械手的发展状况

目前国内机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。

目前世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S ，量产产品达到6轴，负载2KG的产品系统总重已突破100KG。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。

4、总结

近几年来，随着自动化工业的不断发展，机械手也将随之壮大起来。在未来几年里它的发展趋势如下：

（1）工业机械手性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修）。

（2）机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化：由关节模块、连杆模块用重组方式构造机械手整机;国外已有模块化装配机械手产品问市。

（3）工业机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构：大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

参考文献：

[1] 钟宁帆，孙敏慧， 邹云.奇异摄动系统的 H ∞控制：基于奇异系统的方法[J] .控制理论与应用， 2007.

[2] 邹湘军，金双，陈燕，等.基于Modelica的采摘机械手运动控制与建模[J].系统仿真学报，2009.

作者简介：夏明（1996.05-），山东交通学院本科学生，指导老师：李光。