机械臂的研究与进展
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作者: 任美玲 陶大锦
【摘要】将机械臂到目前为止的发展分为三个阶段表述，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，第二代机械臂，即具有如视觉、触觉等外部感觉功能的机械臂，第三代机械臂，这类机械臂除了具有外部感觉功能外，还具有规划和决策的功能。并举了相应的几个例子，通过一直来的发展推测了将来机械臂的发展方向。
【关键词】机械臂；研究；发展
1.引言
随着机器人技术的不断发展，为了能更好地与环境进行交互、操纵物体、完成任务，跟上智能化的步伐，机器人的操作终端，如机械臂、手爪的作用越来越重要。这对机械臂的结构设计也提出了更高的指标，要求高的负载自重比，操作更加灵活，强稳定性和安全性等[1]。
2.机械臂的发展
机械臂（Manipulator）是模拟人的上臂而构成的。为了保证机器人手部有6个空间自由度，其主动关节数目一般为6。一般情况下，全部关节皆为转动型关节，而且其前3个关节一般都集中在手腕部。关节型机械臂的特点是结构紧凑，所占空间体积小，相对的工作空间最大，还能绕过基座周围的一些障碍物，是机械臂中使用最多的一种结构形式，比较典型的如PUMA[2]、SCARA[3]等。多关节机械臂[4]的优点是：动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作，目前广泛应用于工业自动化生产线上。机械臂发展状况如下：
（1）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。它也可以简称为示教／再现方式的机械臂或是T/P方式(Teaching/Playback)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进行重复的动作而对周围环境无感觉的功能，其应用范围受到一定的限制，主要用于材料的搬运、喷漆、点焊等工作。
1996年樊炳辉等申请的专利，一种用于煤矿巷道、隧道、室内墙壁及一般机械行业喷涂工艺的四连杆机械臂机构。该机构主要包含行走组件、大臂组件、平衡拉杆组件、小臂组件四大部分，其中又包含四组按一定比例关系构成的四连杆机构，它能使喷枪在喷涂过程中，容易实现垂直起落，并始终保持对受喷面垂直、等距的关系[5]。
1997年乌克尔，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。该系统采用机械臂连接的手术器械。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对主操作手柄联结。手柄可以由外科医生移动来产生末端操作装置的一个相应移动[6]。
（2）第二代机械臂，即具有如视觉、触觉等外部感觉功能的机械臂。这种机械臂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作业。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链接、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[7]。
人脸肖像绘制机械臂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[8]。
（3）第三代机械臂，这类机械臂除了具有外部感觉功能外，还具有规划和决策的功能。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[9]等人以柔性机械臂为例，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振动。
在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人也占有一定比重。
3.机械臂技术的要素
（1）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。
（2）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。
（3）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[10]。
（4）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传感器，有些机器人留了多种机器人接口。
（5）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。
（6）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。
4.前景展望
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。
（1）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为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。
（2）集成化与系统化。当今机器人技术的另一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联结在一起，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”(Agile Manufacturing)，满足多样化、个性化的需求。
参考文献
[1]谢涛.单马达驱动机械臂的研究与实现[D].华中科技大学,2009.
[2]戴齐,姚先启.一种求解PUMA机械手运动学逆问题的分解解法[J].西安大学学报,1989年04期.
[3]郑东鑫.SCARA机械手系统设计与规划控制研究[D].浙江大学,2011.
[4]郭炬.串联多关节机械臂设计与分析[D].华中科技大学,2008
[5]樊炳辉,逄振旭,李贻斌,苏学成,杨明.多重四连杆机械臂机构[P].中国专利:CN96248553.5,1998-02-08.
[6]Y・王;D・R・乌克尔;K・P・拉拜;J・维尔森;S・乔丹;J・赖特;M・戈道斯.施行最小侵入性心脏手术的方法和装置[P].中国专利:CN97193955.1,1997-02-19.
[7]张立勋,李彦涛,何锋,李成福,高峻,王婷.助餐机器人[P].中国专利:CN200610010497.0,2006-09-06.
[8]孟盼盼.肖像绘制机器人技术研究[D].中国科学技术大学,2011-08-15.
[9]邹建奇,郎英彤，张宪滨.采用神经网络方法研究柔性机械臂逆运动学问题[J].吉林建筑工程学院学报,2011-04.
[10]蔡鹤皋.机器人将是21世纪技术发展的热点.中国机械工程,2000,11(1-2):58-60.
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