机械手臂研究现状综述

　1 引言
随着工业4.0 科技革命的到来，工业机器人已成为工业化程度的重要标志。机械手臂是工业应用和理论研究中最为典型也是最早出现的工业机器人，也是在工业化和自动化中发展起来的一种新型装置。它可以提高产品质量、提高劳动强度、避免人身事故的发生、改善劳动条件，广泛应用于焊接、喷涂、装配、搬运等作业环境中，大大节约了劳动成本。本论文将通过综述机械手臂的发展历程、国内外研究现状、各典型机械手臂的特点等内容，并提出了未来机械手臂的发展方向。
2 几种典型机械手臂
2.1 关节型机械手臂
关节型机械手臂是目前工业机器人中应用最广泛的一种，主要由以下几部分组成：运动元件、导向装置、冷却装置、自动检测装置等。这种机械手臂一般具有以下特点：
（1）自由度高，现在常见的关节型机械手臂的自由度可达6 ～ 7 个自由度；
（2）各关节相互独立，可调节性强；
（3）机构设计简单，求正解方便可行。但是该机械手臂的承载力较小，重复精度较差；
（4）各部件间因磨擦而产生的磨损较大，不利于重复的高精度；
（5）在高速运作中不易平衡惯性力和惯性力矩。
2.2 仿人机械手臂
目前，仿人机械手臂根据每个手指的驱动器数目可以分为灵巧手和欠驱动手[3]。灵巧手功能的实现至少需要3 个手指，并且每个手指至少有3 个驱动器和3 个自由度，所以整个手的自由度很高，但是其感知系统过于复杂，携带和维护不便。欠驱动手同样每个手指有3个以上的自由度，但只有一个驱动器，对复杂形状的物体具有很强的自适应能力；除此之外，欠驱动结构简单、轻量化，操作便捷。
2.3 柔性机械手臂
柔性机械臂的连杆是刚性的，其铰链为柔性的。当柔性铰链在受到外力或力矩的情况下，材料发生弹性变形并在相邻杆件之间产生相对运动。柔性机械手臂的运动行程、精度刚度和强度在很大程度上受到材料属性的影响，并且柔性机构受到振动后会严重影响其控制的精度及系统的稳定。因此，对柔性机械臂结构设计和控制方法的研究，即如何从结构设计、运动学、动力学和控制方面考虑避免、减小和消除弹性变形和弹性振动的影响是柔性机械臂的研究热点。
2.4 并联机械手臂
并联机构是一种由多个并行链构成的闭环系统，采用多个并行链构成的闭环机构，零部件数目也大幅减少，容易实现组装和模块化[7]。并联机械手臂具有以下结构特点：刚度较大，载荷自重比高，基本无误差积累，不增加运动负荷，各项同性好等。正是因为并联机构的这些特点，常被用于虚拟轴机床，运动模拟器和机器人操作器等。
3 机械手臂的发展现状
3.1 国外发展现状
机械手臂的产生是基于仿生学为解放人类手臂而产生的一种机械装置，从1958 年美国研制出的第一台示教型机械手臂到现在的可用于人类假肢的高智能机械手臂，按照其自动化程度可大致分为三个阶段：主动式遥控机器人、监控室遥控机器人和自由式机器人。在20 世纪60 年代之前是机械手臂发展的初期阶段，功能较为单一。60年代后期，机械手臂逐渐应用于工业生产，如喷漆、弧焊等工序；70 年代，人们开始致力于仿人机械手臂的研究，来提高机械手臂的抓取性能，如日本的Okada 手、通用公司的Handyman 手等。80 年代一批著名的拟人机械手臂问世，如Stanford/JPL 手、Utah/MIT 手等。90 年代研制出的灵巧手在手指构型方面有所提高，感知功能也更加丰富，如NASA 手、DIST 手等。21 世纪新开发的灵巧手较少，大多是在前面灵巧手基础上的提高，如Shadow 手、Gifu- Ⅱ手、UBH3 手等。
3.2 国内发展现状
我国机械手臂的研究起步于上世纪70 年代，1972 年我国第一台机械手臂在上海开发成功。此后，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造了点焊机器人，北京机械自动化研究所设计制造了喷涂机器人，沈阳工业大学设计制造了装卸载机器人等。我国于20 世纪80 年代开始研制仿人机械手，较有代表性的是北京航空航天大学机器人研究所研制的三指机器人手B U A A1、BUAA2、BUAA3 手以及四指拟人机械手BUAA4 和哈尔滨工业大学研制的三代仿人机器人拟人机械手等。相较于国外，柔性关节机械臂的研究还处于起步阶段，哈尔滨工业大学、上海交通大学都对柔性机械手臂进行了设计和制造。在并联机械手方面，国内学者也进行了大量研究，燕山大学黄真教授和金振林教授、天津大学黄田教授、北京航空航天大学团队等先后对并联机器人进行了深入研究并发表了相应成果。
4 机械手臂的发展趋势
目前，机械手臂的分类更加细致，尤其是机械手和智能形位检测系统的结合使其能够在更广泛的领域发挥作用，如工业、医疗、农业、服务业等；基于人类肌肉驱动的机械手臂正在不断发展，仿生程度和柔性、灵活程度更高；另外，具有触觉、视觉等功能的智能机械手也正在高速发展。
（1）继续研究柔性机械手臂。在较为完善的刚性机械手臂基础上进行柔性机构的求解方法和关键性控制问题的研究。
（2）研究串- 并联机械手臂。兼顾串联和并联机构的优点，又基于仿生学的启发，构造一种并- 串结构的仿人机械手臂具有十分重要的科学意义和应用价值。
（3）提高机械手臂的智能程度。继续研究增强机械手臂的感知觉能力，使其具有更加强大的仿人功能，以期能够为残疾人提供高智能的假肢。
（4）研究环境适应能力更强的机械手臂。研究具有环境适应能力更强的航空航天机械手臂、暴风救援机械手臂、火灾救援机械手臂、潜水机械手臂等。
5 结语
本论文通过综述机械手臂的国内外研究现状等内容，总结了机械手臂的定义与分类及各自的结构功能，提出未来机械手臂的发展方向。并且综述了几种常见的机械手臂：关节型机械手机械手臂、并联机械手臂等，分析了它们的特点，以及它们各自的发展历程和研究现状。