机械臂的研究与发展

机械臂的研究与发展

机械臂是一种自动化操作装置，可以模仿人手和臂的某些动作功能，用于按固定程序抓取、搬运物件或操作工具。它可以代替人的繁重劳动，实现生产的机械化和自动化，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。另外，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。机械手的种类包括液压式、气动式、电动式、机械式机械手；专用机械手和通用机械手；点位控制和连续轨迹控制机械手等。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，但其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度，而工业机器人一般有6个自由度。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。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，可以代替人的繁重劳动，实现生产的机械化和自动化，广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。第一代机械臂是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进行重复的动作而对周围环境毫无感觉，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，乌克兰的戈道斯等人申请了一项专利，提出了一种最小侵入性手术方法，即用缝合针将病人的第二血管缝合到冠状动脉上。该系统采用了机械臂链接手术器械，这些器械具有末端操作装置，能够被操作来抓取和缝合组织。机械臂通过一个控制器与一个主操作手柄联合，外科医生可以移动手柄，产生末端操作装置的相对移动。第二代机械臂不仅具有机械臂的外部感觉功能，还能根据外界情况修改自身动作，完成较为复杂的动作。例如，李彦涛等人研制了一种将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。他们在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。这样，机械手的三个关节控制器、运动学计算和路径规划控制算法得以实现。人脸肖像绘制机器臂是一种智能机械系统，能够自动绘制人脸肖像轮廓图。它由图像采集模块、图像处理模块和机械控制绘图模块组成。机器视觉的研究方向之一，广泛用于科普展览。研究人员在VisualC++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。第三代机械臂除了具有外部感觉功能外，还具有规划和决策功能，能够适应环境的变化而自主进行工作。目前，第三代机器人还处于研究阶段，距离实际应用还有一段距离。例如，邹建奇等人以柔韧性机械臂为例，进行了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。第二代工业机器人已经成为主流安装机型，第三代机器人也在逐渐占有一定比重。我们研究的果实采摘机械臂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，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，这些成果都处于实验阶段，投入农业生产实际仍需时日。其主要问题在于机器人灵巧性有待提高、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。机械臂的技术要素包括机械结构、控制技术、驱动技术、应用智能化的传感器和通用机器人编程语言。以关节型为主流的机器人结构，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一半。超大型机器人应汽车、建筑、桥梁等行业的需求而产生。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。驱动技术方面，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方面，在ABB公司的20多个型