仿生机械手臂的研究进展及发展方

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摘 要：仿生机械手臂能够辅助或替代人类完成高精度、高危险性的工作，随着制造业和智能产业的快速的发展，仿生机械手臂技术发展迅速，在人们的日常生活和工业制造中得到广泛的应用。本文分析了几种仿生机械手臂的基本原理和应用情况，进一步的，根据各种仿生机械手臂的原理特点和应用辛苦，对他们的发展前景进行了分析。
关键词：仿生机械手臂;关节式机械手臂;气动式机械手臂
中图分类号：TB17 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）02-0101-02
现如今，自动化技术已经渗透到人们生活的各个方面。仿生机械手臂是机器人技术与生物力学相结合的产物，通常用来代替人类进行危险工作、高精度操作，所以，研究机械手臂具有重要意义[1]。与传统的机械结构相比，使用基于人工智能和人体工程力学的仿生机械手臂的极大程度解放了生产过程中的人力资源，从而在获得更大利益的同时提高了工作效率，使一些行业的可操作性更强，生产精度更高。与此同时，仿生机械手臂能够有效记录工作日程，便于管理人员了解进度，进行维护和维修等。另一方面，随着芯片技术和软件技术的发展，仿生机械手臂的结构越来越简单、体积越来越小，各种基于仿生机械技术的机械手臂、机械腿被推出，这极大的方便了残障人士，可以使得残障人士高效、简单的完成生活和工作的各个环节。上世纪80年代，北京航空航天大学已经在开展三指以及四指机器人的研究，与此同时，哈尔滨工业大学在机械手臂方面的研究也取得了突破性的进展。但是与国外在柔性关节机械臂方面的研究相比，我国仍然处于起步阶段。在国外，上世纪60年代后期便开始将机械手臂投入工业生产;70年代，人们便开始致力于仿人机械手臂的研究;90年代显著提高了手指构型的灵巧性，同时对于感知功能的研究也得到了长足的发展。不难看出，国内外对于此的研究仍存在着不小的差距。因此，我们需要在该方面进行广泛的研究，以弥补现有差距[2-3]。
1 仿生机械手臂的原理
关节式机械手臂是目前工业机器人中应用最广泛的一种，主要包括运动元件、导向装置、冷却装置、自动检测装置等，典型的关节式机械手臂如图1所示。关节式机械手臂有大臂与小臂摆动，以及肘关节和肩关节的运动。具有上肢结构，可实现近似人手操作的机能，需要研制最合适的结构。常见的关节式机械手臂的传动机构一般采用摆动式、齿条式以及齿轮式，根据具体的工况选择采用具体的传动机构。关节式机械手臂在日常生活中应用广泛，主要有喷漆、表面处理、测试、测量、切割、自动装配、喷漆、搬运、焊接等工作。气动式机械手臂包括执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等，典型的气动式机械手臂如图2所示。通过PLC程序控制气压传动装置根据预先设定的程序，按照一定的顺序、一定的运动轨迹、一定的速度以及一定的时间来完成动作。在执行过程中，控制系统除了进行指令发出之外还需要进行动作反馈监控，一旦发现操作装置出现错误或者系统出现故障，那么控制系统停止操作，给出报警信号以及错误代码。在进行动作反馈监控时，位置检测传感器实时监测执行机构的位置，并实时反馈给动作反馈监控系统，系统将获得的实时位置与预先设定的位置进行比较，若没有异常则继续监控，若出现异常，则给系统发出调整指令，如果系统能够自动调整，则给出报警记录，若系统不能自己调整，则系统暂停，发出报警，工作人员介入。气动式机械手臂具有结构简单、体积小、动作快、节能环保、无级调速、过载保护等优点，所以被广泛应用于汽车制造业、家电制造业、食品和药品包装流水线、精密仪器控制等方面[4]。
2 仿生机械手臂的应用
仿生机械手臂在机械制造行业中有着重要的地位。在制造业当中，喷漆机械臂、浇注机械臂等都被大量的投入使用。弧焊机械臂、点焊机械臂及搬运机械臂也广泛应用与传统工业当中。汽车制造流水线代表着高技术的领域，也是率先使用机械臂的领域。而且在高精度机床上，机械臂也发挥着重要作用。
在医疗行业，机械臂由于其编程化模式的操作，能够代替人类实现更高精度的手术，同时利用精密仪器实现更加微小的创口，其商业价值不可忽略，已被医疗行业采用并投入到日常生活中。在医疗行业中，机械臂主要分为外科手术机械臂和康复医疗机械臂。对于外科手术而言，机械臂不能真正实现智能化手术过程，而是向手术提供了有用的机械化帮助，例如达芬奇手术系统和ZEUS机器人手术系统。而康复医疗机械臂的一个重要应用场合就是恢复四肢残废者手臂或腿部实现像正常人一样的功能，即在患者的残疾部位装上机械假肢，通过神经和大脑实现连接，和正常人一样通过意识控制机械假肢的运作。
近年来，电商和快递业的爆发式增长催生了物流行业的蓬勃发展，其典型标志是物流自动化进程的迅速加快。机械臂已成为现代物流系统迅速发展的重要组成部分。目前，机械臂在物流行业的运用主要集中在商品码垛、拆垛、搬运等几个环节，随着机器人视觉技术的发展，拣货环节也出现了机器人的应用案例。码垛机器人在欧洲、美国和日本的码垛市场占有率超过90%，绝大多数码垛作业由机器人完成。码垛机器人不仅能够长时间连续无故障进行码垛行业，且码垛速度快、精度高、码垛质量好，负重远超人工码垛作业。虽然码垛机器人前期投入较高，但却能实现边际成本效用最大化。随着人工成本的上升，物流行业对码垛机器人的需求飞速上涨[5]。
3 仿生机械手臂的发展方向
在机械制造领域，主要的有结构仿生和功能仿生。结构基于生物（主要是动物）的肌肉结构，通过分析其运行的机理等等，实现对生物结构的仿制实现仿生机械手臂的构造。这种结构仿生的机理很大程度上基于生物體千百万年的进化，所以得到的结构稳定性通常较高，且功能性极强，能显著提高工作效率。具体的如模仿蝙蝠的高精度雷达、模仿苍蝇的振动陀螺仪、模仿鲨鱼皮的超级导管热等，且随着生物学的大力发展，越来越则涉及到更加复杂的领多的仿生机械将被发明出来。功能性的仿生机械域，其中，目前最相关的领域即使人工智能领域，计算机科学家、数据科学家、生物科学家协同合作，通过模拟人脑神经元的结果，对计算机进行训练，使得计算机具有类似于人的感知、思考、判断和决策能力，这是典型的功能性仿真，也是现在热门的研究方向。
仿生机械的最初应用就是在医疗领域，通过制造仿生手臂、仿生肢体，来弥补身体的缺陷，从而实现人体功能资料。然而，随着技术的快速发展，传统的仿手臂、仿生肢体等将变得越来越轻、越来越耐用、越来越智能，从而进一步的协助肢体残障人士。另一方面，高精度机械手臂在医疗过程中的广泛应用，使得手术的安全性大大提高，显著的减少了手术创伤和术后感染的可能性，恢复时间明显缩短。因此，在医疗领域，仿生机械的发展和前景巨大。
在新兴行业中，如快递的分拣和配送环节，阿里巴巴的菜鸟网络中大量使用小型移动机器人实现分拣，具有精度高、速度快等特点，且能够实现自充电，大大降低了人力资源的使用，而京东公司的无人配送机器人也已经在北京的相关高校投入使用，进一步的解决了最后一公里的配送问题，提供配送效率。
4 结语
本文对仿生机械的种类、研究情况以及发展方向进行了分析，其中，重点对两种仿生机械手臂：关节式仿生机械手臂和气动式仿生机械手臂的原理进行分析，指明了两种结构之间的差异以及在不同领域的应用情况。此外，结合现有的应用情况，对仿生机械在机械制造领域、医疗领域和新型行业中的发展前景进行了剖析。在机械制造方面，通过对动物肌理的仿生可以获取各种功能的设备，而通过对计算机进行大量的训练，可能获得具有人工智能的计算机，从而实现模式识别、图像识别、状态预测等等复杂功能。在医疗领域，仿生机械的大量使用将显著提高医疗水平，大大提高治愈率。在新兴行业中，大量仿生机械的应用也势必会提高公司的乃至全设备的运行效率，降低人力资源和能源消耗。因此，仿生机械具有极大的研究价值和极广的应用前景。
参考文献
[1] 申琼，何勇.仿生机械手结构设计与分析[J].东华大学学报：自然科学版，2002，28（1）：37-40.
[2] 雷鴻春，高康，甄慧慧，等.一种脑电远程控制的仿生机械手臂[J].电子世界，2017（20）：99-99.
[3] 张昊，王超亮，田文龙，等.同步仿生机械臂设计[J].兵工自动化，2015，34（5）：77-80.
[4] 王利波，张志军，王领.气动类人仿生机械手设计[J].大连交通大学学报，2013，34（2）：63-66.
[5] 云彩霞，李珊，宋晓华，等.同步仿生机械臂设计[J].电子测试，2014（9）：10-11.