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仿生机械手发展综述仿生机械手发展综述摘要：随着科技的高速发展，近百年来机械领域也发生了翻天覆地的变化，变得更加机电化，自动化，高智能化。仿生机械手是其中的典型代表。仿生机械手在现代工业和高科技产业等的应用提高了产品质量和生产效率。本文首先论述了机械手的发展历史、结构组成、典型分类，然后论述了目前机械手的研究现状和存在的问题，最后对机械手的发展趋势进行展望。为对机械手的有更深刻的了解，本文还介绍了机械手的设计过程。关键词：仿生机械手；起源；发展现状 ；结构与设计Summary of Development of bionic robot Abstract: With the rapid development of technology, over the past century machinery has undergone enormous changes,。It becomes more mechanical and electrical, automation, high intelligence. Bionic robot is one of the typical. The applications of Bionic robot in modern industrial and high-tech industries improve product quality and production efficiency. This paper first discusses the history of robot development, composition, typical classification, and then discusses the current status of robot research and problems, and finally the development of robot vision trends. To gain a deeper understanding of bionic robot, This article describes the design process of robot.Key words: Bionic robot; Origin; Development；Structure and Design1 引言现代社会、科技的高速发展推动着机械产业的发展, 对其自身结构、能量消耗或者运动的可靠性提出了更为严苛的要求。另一方面, 在环境优胜劣汰法则的作用下，自然界存在拥有神奇的特性与功能各种各样的生物。 1仿生机械手就是模仿人手的形态、结构和控制原理而诞生。它是依靠于机械化，自动化生产过程而发展起来的一种新型装置。仿生机械手的设计灵感主要来自于人手。因为人手(含手臂) 共有27个自由度, 它可以精确定位并做出复杂精细的动作。 2仿生机械手模仿着人手的部分动作，按照给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。 刚开始时机械手的结构形式比较简单，专用性较强。 随着工业技术的发展，研制成功了能够按程序独立重复操作的机器。这种机械手在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，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力大的特点，因此，机械手已受到各个国家的的重视，并越来越广泛地得到了应用。2国内外在该领域的发展现状综述2.1发展历史图2-1机械手起源于美国。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年，美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。这两种出现在六十年代初的机械手，是后来国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1毫米。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。目前，机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制，效率较低。第二代机械手在第一代的基础上加上了计算机系统。它包括了电子计算控制系统，在机械手上安装各种传感器，把感觉到的信息反馈给电子单元，使机械手根据传感器传来的信息自动运转。具有视觉、触觉，甚至听、想的能力。第三代机械手则能独立完成工作中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要的一个环节。3除了制造业领域的应用，近年来，非制造业用机械手的研究和应用也发展起来。这些行业不同于制造业，其主要的不同是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机械手的要求更高，需要机械手具有对外感知能力以及局部的自主规划能力等。例如核用机械手，国外的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手。此外，机械手技术发达的国家都在竞相开发地下机械手、医用机械手、建筑用机械手和军用机械手，并已经取得了一定的结果。42.2机械手在各领域的应用：2.2.1，工业领域图22机械手首先是在工业领域得到大规模应用。20世纪50年代末, 美国采用伺服机构和自动控制等技术, 研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置,并将其称为工业机器人。此后机械手用来操作许多单调、频繁和重复的长时间作业, 解放人手，提高了劳动生产率；另一方面，危险、恶劣环境下的作业,也开始由工业机器手来完成的, 例如冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序, 以及在核能工业等部门中, 搬运对人体有害物料等。在这方面, 日本一直处于领先地位, 具有代表的如川崎重工的工业机器人(手) 5.机械手在工业领域的主要应用不是加工、装配，而是装卸、搬运等工序。因为在机械工业中，加工、装配等生产很多情况下不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。所以，工业机械手为了装卸、搬运等工序机械化、自动化而产生的。现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。目前，工业机械手广泛应用于各种制造行业中，如汽车制造行业、电器制造行业、机械制造行业以及金属加工行业等。国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。2.2.2，科研领域人类对太空和海洋的探索一直在进行。但海洋和太空的环境比较恶劣, 可以利用机器人替代人去完成大量的工作, 其中实现精确操作的仿生机械手可以大大扩大机器人的工作任务范围和任务精度。例如月球车上的仿生机械手, 可以承担探测、拍照等任务, 还可以进行样本采集、分析等。2.2.3, 医疗领域人的假肢最早使用仿生机械手, 随着技术的发展, 有可能出现假肢可以模仿人手做绝大部分的操作, 并且病人使用方便、灵活图2-3。另一方面在外科手术里，医生需要长时间地或在有限的时间内完成一系列复杂精确的操作。仿生机械手仿人机械可以在医生的监控或操作下, 按照即定的方案, 高精度地、高可靠地实施手术, 并在规定的时限内完成。仿生机械手的应用可以为肢体残疾的病人带来福音。 6 。2.2.4, 其他领域的应用仿生机械手还可用于化学实验、生物合成等高精度的任务中去; 还有一些如在安全领域, 利用安装有灵巧手的机器人从事排爆、扫雷等排险、反恐作业。2.3仿生机械手分类2.3.1. 按使用范围分类： （1）专用机械手 它是某种机器或生产线一部分，用来自动传送物件或操作某一工具。例如“毛坯上下料机械手”、“曲拐自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”等等。这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。 （2）通用机械手 它不从属于某种机器，并且具有可变程序和单独驱动的控制系统，而且能自动完成传送物件或操作某些工其的机械装置。通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。2.3.2. 按驱动方式分类：（1）液压驱动机械手 以压力油进行驱动；（2）气压驱动机械手 以压缩空气进行驱动；（3）电力驱动机械手 直接用电动机进行驱动；（4）机械驱动机械手 是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传递给机械手的一种驱动方式。2.3.3. 按运动坐标型式分类：（1）直角坐标式机械手 臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动。（2） 圆柱坐标式机械手 手臂沿直角坐标轴的X和Z方向移动，又可绕Z轴转动。即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动；图2-4（3）球坐标式机械手 臂部可以沿直角坐标轴X方向移动，还可以绕Y轴和Z轴转动，亦即手臂可以前后伸缩(沿X方向移动)、上下摆动(定为绕Y轴摆动)和左右转动(仍定为绕Z轴转动)；（4）多关节式机械手 这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接(肘部)以及大臂和机体的连接(肩部)均为关节(铰链)式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以左右转动。（孙桓等，2006）2.3.4. 按机械手的臂力大小分类：（1）微型机械手 臂力小于1；（2）小型机械手 臂力为110；（3）中型机械手 臂力为1030；（4）大型机械手 臂力大于30。2.4仿生机械手结构组成及设计工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。2.4.1 执行机构（1）手部 手部用来抓取刀具，由手指传力机构和驱动装置等组成。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；手指式手部按手指的运动形式，可分为回转型和平移型。回转型又分为单支点和双支点两种。回转型手部多用于抓持圆柱形工件，平移型用于抓持方形工件。图2-5手部需满足的条件：一是应有足够的夹紧力。为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑被抓持工件的重力外，还应考虑工件在传送过程中所产生的动载荷。二是应有一定的开闭范围，其大小不仅与工件尺寸有关，而且须注意手部接近工件的运动路线及方位的影响。三是应保证工件在手指内准确定位。四是结构尽量紧凑、总质量小，以利于腕部和臂部的结构设计。 机器人手爪机构直接作用于工作对象，机器人要完成的各种操作，最终必须通过手爪来得以实现；同时，手爪的结构、质量、尺寸对于机器人整体的运动学、动力学性能以及使用也有着直接、显著的影响。机器人整体水平的高低好坏，最终能否正常按照人们的意图去工作，还要看其末端执行机构。因此，手爪机构是仿人机器人设计中一个重要环节。7（2） 手腕 机械手的手腕在于手和手臂之间，用于调整手的方向。要使机械手能旋转任何角度，手腕要能分别独立的绕X、Y、Z 轴向实现转动，使得手腕实现任何角度的伸缩和转动。除了设有回转运动，有时再增加一个上下摆动。还有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。（3）臂部 臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部，主要用来改变刀具的位置。手部在空间的活动范围，主要取决于臂部的运动形式。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。臂部的运动和结构形式有以下要求：（1）刚度要好。（2）偏重力矩要小。（3）自重要轻，惯量要小。（4） 行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。2.4.2 驱动机构驱动机构是工业机械手的动力来源。工业机械手的动力源分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。其中电动机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。2.4.3 控制系统在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。机械手缓冲干扰源也越来越多样化，需要在不同的工作环境下，对干扰源进行正确的分析，并找出其抑制措施，是非常有必要的。2.4.4 ，结构布置要求及平稳性与定位精度机械手工作中运动速度较高，在结构布置上应保证运动平稳，这样可提高使用的可靠性，并可延长使用寿命，在结构上要注意以下几点：（1）臂部要防止偏重。一般情况下臂部为悬臂，所以在设计臂部、手部结构时，要尽量使其总的重心在支撑中心，防止偏重。假如有偏重，它将会产生附加的弯矩，引起立柱和导向的变形，工作中引起导向装置不均匀的磨损。防止偏重过大可采取的措施如下：一是减轻手部重量，以尽量减少偏心载荷；二是臂部上各部件应合理分布或增加平衡重，使臂部平衡；三是在结构上无法避免偏重时，则应加强导向支撑，尽力减轻偏重对运动的影响。（2）加强臂部刚度。臂部的刚度，决定于臂部的结构和导向形式。选取臂部结构时，各个方向的刚度都有要求。提高臂部刚度，是减少手部颤动的关键，也有利于提高定位精度。（3）改进缓冲装置和提高配合精度。机械手缓冲干扰源越来越多样化，需要在不同的工作环境下，对干扰源进行正确的分析，并找出其抑制措施，是非常有必要的。82.5仿生机械手的优点机械工业是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。新世纪，生产水平及科学技术的不断进步与发展带动了整个机械工业的快速发展。现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。在机械工业中，机械手的应用具有以下意义：1.可以提高生产过程的自动化程度应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，将操作工人从繁重、单调的工作环境中解放出来，提高劳动生产效率。2.改善劳动条件、减少人身事故在高温、高压、低温、有放射性等特殊环境下用人手直接操作是有危险或根本不可能的。此时应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。同时，在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。3.减少劳动力机械手一方面代替人手进行工作，直接减少人力，另一方面同时由于应用机械手可以连续地工作，这也可以减少人力。因此，在很多自动化机床和综合加工自动生产线上目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的过程，便于有节奏地进行生产。总之，机械手技术是促进工业实现高度自动化的先导技术。它不仅能显著提高劳动生产率, 稳定和提高产品质量, 降低成本, 带动其他工业和非制造业的发展, 而且对国民经济和社会生活都产生很大的影响。因此机械手已成为工业先进国家重要的技术发展领域之一。93 讨论结构设计机械手虽然能代替人工操作，大大改善工人的劳动条件，但是相对人的思维逻辑，如果机械手的逻辑时间设计不合理，也会造成生产延误与浪费。要找到最优的生产时间，需要经过生产实践的验证和摸索，对生产中影响到生产效率的几个瓶颈工位进行分析，并制定可行性方案，从而实现曲轴线生产的产能最大化。10所以虽然机械手可以代替人的很多重复性工作，但在有些情况下比不上人脑的灵活。所以如何使控制单元操纵机械手更加智能化是很重要的问题。实际工业生产过程是复杂的，在有些情况下，机械手并不能满足全部生产和科研的需要。从而模仿生物的神经系统、腿部等开发出来的机器也有很高的利用价值。例如模仿昆虫的跳跃而制成的四杆联动微型机器人。11 有时也可以将机器手与机器腿等地结合起来使用。4 展望纵观历史，通过对生物特性和功能的模仿, 来改进现有的或创造新的机械、仪器等, 极大的提高人类对自然的适应和改造能力, 产生巨大的社会经济效益。以下是机械手的发展趋势：(1)工业机器手需要：高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修。(2)机械结构模块化、可重构化。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新的机器人整机。 (3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，变得更加标准化、网络化，大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4)机器人中的传感器作用日益重要，除了采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，在机器手上还安装了视觉、力等传感器。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6)当代遥控机器人系统的发展前景不是全自动，而是操作者与机器人的人机交互控制。即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。例如美国发射到火星上的“索杰纳”机器人。尽管目前仿生学在工程机械行业中的研究还有很长的路要走, 但伴随着21世纪生物技术高速发展, 随着人们对生物体认识的深入, 仿生机械设计也将有更光明的前景。12目前我国机械手跟西方发达国家相比还有很大的差距，很多产品还需要进口，特别是高灵活、高精度的机械手。要使我国机械工业更进一步在发展壮大，还应加大对机械手及机器人的研发投入，不断创新，积极开发出拥有自主知识产权的产品，从根本上解决对国外产品的进口需求。