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浅析轻量化机械手的关键技术与发展

2020-05-20 410 上传者：管理员

摘要：当前，机器人生产技术是工业生产中较为热门的技术，而在这项技术中主要是运用机械手臂进行生产，这就说明机械手技术已经逐渐被社会所认可。那么，轻量化机械手臂又是现有机械手臂的升级版，在生产中更具有独特的优势。因此，这就说明其拥有无限的未来发展前景。

关键词：
发展前景
工业技术
机械工业
轻量化机械手臂
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轻量化机械手臂最显著的特点，主要包括重量轻、操作难度低和控制性强等特点。同时，目前我国正在积极建设智能化、自动化生产技术，将计算机信息化技术逐步应用到各个生产领域中。那么，轻量化机械手臂同样也会随着智能化的建设而发展，最终就会逐步地应用在我国的生产一线中，使得促进我国的可持续发展。

一、轻量化机械手关键技术

首先，一方面，为了可以提升机械手的运动能力，那么可以利用中空走线的设计方法，将连接线揽设置在机械手的内部各轴之间，使得在活动的同时不会因线缆缠绕导致活动受阻问题,如图1所示。另一方面，正是由于该结构是处于中空状态，而机械手的关节位置又极其重要，这就意味着在这种中空结构的背景下，关节位置的设计难度较大。但是，如果要实现灵活度较高的机械手，就必须将中空结构放置在每个关节原件处，所以这是亟待突破的难题。还有，在这种中空结构中，还存在着诸多相互制约的因素，如孔径、尺寸、重量等因素。

图1 中空走线机械臂结构设计图

其次，之所以称作为轻量化，就说明其构成的部件必须要质量较轻的部件，如碳纤维、钛合金等原料，并且这些原料还可以帮助机械手提升其操作的稳定性。同时，通常电机的能耗与机械手的部件重量成正比关系，而使用碳材料等轻质材料后，就可以大大降低电机能耗，间接地提升机械手性能。不过，虽然这些原材料具有鲜明的优越性，但是不代表是一直不变的使用材料，所以仍需要在利用的同时积极创新，使得加快推进轻量化机械手的研究发展。

然后，为了提高轻量化机械手的传感效率，可以采用关节扭矩传感技术，一方面，由于该种技术相比传统应用在机械手上的传感技术更具有指令与行动同步性，即当操控端发送行动指令时，机械手就可以在更短的时间内完成指定操作，并且在当机械手发生碰撞时，还会自行采取一定的防护措施。另一方面，反观传统的机械手中的传感技术，通常多是由杆件波和减速机两个部件的作用下，当机械手发生碰撞时，使得电机驱动器可以在测得最大扭矩后，如果超出该扭矩范围就会直接令其急停，虽然在一定程度上使得机械手减少了损失，但是会因为急停的延迟效果，使得周边的人或物产生额外损伤。所以，基于此观点，关节扭矩传感技术更符合机械手未来的发展需求。

最后，轻量化机械手臂如果要实现良好的人机交互效果，那么必须要加入被动柔性关节控制，因为在该技术的应用下，机械手臂可以在受到外部作用力后，会提前将信息传输给扭矩传感器，再由扭矩传感器将信息传给控制系统，那么该系统就会认为机械手臂的关节处含有弹簧和阻尼的柔性体，便就会对机械手进行控制。

二、轻量化机械手的发展前景

(一) 在移动平台上的应用

一方面，由于当下社会各产业都在向往实现无人化、纯机械化的高效生产模式，尤其是以工业生产为主，所以对于创新发展移动平台的需求会越来越大。而轻量化的机械手在性能上具有明显的优越性，如易操作、体积小、高效率等，那么轻量化机械手融合移动平台肯定是未来机械手的必然发展方向之一。并且，轻量化机械手的能源损耗还比较低，这对于工业生产而言是再好不过的有利条件。另一方面，如果要是轻量化机械手臂大量的投入生产使用，那么必须要强大的控制程序，但是目前该项技术还并不成熟，尤其是还未投入到民用领域，所以这就说明轻量化机械手在移动平台上还具有较大的发展空间。

不过，目前世界上也出现了一些轻量化手臂的使用，比如，目前可以登陆到太空中的国家，都可以利用机械手臂在空间站中进行作业。并且，在上世纪末，美国就已经着手研究关于专用于执行太空任务的机械手臂。而且，在2010年之后美国成功地研制出进化版的二代、三代机械手臂，专用于执行太空任务的宇航员穿戴，并且已经投入使用。而反观我国当下还未在这方面取得骄人的成绩，这就说明我国在这方面与西方国家仍有一定的差距，仍需要继续努力提升技术水准。

(二) 人机交互

顾名思义，人机交互就是指人和机械之间达成了某种合理的交互关系，即人可以与机械进行沟通交流的技术。那么，该项技术与轻量化机械手臂的发展关系，主要在于可以提升轻量化机械手臂的感知能力，虽然机械手臂已经具有传感器进行感知，但是如果投入到更多的生产活动中，势必就会有所不足。而人机交互技术可以让轻量化机械手臂的每一处关节，都可以拥有较高的信息感知能力，并且可以迅速地将感知信息反馈给内部控制系统，同时内部控制系统还会对每处关节的力矩传感器进行信息交互，使得可以随时掌控机械手臂的运行状况。所以，较之传统的仅凭传感器反馈信息的机械手臂，这种基于人机交互的机械手臂更具有应用市场，如服务行业、医护行业、工业等多种行业。

(三) 装配工厂

从现有装备机械手臂的工厂生产情况来看，目前的机械手臂表现出的缺陷有三处，其一，现在投入使用的机械手臂都含有柔性装配辅助机构，主要用于提高产品的生产效率。但是，从实际情况来看，由于这种机构会在作业前需要设置固定的方向，使得当工程的装配工件空间发生变化时，使得无法自动改变固定方向，必须停止后重新调整方向这样既耗时又耗费能源，在一定程度上降低生产效率，如图2所示。

图2 轻量化机械手臂用于装配过程图

其二，由于装配辅助机构本身的体积就较大，并且通常多安装在机械手臂的底部，这就使得在运行时经常会受到装配环境的影响，必须配置何以容纳并便于作业活动的环境，使得厂商需要花费额外的成本，这就不利于更好地提升效益。

其三，从机器人动力学中可以得知，这种投入装配工厂使用的机械手臂中的柔性辅助机构，正因为处于手臂底处，便会承受较大的负载力，使得本身的质量就会继续增大，这就会对生产造成一定的影响。那么，如果在未来时期可以将轻量化机械手臂装置在装配工厂中，那么既可以通过力矩感知器提升手臂的感知能力，又可以利用高精度的内置算法提升手臂的控制装配力，使得大大提升装配工厂的生产效率。

三、结束语

综上所述，由于轻量化机械手臂具有显著的控制优越性，在未来的社会生产中，该手臂势必会成为主要的生产工具，使得可以绝大部分代替人力劳作的方式，这就可以推进我国社会的进步。那么，这就需要抓紧研究关于轻量化机械手臂的实践理论，使得可以尽快地投入到我国的国防、航天、生产、医疗等事业中，从而提升我国的科技实力。

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