程智超，王云漢，孫浩天，賈文哲，李 錕

(1.長春工程學(xué)院，長春 130000；2.長春建工集團(tuán)吉泓建筑有限公司，長春 130000)

0 引言

隨著科技的快速發(fā)展，德國工業(yè)4.0以及中國制造2025規(guī)劃的出現(xiàn)，著重強(qiáng)調(diào)發(fā)展先進(jìn)的機(jī)械技術(shù)。中國制造2025規(guī)劃中強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)發(fā)展高檔數(shù)控機(jī)床、機(jī)械臂及高技術(shù)船舶、先進(jìn)軌道交通裝備、農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備等多個(gè)領(lǐng)域，以提高制造業(yè)的水平。機(jī)械臂作為當(dāng)今科研領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)，其技術(shù)及應(yīng)用應(yīng)進(jìn)一步得到優(yōu)化和普及。機(jī)械臂因其效率高、穩(wěn)定性好、惡劣環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等許多領(lǐng)域已經(jīng)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力為社會(huì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。然而傳統(tǒng)機(jī)械臂也存在自主性差、兼容性低等缺點(diǎn)，其多數(shù)應(yīng)用在固定參數(shù)、流程甚至是固定運(yùn)動(dòng)軌跡的工作條件中，即使流程或工作對象發(fā)生細(xì)小改變也需要對作業(yè)系統(tǒng)和機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)定，因此，機(jī)械臂的技術(shù)升級工作和智能化研究是近年來的熱點(diǎn)問題。

1 國內(nèi)機(jī)械臂市場分析

根據(jù)智研咨詢發(fā)布的《2020—2026年中國工業(yè)機(jī)械臂行業(yè)市場調(diào)研及投資方向研究報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示：2017年我國機(jī)械臂市場規(guī)模為150.43億元，2018年我國機(jī)械臂市場規(guī)模為149.19億元。其中國產(chǎn)品牌市場規(guī)模從2014年的6.51億元增長至2018年的22.83億元；國外品牌市場規(guī)模從2014年的72.45億元增長至2018年的126.36億元，如圖1所示。

圖1 2014—2018年我國機(jī)械臂市場規(guī)模(億元)

圖2為2014—2018年我國機(jī)械臂市場銷量及國產(chǎn)品牌銷量對比，可見2014年我國機(jī)械臂產(chǎn)品銷量為3.60萬臺，其中國產(chǎn)品牌銷量為0.36萬臺，國產(chǎn)品牌占比為10.00%；到2018年我國機(jī)械臂銷量增長至9.72萬臺，其中國產(chǎn)品牌銷量增長至1.88萬臺，國產(chǎn)品牌占比從2014年的10.00%增長至2018年的19.34%。東部地區(qū)是我國工業(yè)機(jī)械臂主要生產(chǎn)區(qū)。主要分布在國內(nèi)東部地區(qū)，東北和華東、華南是主要機(jī)械臂生產(chǎn)基地。由此看出，我國十分重視機(jī)械臂的發(fā)展前景，沒有國內(nèi)自主研發(fā)機(jī)械臂，就沒有其為各個(gè)行業(yè)提供設(shè)備，不會(huì)有國民經(jīng)濟(jì)及生產(chǎn)能力的進(jìn)一步發(fā)展。

圖2 2014—2018年我國機(jī)械臂銷量及國產(chǎn)品牌占比

2 國內(nèi)機(jī)械臂技術(shù)研究與應(yīng)用情況

近年來，我國自主機(jī)械臂技術(shù)水平和應(yīng)用能力得到顯著提升，例如越疆科技劉培超及團(tuán)隊(duì)，憑借 “Dobot機(jī)械臂”項(xiàng)目，奪得中美創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的二等獎(jiǎng)，他的創(chuàng)立目標(biāo)是制造一個(gè)價(jià)格低廉、操作精準(zhǔn)的機(jī)械臂，供教育科研以及相關(guān)領(lǐng)域使用。關(guān)鍵技術(shù)的攻克歷經(jīng)了將近3個(gè)月的時(shí)間，同時(shí)設(shè)計(jì)了7種控制方法。PC鼠標(biāo)端、手機(jī)APP、腦電波控制、語音控制、手勢傳感器、體感控制、視覺識別，使得Dobot的使用方式更加符合人性，增加用戶好感。它能寫出漂亮的毛筆字和英文，能畫畫、切香腸，端水也不會(huì)灑出來，還可以搬運(yùn)小小的螺絲釘，甚至還可以打字和3D打印，Dobot機(jī)械臂如圖3所示。

圖3 Dobot機(jī)械臂

現(xiàn)階段的機(jī)械臂產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于各種場合，但這種工作方式多數(shù)只能按照事先設(shè)置的位置進(jìn)行重復(fù)的動(dòng)作，無法感知周圍環(huán)境，其應(yīng)用范圍因此受到一定的限制。我國機(jī)械臂多數(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)線上，這類機(jī)械臂主要工作于原料搬運(yùn)、噴漆、焊接等工作場合，在應(yīng)用方面，在第二汽車廠建立的我國第一條采用國產(chǎn)機(jī)械手的生產(chǎn)線——東風(fēng)系列駕駛室多品種混流機(jī)械手噴涂生產(chǎn)線，該線由7臺國產(chǎn)PJ系列噴涂機(jī)械手和PM系列噴涂機(jī)械手和周邊設(shè)備構(gòu)成，已運(yùn)行10年，完成噴涂20萬輛東風(fēng)系列駕駛室的生產(chǎn)任務(wù)，成為國產(chǎn)機(jī)械手應(yīng)用的一個(gè)窗口。

紅旗轎車在引進(jìn)消化先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，為了配合紅旗轎車焊裝生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與實(shí)施，一汽集團(tuán)與沈陽自動(dòng)化所等單位聯(lián)合開發(fā)了120 kg點(diǎn)焊機(jī)器人。紅旗轎車焊裝生產(chǎn)線共裝備了6臺120 kg點(diǎn)焊機(jī)器人，提高了生產(chǎn)率，保證了生產(chǎn)質(zhì)量。其中，一汽“紅旗”汽車機(jī)器人焊接生產(chǎn)線如圖4所示。

圖4 一汽“紅旗”汽車機(jī)器人焊接生產(chǎn)線

國內(nèi)工業(yè)機(jī)械臂的發(fā)展十分迅速，政府頒布的政策支持也起到了很大的幫助作用。政府相繼頒布了《中國制造2020》《十三五規(guī)劃》和《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)》等政策扶持機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。有了政策支持，再加上機(jī)械臂的產(chǎn)品優(yōu)勢和廣闊的市場需求，工業(yè)機(jī)械臂在國內(nèi)的發(fā)展前景不可估量。

與傳統(tǒng)的機(jī)械臂相比，我國自主研究的桌面機(jī)械臂具有成本低、重量輕、占地面積小等突出優(yōu)點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)證明，運(yùn)用 Faster R-CNN 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)比單純用 Open CV 做圖像識別，準(zhǔn)確率有明顯提升。但其工作性能仍受很多因素影響，例如應(yīng)用于農(nóng)業(yè)水果采摘或抓取試驗(yàn)時(shí)，由于機(jī)械手與水果有時(shí)會(huì)發(fā)生滑動(dòng)、掉落等現(xiàn)象，并不是每次都能成功把抓取到的目標(biāo)物體放入水果筐中。圖5 所示為桌面機(jī)械臂實(shí)際抓取水果圖，理論上來講，只要在桌面機(jī)械臂工作區(qū)范圍內(nèi)，水果種類是 Faster R-CNN目標(biāo)檢測網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)定義過的，且識別后水果體積不大于機(jī)械抓手最大張開尺寸，桌面機(jī)械臂都會(huì)進(jìn)行抓取，這為農(nóng)業(yè)水果采摘及撿選自動(dòng)化技術(shù)提供了支持。

圖5 機(jī)械臂抓取目標(biāo)物體

3 國際典型機(jī)型及其應(yīng)用特點(diǎn)

機(jī)械臂從20世紀(jì)40年代出現(xiàn)到目前為止，己經(jīng)有將近80年的歷史了，在這樣的歷史長河中，人類對它的研究并沒有隨著時(shí)間的流逝而削弱，而是越發(fā)的投入和深入。生活因?yàn)闄C(jī)械臂的出現(xiàn)而變得多彩，現(xiàn)在可以通過一款機(jī)械臂來幫助我們完成任務(wù)，而不必自己動(dòng)手。國外的機(jī)械臂研究現(xiàn)狀可以通過以下兩種機(jī)械臂的概況來簡單的介紹。

3.1 空間機(jī)械臂

空間機(jī)械臂是一個(gè)空間機(jī)電系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)由機(jī)、電、熱、控共同組成。隨著空間技術(shù)(特別是航天飛機(jī)、空間站、空間機(jī)器人等)的飛速發(fā)展?？臻g機(jī)械臂在太空中的應(yīng)用越來越廣泛?？臻g機(jī)械臂主要有兩大類：艙外機(jī)械臂、艙內(nèi)機(jī)械臂。前者針對不同的工作任務(wù)需求，其自由度通常為5～10個(gè)，長度通常是從幾米到十幾米，主要安裝載體在空間站、航天飛機(jī)、以及小型飛行器上。它主要的任務(wù)有:運(yùn)送目標(biāo)、輔助進(jìn)行對接、攝影、在軌建設(shè)、抓捕或者釋放衛(wèi)星等，此外它還可以作為輔助設(shè)備，幫助航天員進(jìn)行出艙活動(dòng)。而后者具有尺寸小、運(yùn)動(dòng)范圍小等特點(diǎn)，它的主要任務(wù)是更換設(shè)備部件、裝配設(shè)備以及打撈空間漂浮物等。

德國宇航中心在20世紀(jì)90年代研制并成功發(fā)射了小型空間機(jī)器臂系統(tǒng)ROTEX。這種系統(tǒng)安裝了各種類型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感機(jī)構(gòu)，擁有8個(gè)自由度。能夠精準(zhǔn)的完成1 m的范圍內(nèi)預(yù)設(shè)的操作。在“國際空間站”的美國艙段上，裝有NASA公司和Canada公司共同研制的自由飛行機(jī)器人，是當(dāng)前正在進(jìn)行的研究。這種飛行機(jī)器人由一個(gè)特殊用途的靈敏機(jī)械手(SPDM)(15個(gè)自由度、長3.5 m)和一個(gè)空間站遙控操作臂系統(tǒng)SSRMS (7個(gè)自由度，長17.6 m)組成。除此之外，由歐洲航天局主導(dǎo)開發(fā)的機(jī)械臂ERA還被日本和俄羅斯分別裝配在其國際空間站的所屬艙段上，這種機(jī)械臂長度大約11 m，并擁有7個(gè)自由度，國際空間站SSRMS機(jī)械臂如圖6 所示。

圖6 國際空間站SSRMS

3.2 關(guān)節(jié)型機(jī)械臂

RMP200機(jī)器人組成平臺如圖7所示，是由Segway(賽格威公司)與一家機(jī)器人制造商制造的RMP200輕機(jī)器人。其有一個(gè)相對較小的軌跡和高機(jī)動(dòng)性能的平臺使它適應(yīng)在室內(nèi)環(huán)境移動(dòng)。RMP200機(jī)器人具有較長的長臂和有效載荷比自身的重量,從而使其適合移動(dòng)操作。

圖7 RMP200機(jī)器人組成平臺

日本早在20世紀(jì)80年代也開始了對農(nóng)業(yè)采摘機(jī)械臂的研究。1984年，日本Kyoto大學(xué)開始了對番茄采摘機(jī)械臂的研究，并研制出了一個(gè)5自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)械臂。1993年，日本Kondo 等人研制的番茄采摘機(jī)械臂具有7個(gè)自由度，其末端執(zhí)行器由兩個(gè)機(jī)械手指和一個(gè)吸盤組成，視覺傳感器主要由彩色攝像機(jī)來尋找和識別成熟果實(shí)，利用雙目視覺方法對目標(biāo)進(jìn)行定位，行走裝置采用4輪結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，Kondo 等人還針對草莓的高架栽培模式和傳統(tǒng)模型研制出了相應(yīng)的草莓采摘機(jī)械臂。該機(jī)械臂具有5個(gè)自由度，視覺系統(tǒng)與番茄采摘機(jī)械臂類似，末端執(zhí)行器采用真空系統(tǒng)加螺旋加速切割器。五自由度番茄采摘機(jī)械臂如圖8所示。

圖8 五自由度番茄采摘機(jī)械臂

KUKA醫(yī)療行業(yè)合作伙伴Sunya Tech(舜若科技)研制LBR med 系列作為靈敏的七軸輕型機(jī)器人可以簡單靈活地集成到醫(yī)療器械中，從而執(zhí)行各種醫(yī)療活動(dòng)。靈敏的傳感器技術(shù)、全面的安全防范、衛(wèi)生方面優(yōu)化過的表面，以及為直接與人協(xié)作而設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，使其特別適用于醫(yī)療技術(shù)。此外，使用 LBR Med技術(shù)，醫(yī)療器械制造商也能夠更快更容易地開發(fā)和許可基于機(jī)器人組件的產(chǎn)品，因?yàn)?LBR Med 已通過國際認(rèn)可的 CB 體系認(rèn)證，LBR med 系列機(jī)械臂如圖9 所示。

圖9 LBR med機(jī)械臂

4 可編程機(jī)械臂技術(shù)及意義

美國作為科技強(qiáng)國，其機(jī)器人技術(shù)在世界上名列前茅。世界上第一臺可編程機(jī)器人就誕生在美國，并且在1961年成功將其應(yīng)用到美國通用汽車生產(chǎn)流水線上。斯坦福大學(xué)的研究人員于1966年成功研發(fā)出世界上第一臺具有環(huán)境識別和環(huán)境建模能力的移動(dòng)式機(jī)器人。1978年世界著名的機(jī)器人研發(fā)公司Unimation公司成功研發(fā)出一系列通用的、可編程、可靈活裝配的機(jī)器人。同樣，機(jī)器人技術(shù)強(qiáng)國日本，于1979年成功研發(fā)出世界上第一臺用于垂直方向上裝配的鉸接式機(jī)器人。

機(jī)械臂的發(fā)展及功能的多樣化帶動(dòng)著國家經(jīng)濟(jì)的快速提升，利用先進(jìn)的科研技術(shù)在機(jī)械臂研發(fā)與應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)了智能化市場；勞動(dòng)工具是生產(chǎn)力發(fā)展水平的主要標(biāo)志，國外的機(jī)械臂技術(shù)不斷為經(jīng)濟(jì)各部門提供先進(jìn)的技術(shù)裝備，保證各部門的生產(chǎn)在先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展，從而帶動(dòng)整個(gè)國家經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)代化，有效體現(xiàn)了機(jī)械臂技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用重要性及必要性。

5 結(jié)論

隨著機(jī)械臂越來越廣泛的得到了應(yīng)用，逐漸改善了傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。目前，機(jī)械臂已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個(gè)重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適用于中、小批量生產(chǎn)，可以簡化龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。當(dāng)工件變更時(shí)，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場競爭的需要。而目前我國的機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械臂的研究和開發(fā)直接影響到我國自動(dòng)化生產(chǎn)水平，無論從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮增強(qiáng)相關(guān)技術(shù)的研究都是十分必要的。