机械手臂在机械工程技术领域的应用

夏振鲁

（德州职业技术学院，山东德州 253500）

1 机械手臂的优点分析

机械手臂的发明采用了仿生技术，它仿照人类的手臂运动，机械手臂的末端执行器是特殊材料制成的手指。机械手臂包括伺服驱动机构、机械框架部分、控制系统、不同种类的传感器等。机械手臂的关节可以使机械手臂改变运动方向，实现大范围的运动，改变机械手的位置。机械手负责控制工程材料。机械手臂的能力强于人类的手臂，机械手臂的自由度高于人类手臂，可以在三维空间内自由运动，因此可以达到人类手臂触碰不到的位置。机械手臂在人类手臂的基础上进行创新，有许多品种，适应于不同的工作。机械手臂是智能机器人的基础。在许多危险环境下的工作中，如果使用人工完成，稍有不慎就会有很大的危险。为了避免工人受伤，机械手臂可以代替工人的工作。很多制造产品对精密度的要求很高，使用人工会造成很大的误差，导致生产出的产品质量不过关。机械手臂的精度更高，使用机械手臂完成高精度的工作可以给企业和社会带来更高的经济效益。人类在较多的工作中容易疲惫，而机械手臂却可以完成非常多的工作，机械手臂不会感觉到累，休息的时间几乎很少，可以完成高强度的工作。

2 机械手臂的应用分析

机械手臂的运动受机械手臂系统的控制。机械手臂的运动特性随着系统的设定而改变。通过设定相应程序可以使机械手臂按照要求完成任务。使用某些可以编辑程序的软件对机械手臂建立相关的数学模型，并且使用仿真软件进行测试，测试成功后对机械手臂的质量和功能进行实验检测。相关人员对机械手臂下达命令，机械手臂可以高效率的完成工作任务。

工业制造更加追求自动化和智能化，机械手臂应用范围非常广。例如，利用机械手臂完成危险的实验项目，使用机械手臂进行汽车制造、医学治疗、农业生产、休闲娱乐、军事战争、探索自然等活动。

机械手臂可以分为油田钻井操作机械手臂、软索式机械手臂、硬臂式助力机械手臂、多关节机械手臂和T 形助力机械手臂。顾名思义，油田钻井操作机械手臂是用来挖孔挖井的机械手臂。这种机械手臂分为上手臂和下手臂两部分。上手臂在二层台面上的中心台上，起固定和稳定作用。下手臂在水平距离下层台井口2 m 左右的位置，下手臂为了方便钻井往往采用锋利且坚硬的材料。软索式机械手臂用于将物体升起，可以升起的高度较小。软索式机械手臂的承载能力也相对较差，最多可以提起0.5 t 的重物。这种机械手臂采用固定在地面或悬挂的方式，靠自身储气罐内的气体交换运动。制造硬臂式助力机械手臂所需的材料比其他几种机械手臂都要坚硬。如果在拾取物体时会产生较大的扭矩，就要选用硬臂式助力机械手臂。硬臂式助力机械手臂可以承受的最大重量与最大高度都和软索式机械手臂几乎相同。多关节机械手臂因具有更多的关节而运动更加灵活，自由度也更高，可以在三维空间内自由运动。多关节机械手臂的精确度也比较高，在要求精确度较高的工程制造领域中很常见。这种机械手臂利用关节多的优点可以很轻松地绕过障碍物进行工作。T 形助力机械手臂将手臂的主体做成了字母T 的形状，具有良好的稳定性。T 形助力机械手臂的运动受导轨的限制，可以向左、向右、向前、向后运动。在一些窄小的工作空间内常常使用T形助力机械手臂。这种机械手臂有着较为完善的安全系统，考虑到相关人员和货物的安全，在该手臂中加入了安全系统，在物品悬空的状态下，即使机械手臂的松开按钮被触发，机械手也不会松开，提高了工作过程中的安全系数。

机械手臂可以应用于对身体产生危害的实验中。科研人员在实验室中难免会进行一些危害性较大的实验，如可能会产生有害气体的实验、会出现对身体有害的放射性物质的实验、易发生爆炸的实验等等。机械手臂最初的应用就来源于实验室。科研人员在做含有危害身体健康的放射性物质的实验时，为了避免对自己身体产生危害，就设计了和人类手臂具有相似功能的机械臂，机械手臂从此诞生了。机械手臂代替了实验室的研究人员进行实验，机械手臂不会受有毒有害物质的影响。使用机械手臂进行实验，既保证了科研人员的安全，又为实验成果做出了巨大的贡献。自从第一台机械手臂发明后，人们意识到了机械手臂的优点，对机械手臂的研究增多。使用计算机控制机械手臂实现了机械手臂的自动化和智能化，更多功能和种类的机械臂被发明出来。

机械手臂被广泛应用于汽车制造行业。与其他行业相比，汽车制造业应用机械手臂的时间较长，大约有40 年。机械手臂的应用代表着汽车生产制造实现了自动化。与汽车制造有关的工作大多比较危险，而且对产品精度的要求也比较高。利用机械手臂安装一些细小零件产生的误差是非常小的，符合汽车制造行业的生产要求。越来越多危险系数较大的操作工序被机械手臂完成。机械手臂主要应用于工业制造方面，并且发展更新迅速。随着的工作需求的增加，科研人员对机械手臂的实验研究也逐渐增加。机械手臂更加倾向于自动化和智能化。

研究者模拟人手臂的各处关节和骨骼的运动创造出了机械手臂。为了让生活更加方便更加轻松，机械手臂被应用在生活和休闲娱乐方面。机械手臂不仅可以用来做一些危险的实验，还能完成一些沉重的工作。纯人工在搬运重物时往往费时费力，一个质量很大的物品需要几个人才能搬运。机械手臂的出现解决了搬运的问题。机械手臂可以代替工人完成费力的工作。两关节机械手臂是机械手臂的一种，它因具有两个关节而得名，经常用在工业制造中。两关节手臂在运动方面具有多个自由度。与其他类型的机械手臂相比，两关节的机械手臂更能实现对操作目标的近距离接触。两关节机械手臂使用特殊材料制成，能够承载较大的重量。制造工业中使用两关节机械手臂，能够轻松的搬运、夹持重物，减轻工人的负担，为企业带来良好的经济效益。在21 世纪，机械手臂已经成为了一个新型工业制造厂重要的设备，象征着从人工到机械生产的工业革命。随着时代的发展，科技的进步，工业制造的要求也越来越高。机械手臂不仅局限于两关节机械手臂，多关节机械手臂也相继被发明创造出来。多关节机械手臂由电动机驱动，可以在三维空间内任意运动。多机械手臂的创造促进了机械工程技术的发展进步。大大提高了工业制造的生产效率。

机械手臂的发明为手臂残疾的病人带来了希望。机械手臂采用了仿生技术，仿照人类手臂的关节运功。医疗使用的机械手臂按照人类手臂的比例制作，关节数量、手臂大小与人手臂相同。安装了机械手臂的残疾人就可以像正常人一样灵活地使用手臂拿东西。机械手臂的出现为残疾人提供了方便，促进了我国医疗技术的发展，改善了手臂残疾人的生活。医疗假肢机械手臂最理想的模型是与人的手臂结构相同、骨头大小相同、关节数量相同，甚至连外表也相同。假肢机械手臂可以完成任何人的手臂能够完成的工作，外表人性化，不会伤及残疾人的自尊心。用作假肢的机械手臂可以实现个性定制化，根据残疾人的比例1∶1定制，促进残疾人更顺畅地使用。机械手臂对灵活性的要求也比较高，在运动时要自然顺畅。在医疗假肢机械手臂的选材上也要本着寿命长、不会对人体产生危害的原则。另外，机械手臂在抓取的时候要掌握好一定的力度，如抓取鸡蛋时力度要稍微小一点，否则会把鸡蛋抓碎。在抓取重物或者摩擦系数较小的物体时，就要使用较大的力度以防止物体摔落。更加先进的机械手臂正在被科学家们研究。科学家正在研究一种可以和人体神经连接的智能机械手臂。该机械手臂不仅可以拾取、夹持物体，还能够感受外界对机械手臂产生的刺激，该机械手臂和人类的手臂一样可以感受冷、热、疼痛等刺激。使安装后的机械手臂更具有真实性。这种先进的机械手臂还具有和人类相似的肌肉组织。

除此之外，机械手臂还可以辅助医生治疗病人。工作精度非常高的机械手臂可以成为医生手术台上的得力助手。我国正在加大力度地研究机械手臂的辅助治疗功能。很多医生在给病人进行手术操作时并不能保证手术的安全性和精确性，因此，以机械手臂为主体的自动化手术设备被科学家发明出来。使用机械手臂为病人做手术克服了传统手术的不确定性和不安全性。例如在机械手臂上安装微型摄像头可以帮助医生完成一些对细节精确度要求较高的手术。目前用来做手术的机械手臂还处在研究发明和实验阶段，相信在不久的未来，机械手术就可以逐渐被应用在医疗手术方面。对机械手臂的进一步研究是造福人类的大工程。

机械手臂在维护世界安全方面也做出了很大的贡献。经历过战争的土地上可能会被士兵埋入地雷，地雷一旦爆炸就会威胁附近人员的生命安全。土里埋藏的地雷还会对周围的土壤造成污染，影响农作物的生长发育。地雷即使在土地里埋藏多年也有很大可能会爆炸。为此，科学家们发明了可以排雷的机械手臂，可以在无人接触的情况下解除引爆装置，保证人员的安全。

3 总结

时代在发展，科技在进步，机械手臂的发展变化也越来越大。近年来，我国更加重视机械手臂在机械工程技术领域的应用研究。在科技迅速发展的今天，在工业制造方面对智能化自动化的要求也越来越高，机械制造业要抓住发展机遇，敢于创新，敢于挑战，努力发展智能机械产品，对机械制造方面的难题要不懈钻研，推进我国智能机械手臂行业的发展。