机电一体化控制机械臂技术特征与发展趋势分析

机电一体化控制机械臂技术特征与发展趋势分析

孙大成

辽宁省豫祥人力资源有限公司，辽宁省沈市11000

摘要:现代化的生产生活过程离不开信息化、智能化、精细化的机电液一体化控制技术，在工业、农业、新兴产业等很多的领域，单纯依靠人工进行生产操作已经不能满足实际工作需求，通过机器人技术替代人工操作流程、发展自动化和智能化体系已成为各个领域的迫切需求。分析机电一体化系统中智能控制的应用。它改变了传统的生产效率低，质量差等问题，节省了人工，提高工作效率，备受各行各业青睐。基于此，以机电一体化控制技术为基础，分析并说明了现代机械臂技术的结构、原理与技术特点，介绍了机械臂技术在各行业应用中发挥的功能及技术研究现状，总结了基于机电液一体化控制的机械臂技术发展趋势。

关键词:机电液一体化;控制;机械臂;特征;发展趋势

1引言

机电一体化系统内部包含驱动、动力、传感测试等模块。传感测试进行相关信息的传输，负责检测系统内、外部参数与当前运行状态，分析、处理之后便会生成与之相对应的控制信息。动力模块为系统的运行提供必要能源，将传感控制进行整合之后便可以维持设备运行。一旦设备缺乏足够的动力，便会深入分析导致动力欠缺的主要原因，将问题予以解决[1-3]。机械配置在机电一体化系统中是必不可少的组成部分，其中包括电气和机械传动系统、以及设备核心处理器（PLC、CPU）等构件，以此来支持机电一体化系统的正常运行。

2机械臂结构与技术特征

2．1机械臂的功能

机械臂是在现代机械技术的基础上，以机械为主体研制的一种仿生设备，工业机械臂的发展从最初的简单搬运到现阶段的高精度作业经历了70多年的历史，机械臂的发展实现了空间多自由度的功能要求，其在工业搬运、农业采摘、生产焊接、产品装配、产品制造等众多领域发挥了重要作用，尤其对于一些重复性工作和重体力工作而言，机械臂的应用能显著提高工作效率，减少人力雇佣成本和人力负担［4］。

2．2机械臂的结构原理

生产生活中常见的机械臂结构与原理存在一定的相似性，以图1所示机械臂为例，机械臂的主体结构为多关节结构，其运行由多个回转部件、关节、支撑臂部件、可伸缩部件、抓手等组成，大部分机械臂工作过程类似于费力杠杆的工作过程。大部分机械臂包括以下机械结构，一是主体回转机构，位于机械臂的最下方位置，由伺服电机、回转支撑、涡轮、涡杆、回转轴等零部件组成，能够实现水平方向的自由转动;二是关节轴承，能够实现两个相连接支撑臂的空间转动，包括俯仰、摆动等;三是可伸缩气缸、液压油缸或电缸，能实现手臂沿特定方向的伸缩功能;四是抓手结构，包括夹取、抓取、吸取等多种方式，所使用的驱动力和技术形式也多种多样［5］。此外机械臂中常用的运动控制技术还包括电机控制同步带运转、齿轮齿条传动等。除以上机械结构外，一个成熟的机械臂产品还包含驱动装置、计算机控制、电源、传感器等设备，软硬件设施也成为现代机械臂技术的重要影响因素。也就是说，机械臂的性能受到机械结构设计与软硬件技术先进性的共同制约。

在现代化机械臂的运行过程中，可编程控制器是各个功能实现的重要保证，机械臂每个动作的执行都受到可编程控制器的控制，目前大部分机械臂产品的控制技术需依赖成熟的PLC技术，PLC负责工作过程的决策与控制，实现传统机械功能与现代人工智能的有效连接。

图1机械臂结构示例

3机械臂技术应用现状

3．1在制造业领域的研究及应用

机械臂在制造业领域应用十分广泛，随着自动化生产线的普及，制造业所应用的机械臂产品也向着系列化和成套化发展，在同一生产线上，所应用的机械臂常常具有多种形式，以满足不同工序和工艺的加工制造要求。例如在机械产品的安装环节，传统人工作业需要长期重复大量技术简单、劳动强度高的工作任务，而利用现代化的机械臂技术，能够实现不同环节、不同零部件的快速识别与精准装配，如图2所示，为多种机械臂相配合的数码产品装配生产线，装配过程能很好实现工件交互与坐标定位，实现不同部件的位置、角度、方向精确调整与安装［6］。除在装配环节应用外，机械臂还在自动化生产线中的产品拣选、产品加工、金属焊接、仓储物流等众多领域广泛应用。此外，机械臂还应用在一些高温高压、有毒有害等危险场合，避免了人工操作受到人身健康威胁，并在恶劣环境中更好的保证加工生产的质量。

3．2在农业领域的应用

现阶段应用的农业机械臂根据农业生产的类型分为种植业机械臂、畜牧业机械臂等多个种类，若按照实际的应用功能划分，包括自动采摘机械臂、自动饲喂机械臂、自动除草施肥机械臂等。农业生产中所使用的机械臂与工业中存在一定的差异，机械臂多安装于轨道或轮式底盘上，应用于移动式作业。目前来看，我国农业机械臂的应用落后于欧美等发达国家，应用的主体集中于智慧大棚、智慧牧场等局布环境，大田应用相对较少。近年来，江苏大学、中国农业大学等学校相继研制成功番茄、黄瓜、草莓采摘机械臂，为我国农业机械臂的应用创造了良好条件。

3．3在医疗方面的应用

相对于农业而言，机械臂在医疗方面的应用更为普及，经过几十年的技术应用与发展，医疗机械臂在现代医学的神经外科、骨外科、胸外科、颅外科等。尤其在2014年以后，医疗机械臂应用量近一步增加，并向着血管、神经、脊髓等重要方向发展。例如，2011年美国生产的Ｒenaissance机械臂已能通过信息导航与远程控制及视觉辅助定位实现精度达1．5mm的脊骨手术［7］。

图2多机械臂成套安装工位

4发展趋势分析

4．1向模块化技术发展

现阶段的机械臂产品大多功能不定，应用于各行各业的生产过程中，通常仅能完成预设的工作任务，柔性化能力较弱。很多生产过程中的技术升级只能通过更换整台机械臂来实现，造成了严重的浪费。基于此，对现有机械臂进行模块化升级，使机械臂通过一定的装配工艺实现功能的多样化，使用者只需通过更换不同的功能组件，即可利用机械臂的主体在较低的成本投入下实现功能升级。

4．2向成组化发展

现阶段的机械臂应用除在汽车制造、汽车电子产品等少数领域外，大部分机械臂的应用都是独立作业，仅完成单一的重复性工作。对于生产过程中相对复杂的工作完成能力较弱，且应用过程对于人工的替代并不全面。大部分机械臂应用集中在重体力劳动或危险工作方面，导致很多工作的实施需要人工配合，并不能完全实现机械臂全程作业。因此，向成组化发展将成为机械臂应用的发展趋势。

4．3向精确化发展

机械臂技术要实现更大范围的普及，需要在现阶段应用方式的基础上近一步替代人工作业，而剩余的人工作业内容更难以替代，不仅要求机械臂的结构、功能得到优化，还必须在逻辑判断、精确定位、抗外界干扰等方面得到进一步提高。

5结语

机电一体化系统中应用智能控制，可以有效提高系统运行效率，发挥智能控制作用，为其运行赋予智能化。而智能控制技术也可以对系统内部原有技术进行优化，使机械生产效率得到提升，这对于我国工业生产制造有重要意义。

参考文献:

［1］冯立松．机电一体化技术在机械工程中的应用分析［J］．大众标准化，2020(24):182－183．

［2］马驰，杜国强．自动化技术在机械设备制造中的应用分析［J］．内蒙古煤炭经济，2020(8):144+146．

［3］吴蔚．机电液一体化技术在工业机器人中的实践分析［J］．南方农机，2020，51(24):100+103．

［4］高国亮，巩雪．基于智能交叉带分拣系统的机械臂设计［J］．哈尔滨商业大学学报(自然科学版)，2021，37(2):195－199．

［5］刘宏，蒋再男，刘业超．空间机械臂技术发展综述［J］．载人航天，2015，21(5):435－443．