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机械臂的研究与发展

机械臂是能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具

的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操

作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

它是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着

计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得

了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动

了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些

操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，

1948年又开发了机械式的主从机械手。

机械手首先是从美国开始研制的。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，

并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动

作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差

不多都采用这种控制方式。一般有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越

多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由

度。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。作为机器人产品最早的实

用机型是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的

“UNIMATE”。这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成它可代替人的繁重劳动以实现

生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、

冶金、电子、轻工和原子能等部门。

机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范

围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控

制机械手等。

机械臂的发展状况如下：

第一代机械臂，即按事先示教的位置和姿态进行重复的动作的机械。它也简称为示教/

再现方式的机械臂或是T/P方式的机械臂。目前国际上使用的机械臂大多仍是这种工作方

式。由于这种工作方式只能按照事先示教的位置和姿态金子那个重复的动作而对周围环境毫

无感觉的功能，其应用范围受到一定的限制，主要应用于材料的搬运、喷漆、电焊等工作。

1993年乌克兰，戈道斯等申请的专利，一种用缝合针将病人的第二血管缝合到冠状动

脉上的最小侵入性手术方法。该系统采用了机械臂链接手术器械。这些器械具有能够被操作

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来抓取和缝合组织的末端操作装置。该机械臂通过一个控制器与一个主操作手柄联合。手柄

可以由外科医生移动来产生末端操作装置的一个相对移动。

第二代机械臂，既具有如视觉、触觉等外部感觉功能的机械臂。这种情况由于具有外部

的感觉功能，因此可以根据外界的情况修改自身的动作，从而完成较为复杂的动作。如

李彦涛等研制一种将Simulink控制程序和助餐机器人目标机无缝连接、下载的方法，

实现机器人的实时控制，实时满足不同伤残患者的助餐要求。在Matlab/xPC实时目标环境

的基础上，开发了助餐机器人的硬件接口模块和上位机软件模