工業(yè)機(jī)器人特點(diǎn)及發(fā)展趨勢分析

程蘇全　徐博凡

摘 要：隨著工業(yè)4.0和中國制造2025的推動(dòng)，我國工業(yè)機(jī)器人正迅猛發(fā)展，智能工廠無人工廠的發(fā)展如火如荼。本文主要介紹了工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)、分類，最后分析了工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢、

關(guān)鍵詞：工業(yè)4.0；工業(yè)機(jī)器人；趨勢

當(dāng)前，新的產(chǎn)業(yè)變革和科技革命與我國要加快變革經(jīng)濟(jì)發(fā)展形式交匯在一起，國際上的產(chǎn)業(yè)分工格局正在重新形成。在工業(yè)4.0和中國制造2025的大環(huán)境大趨勢下，建設(shè)智能工廠，實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)顯得尤為重要。而工業(yè)機(jī)器人就是實(shí)現(xiàn)中國制造2025，實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化和智能生產(chǎn)必不可少的工具。工業(yè)機(jī)器人目前在大多發(fā)達(dá)國家和部分發(fā)展中國家都已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用范圍不僅僅在傳統(tǒng)的制造領(lǐng)域，在非制造領(lǐng)域，如服務(wù)業(yè)，醫(yī)療行業(yè)，甚至太空作業(yè)等都已隨處可見工業(yè)機(jī)器人的身影。

機(jī)器人工作環(huán)境的復(fù)雜多樣，使仿真和離線編程的發(fā)展和應(yīng)用變得越來越廣泛。在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行仿真和離線編程的應(yīng)用，使工業(yè)機(jī)器人的控制操作變得更加便攜，高效，簡單和安全。

1 工業(yè)機(jī)器人的定義和特點(diǎn)

1.1 工業(yè)機(jī)器人的定義

工業(yè)機(jī)器人的定義是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，能夠依靠自身動(dòng)力和通過邏輯編程的控制能力來實(shí)現(xiàn)所需的不同功能的一種機(jī)器。它能夠按照人類的指揮進(jìn)行動(dòng)作，也可以按照預(yù)先編寫好并輸入至機(jī)器人中的程序運(yùn)行，現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。

工業(yè)機(jī)器人是由三個(gè)基本部分組成的，即控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主體。控制系統(tǒng)是由機(jī)器人主板處理器進(jìn)行控制，按照編寫輸入的程序?qū)︱?qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號(hào)，來控制機(jī)器人的動(dòng)作，一般也認(rèn)為控制系統(tǒng)也包括人機(jī)交互系統(tǒng)；由控制系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)是由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體來完成相應(yīng)的動(dòng)作的，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由動(dòng)力裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所組成的；工業(yè)機(jī)器人的主體即包括機(jī)器人的機(jī)座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)在內(nèi)的所有機(jī)器人實(shí)體部分，一般的工業(yè)機(jī)器人都具有臂部、腕部和手部等部位，有的機(jī)器人還有行走機(jī)構(gòu)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人有3～6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，常見的為5自由度工業(yè)機(jī)器人和6自由度工業(yè)機(jī)器人，其分別具有5個(gè)運(yùn)動(dòng)軸和6個(gè)運(yùn)動(dòng)軸?，F(xiàn)代的工業(yè)機(jī)器人向著智能化方向發(fā)展又附加了感知系統(tǒng)和機(jī)器人與環(huán)境的交互系統(tǒng)，集成了大量的傳感器和處理單元。

1.2 工業(yè)機(jī)器人特點(diǎn)

工業(yè)機(jī)器人主要有以下四個(gè)特點(diǎn)：

（1）可編程。工業(yè)機(jī)器人可以隨其在具體的工作環(huán)境和條件的改變編寫不同的程序，以程序去驅(qū)動(dòng)機(jī)器人完成不同的動(dòng)作來滿足不同條件下的各種需求，達(dá)成不同的任務(wù)目標(biāo)。所以工業(yè)機(jī)器人可以適應(yīng)各種不同的環(huán)境，并對不同的環(huán)境和條件做出最適合該環(huán)境下的調(diào)整來滿足需要，尤其是在有毒有害等惡劣環(huán)境下。在批量較大，品種較多的情況下有很高的工作效率，是柔性制造系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。

（2）擬人化。工業(yè)機(jī)器人與人體結(jié)構(gòu)在很多方面有著較為相似的地方，即工業(yè)機(jī)器人有著較高的擬人化特點(diǎn)。工業(yè)機(jī)器人有與人相似的腕部，手爪，手臂，關(guān)節(jié)等機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以完成與人類動(dòng)作很相似甚至人類不能完成的動(dòng)作。此外，智能化的工業(yè)機(jī)器人還具有許多類似人類的可以達(dá)到人類某些能力的“生物傳感器”和功能等，如皮膚型接觸傳感器、負(fù)載傳感器、灰度傳感器、力傳感器、語言功能、視覺傳感器等。當(dāng)工業(yè)機(jī)器人所擁有的傳感器的種類越多，其控制系統(tǒng)所需處理的數(shù)據(jù)就越多，當(dāng)然也就會(huì)對周圍環(huán)境的自適應(yīng)能力就越強(qiáng)，所能實(shí)現(xiàn)的功能就越多。

（3）通用性。除了專用場合而進(jìn)行專門設(shè)計(jì)的機(jī)器人外，一般的工業(yè)機(jī)器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)時(shí)具有較好的通用性，同樣的機(jī)器人可以完成各種不同的任務(wù)。對于同一型號(hào)或者系列的機(jī)器人，通過更改控制程序或者主板控制系統(tǒng)，改變機(jī)器人的安裝方式，更換末端執(zhí)行器（EOAT）便可讓機(jī)器人執(zhí)行各種各樣的作業(yè)任務(wù)。比如相同的機(jī)器人可以用來抓取，搬運(yùn)，噴漆，焊接等性質(zhì)不同的操作。

（4）高集成性。工業(yè)機(jī)器技術(shù)所涉及的相關(guān)學(xué)科內(nèi)容相當(dāng)?shù)膹V泛，總結(jié)起來就是機(jī)械學(xué)科和微電子學(xué)科的結(jié)合，也就是機(jī)電一體化技術(shù)。工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)需要計(jì)算機(jī)微電子技術(shù)的支持，而且現(xiàn)在的智能機(jī)器人越來越多的涉及到微電子學(xué)電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，例如 具有各種傳感器的機(jī)器人可以感知外部環(huán)境的情況，而且還可以針對環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的處理工作，比如圖像識(shí)別，語言理解和記憶能力。工業(yè)機(jī)器人的高集成性，使得機(jī)器人所涉及的領(lǐng)域越來越廣泛，發(fā)揮的作用也越來越大，因此，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展水平可以帶動(dòng)一個(gè)國家工業(yè)技術(shù)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平。

2 工業(yè)機(jī)器人的分類

工業(yè)機(jī)器人根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可以分為不同的類型，分類標(biāo)準(zhǔn)大體上有按應(yīng)用領(lǐng)域分類，按控制方式分類和按幾何結(jié)構(gòu)分類等。

按照應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分類，工業(yè)機(jī)器人可以分為：

（1）裝配機(jī)器人

裝配機(jī)器人是裝配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的核心設(shè)備，在無人工廠等場所有著十分關(guān)鍵的地位。裝配機(jī)器人是由機(jī)器人主體、相關(guān)控制裝置、末端執(zhí)行器和相配套的傳感系統(tǒng)所組成。裝配機(jī)器人的應(yīng)用場合設(shè)計(jì)到生產(chǎn)領(lǐng)域的各個(gè)方面，主要用于各種的電器制造行業(yè)（包括家用電器，如電視機(jī)、電冰箱、吸塵器等）、汽車及其部件的裝配、機(jī)電產(chǎn)品及其組件的裝配等方面。

（2）焊接機(jī)器人

焊接機(jī)器人是目前工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的最為廣泛的機(jī)器人之一，主要是進(jìn)行焊接工作（包括切割與噴涂工作）的工業(yè)機(jī)器人。焊接機(jī)器人又由焊接方式的不同分為點(diǎn)焊機(jī)器人和弧焊機(jī)器人。

（3）搬運(yùn)機(jī)器人

搬運(yùn)機(jī)器人是最廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人之一，是可以通過編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化搬運(yùn)工作的工業(yè)機(jī)器人。搬運(yùn)機(jī)器人包括AGV小車但并不限于AGV小車，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化成產(chǎn)線，碼垛搬運(yùn)，機(jī)床上下料，集裝箱自動(dòng)搬運(yùn)等搬運(yùn)工作中。

（4）激光加工機(jī)器人

激光加工機(jī)器人是通過高精度工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)更加柔性的激光加工作業(yè)，可用于工件的激光表面處理，打孔，焊接和模具修復(fù)等。

工業(yè)機(jī)器人按照其他不同的標(biāo)準(zhǔn)又有其他不同的分類，工業(yè)機(jī)器人按照控制方式可以分為非伺服機(jī)器人和伺服機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人按照幾何結(jié)構(gòu)可將其劃分為直角坐標(biāo)機(jī)器人，柱面坐標(biāo)機(jī)器人，球面坐標(biāo)機(jī)器人和關(guān)節(jié)型機(jī)器人等。

3 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢

在“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的大潮下，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展勢必將更進(jìn)一個(gè)臺(tái)階?！肮I(yè)4.0”是德國提出的以“智能工廠”“智能生產(chǎn)”“智能物流”為主題的國家級戰(zhàn)略，工業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)化的發(fā)展和成熟是德國啟動(dòng)“工業(yè)4.0”的重要前提之一，而工業(yè)機(jī)器人又是工業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)化技術(shù)的關(guān)鍵動(dòng)力，工業(yè)機(jī)器人研發(fā)和制造必會(huì)受到世界各國政府和企業(yè)越來越高的重視。在我國，新一輪的產(chǎn)業(yè)變革和科技革命與我國加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的相關(guān)政策形成了歷史性的交匯，世界各國產(chǎn)業(yè)工業(yè)分工格局正在重新形成。我國目前正在大力推行“中國制造2025”戰(zhàn)略，其目標(biāo)是加快我國制造業(yè)智能化自動(dòng)化的發(fā)展步伐，把我國建設(shè)成為帶領(lǐng)世界制造業(yè)發(fā)展趨勢的制造強(qiáng)國，為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢奠定不可動(dòng)搖的根基。中國工業(yè)機(jī)器人市場是全球工業(yè)機(jī)器人增長最快的市場，目前我國的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也正處于升級轉(zhuǎn)型的時(shí)期，以汽車為主的重點(diǎn)機(jī)械裝備制造行業(yè)對工業(yè)機(jī)器人的需求越來越大并保持高速增長的勢頭。我國的工業(yè)機(jī)器人也肯定會(huì)突破創(chuàng)新僵局，向智能化，數(shù)字化，模塊化和具有大量自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的方向發(fā)展。

作者簡介

程蘇全，鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院在讀研究生。

徐博凡，鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院在讀研究生。