工業(yè)機器人技術(shù)及其典型應(yīng)用分析

牟富君

(江蘇巨能機械有限公司，江蘇 宜興 214261)

工業(yè)機器人技術(shù)及其典型應(yīng)用分析

牟富君

(江蘇巨能機械有限公司，江蘇 宜興 214261)

工業(yè)機器人具有工作效率高、可靠性好、重復(fù)精度高、適于高危作業(yè)等優(yōu)勢，在傳統(tǒng)制造業(yè)、特別是勞動密集型產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級中將發(fā)揮重要作用?；诠I(yè)機器人的基本概念和技術(shù)參數(shù)，對工業(yè)機器人的組成進行詳細介紹，并對工業(yè)機器人的應(yīng)用和發(fā)展趨勢作了闡述。到2016年我國已成為全球最大的機器人市場，“機器換人”已是大勢所趨，我國須在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和智能化發(fā)展上狠下功夫。

工業(yè)機器人；組成；應(yīng)用；發(fā)展分析

機器人自20世紀(jì)60年代問世以來，經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，成為航天航空、深海探密、工業(yè)制造以及自動化生產(chǎn)的主要機電一體化設(shè)備。隨著社會的發(fā)展，人們越來越希望用機器人替代人類完成經(jīng)濟性、高污染性、高危險性和需要質(zhì)量控制的工作，并直接推動產(chǎn)業(yè)升級。機器人根據(jù)其應(yīng)用特點，大致可以分為服務(wù)機器人和工業(yè)機器人，工業(yè)機器人包括焊接機器人、搬運機器人、裝配機器人、處理機器人和噴涂機器人等。服務(wù)機器人包括個人/家用機器人和專業(yè)服務(wù)機器人等。

工業(yè)機器人[1-2]是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器裝置，它能自動執(zhí)行工作，是靠自身動力和控制能力實現(xiàn)各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運行?，F(xiàn)代的工業(yè)機器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。從工業(yè)機器人的用途而言，其主要完成的是通過計算機來控制機器人的自主自動化控制系統(tǒng)。美國機器人協(xié)會[3]將其定義為：“用來進行搬運機械部件或工件的、可編程序的多功能操作器，或通過改變程序可以完成各種工作的特殊機械裝置”。1987年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織[4]對工業(yè)機器人下了定義：“工業(yè)機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機器”。兩個定義基本一致。

目前，從工業(yè)機器人品牌看，歐美日三分天下，四大巨頭瑞士ABB和德國庫卡各占其一，日系發(fā)那科和日本安川電機占據(jù)其二，它們的工業(yè)機器人本體銷量占據(jù)了全球市場的半壁江山。另外，日本的三菱、川崎、那智不二越、愛普生，美國 Adept、意大利柯馬、韓國的現(xiàn)代和中國新松機器人自動化股份有限公司等都有一定的品牌知名度和市場占有率。

1 工業(yè)機器人的組成

一般來說，工業(yè)機器人由三大部分6個子系統(tǒng)組成。三大部分是機械部分、傳感部分和控制部分。6個子系統(tǒng)可分為機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)[3]。具體而言，機械部分是機器人所需要的操作機械，例如機械手腕、機械臂部、行走設(shè)備等，這是構(gòu)成機器人運行的主體。大多數(shù)工業(yè)機器人有3～6個運動自由度，其中腕部通常有1～3個運動自由度。傳感部分主要功能是將計算機控制命令轉(zhuǎn)化成為機械語言，進而實現(xiàn)該命令?？刂撇糠质前凑蛰斎肓鞒蹋瑢︱?qū)動程序、執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令信息，并對其進行信息控制。圖1是工業(yè)機器人組成的框圖。

圖1 工業(yè)機器人的組成

1.1 機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

從機械結(jié)構(gòu)來看，工業(yè)機器人總體上分為串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人。串聯(lián)機器人的特點是一個軸的運動會改變另一個軸的坐標(biāo)原點，而并聯(lián)機器人一個軸運動則不會改變另一個軸的坐標(biāo)原點。早期的工業(yè)機器人都是采用串聯(lián)機構(gòu)。并聯(lián)機構(gòu)定義為動平臺和定平臺通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，機構(gòu)具有兩個或兩個以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動的一種閉環(huán)機構(gòu)。并聯(lián)機構(gòu)有兩個構(gòu)成部分，分別是手腕和手臂。手臂活動區(qū)域?qū)顒涌臻g有很大的影響，而手腕是工具和主體的連接部分。與串聯(lián)機器人相比較，并聯(lián)機器人具有剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、承載能力大、微動精度高、運動負荷小的優(yōu)點。在位置求解上，串聯(lián)機器人的正解容易，但反解十分困難；而并聯(lián)機器人則相反，其正解困難，反解卻非常容易。

1.2 驅(qū)動系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)是向機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)提供動力的裝置。根據(jù)動力源不同，驅(qū)動系統(tǒng)的傳動方式分為液壓式、氣壓式、電氣式和機械式4種。早期的工業(yè)機器人采用液壓驅(qū)動。由于液壓系統(tǒng)存在泄露、噪聲和低速不穩(wěn)定等問題，并且功率單元笨重和昂貴，目前只有大型重載機器人、并聯(lián)加工機器人和一些特殊應(yīng)用場合使用液壓驅(qū)動的工業(yè)機器人。氣壓驅(qū)動具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、價格低等優(yōu)點。但是氣壓裝置的工作壓強低，不易精確定位，一般僅用于工業(yè)機器人末端執(zhí)行器的驅(qū)動。氣動手抓、旋轉(zhuǎn)氣缸和氣動吸盤作為末端執(zhí)行器可用于中、小負荷的工件抓取和裝配。電力驅(qū)動是目前使用最多的一種驅(qū)動方式，其特點是電源取用方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力大，信號檢測、傳遞、處理方便，并可以采用多種靈活的控制方式，驅(qū)動電機一般采用步進電機或伺服電機，目前也有采用直接驅(qū)動電機，但是造價較高，控制也較為復(fù)雜，和電機相配的減速器一般采用諧波減速器、擺線針輪減速器或者行星齒輪減速器。由于并聯(lián)機器人中有大量的直線驅(qū)動需求，直線電機在并聯(lián)機器人領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。

1.3 感知系統(tǒng)

機器人感知系統(tǒng)把機器人各種內(nèi)部狀態(tài)信息和環(huán)境信息從信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C器人自身或者機器人之間能夠理解和應(yīng)用的數(shù)據(jù)和信息，除了需要感知與自身工作狀態(tài)相關(guān)的機械量，如位移、速度和力等，視覺感知技術(shù)是工業(yè)機器人感知的一個重要方面。視覺伺服系統(tǒng)將視覺信息作為反饋信號，用于控制調(diào)整機器人的位置和姿態(tài)。機器視覺系統(tǒng)還在質(zhì)量檢測、識別工件、食品分揀、包裝的各個方面得到了廣泛應(yīng)用。感知系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成，智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應(yīng)性和智能化水平。人類的感受系統(tǒng)對感知外部世界信息是極其巧妙的，然而對于一些特殊的信息，傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。

1.4 機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)

機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)[5]是實現(xiàn)機器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。機器人與外部設(shè)備集成為一個功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。當(dāng)然也可以是多臺機器人集成為一個去執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。

1.5 人機交互系統(tǒng)

人機交互系統(tǒng)是人與機器人進行聯(lián)系和參與機器人控制的裝置。例如：計算機的標(biāo)準(zhǔn)終端、指令控制臺、信息顯示板、危險信號報警器等。

1.6 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機器人的作業(yè)指令以及從傳感器反饋回來的信號，支配機器人的執(zhí)行機構(gòu)去完成規(guī)定的運動和功能。如果機器人不具備信息反饋特征，則為開環(huán)控制系統(tǒng)；具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制原理可分為程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運動的形式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制。

2 工業(yè)機器人的應(yīng)用

目前工業(yè)機器人在國內(nèi)的應(yīng)用，以汽車制造業(yè)(約40%)以及電子工業(yè)(約20%)應(yīng)用居多，此外還有在橡膠塑料、軍工、航空制造、醫(yī)療設(shè)備、冶金、食品等領(lǐng)域應(yīng)用。

2.1 搬運機器人

搬運機器人[6]是工業(yè)機器人的一種類型，它由計算機控制，具有移動、自動導(dǎo)航、多傳感器控制、網(wǎng)絡(luò)交互等功能，得益于機器人速度、精度、穩(wěn)定性等方面性能的提高，它廣泛應(yīng)用于機械、電子、紡織、卷煙、醫(yī)療、食品、造紙等行業(yè)的柔性搬運、傳輸?shù)裙δ堋Ｄ壳?，搬運機器人可以搬運的東西越來越多，負載也越來越大。除了柔性搬運和傳輸?shù)墓δ芡?，搬運機器人也用于自動化立體倉庫、柔性加工系統(tǒng)、柔性裝配系統(tǒng)；同時可在車站、機場、郵局的物品分揀中作為運輸工具。

六關(guān)節(jié)機器人定位精度高、動作靈活，廣泛應(yīng)用于機床的上下料，生產(chǎn)線的上下料和機器人間的對接；并聯(lián)機器人負載能力較低，但速度極高，因此經(jīng)常用于生產(chǎn)線上小件零件的上下料和堆放，可以大大提高生產(chǎn)速度。ABB公司的 IRB7600六軸機器人，最大承重能力高達650 kg，適用于各行業(yè)的重載場合；IRB660機器人采用了四軸設(shè)計，具有 3.15 m 到達距離和250 kg 有效載荷，適合用于袋、盒、板條箱、瓶等包裝形式的物料堆垛。

2.2 焊接機器人

焊接機器人通過在通用的工業(yè)機器人裝上某種焊接工具而構(gòu)成，也有少數(shù)是為某種焊接方式專門設(shè)計，從而在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域代替焊工從事焊接任務(wù)，圖2是一般的焊接機器人的結(jié)構(gòu)組成[7]。由于機器人的運動較人工更加平穩(wěn)，因此焊接機器人的焊接質(zhì)量也較穩(wěn)定。新型焊接機器人都滿足可在0.3 s內(nèi)完成50 mm位移的最低功能要求，可在短時間內(nèi)快速移位，非常適合運用于點焊，極大地提高焊接速度，提高生產(chǎn)效率。

點焊機器人主要用于汽車整車的焊接工作，生產(chǎn)過程由各大汽車主機廠負責(zé)完成。除此之外，焊接機器人還用于工程機械、金屬結(jié)構(gòu)和軍工等行業(yè)。隨著世界制造業(yè)的迅速發(fā)展，焊接技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛，焊接智能化技術(shù)水平也越來越高。核心技術(shù)的作用得以顯現(xiàn)，數(shù)控和電源方面有所發(fā)展，激光焊接技術(shù)成為一大亮點，焊接機器人應(yīng)用更加普及化成為國內(nèi)外焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢以及焊接生產(chǎn)發(fā)展的新需求和新動向，實現(xiàn)焊接產(chǎn)品的自動化、柔性化與智能化已成為發(fā)展的必然趨勢。

注：1.機器人本體；2.控制柜；3.變壓器；4.焊接電源；5.流量計；6.焊絲盤；7.焊槍；8.送絲裝置。

圖2 焊接機器人結(jié)構(gòu)組成

2.3 激光加工機器人

激光加工機器人是將機器人技術(shù)應(yīng)用于激光加工中，通過高精度工業(yè)機器人實現(xiàn)更加柔性的激光加工作業(yè)[8]。本系統(tǒng)通過示教盒進行在線操作，也可通過離線方式進行編程。該系統(tǒng)通過對加工工件的自動檢測，產(chǎn)生加工工件的模型，繼而生成加工曲線，也可以利用CAD數(shù)據(jù)直接加工?？捎糜诠ぜ募す獗砻嫣幚怼⒋蚩?、焊接和模具修復(fù)等。

2.4 噴涂機器人

噴涂機器人同樣被大量地應(yīng)用在汽車、家具、電器以及搪瓷等行業(yè)。工業(yè)化社會的發(fā)展要求產(chǎn)品生產(chǎn)車間高強度、高效率地完成噴涂工藝，由于此工藝易對人體健康造成損害，噴涂機器人應(yīng)運而生。關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人加上密封設(shè)計，加上其自由度大、速度快、工作空間運行靈活的特點，尤為適合有復(fù)雜運行軌跡的運行操作。

2.5 裝配機器人

裝配機器人是柔性自動化裝配系統(tǒng)的核心設(shè)備，具有精度高、柔順性好、工作范圍小、能與其他系統(tǒng)配套使用等特點，主要用于各種電器及手機制造等行業(yè)。

3 我國工業(yè)機器人的現(xiàn)狀與發(fā)展

世界工業(yè)機器人40年形成了約160萬臺/套的裝機量，2012年世界新裝機器人182 000臺，主機市場80～100億美元，并帶動3倍左右軟件集成、配套設(shè)備、系統(tǒng)工程等系統(tǒng)集成市場，總計260～330億美元，其中焊接和搬運機器人占了70%的市場份額。2014年我國市場共銷售57 000臺工業(yè)機器人，占全球銷售量的1/4，同比增幅達55%，已連續(xù)兩年成為全球第一大工業(yè)機器人市場。

多重因素促使我國工業(yè)機器人市場快速增長，第一是低端勞動力供給不足，越來越少的人愿意從事工資低、單調(diào)重復(fù)以及環(huán)境差的工作；第二是工業(yè)機器人替代人工的經(jīng)濟性不斷提升，一方面勞動力成本不斷攀升，另一方面機器人銷售價格不斷下降；第三是產(chǎn)業(yè)升級，經(jīng)濟轉(zhuǎn)型促使高附加值的新興產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速擴大，對企業(yè)的自動化及智能化要求提高，導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)效率和市場競爭力大幅提升。

我國工業(yè)機器人技術(shù)的研究起步于20世紀(jì)80年代，當(dāng)前我國工業(yè)機器人低端產(chǎn)品過熱，高端產(chǎn)品嚴(yán)重不足，大部分工業(yè)機器人企業(yè)沒有自己的核心技術(shù)，目前與國外產(chǎn)品在技術(shù)方面的差距仍然很大。雖然我國政府對工業(yè)機器人的各項扶持政策力度加大，但是在材料、制造裝備及工藝方面與國外相比差距明顯，并且還不能生產(chǎn)高精密、高速與高效的關(guān)鍵部件[9]。

現(xiàn)代機器人最大的特點就是配備很多傳感器，這時的機器人可以通過接收外界信息對外界進行反饋，具有一定的智能性，具有自我調(diào)節(jié)的能力。除了視覺感知之外，逐漸給予聽覺和觸覺等其他方面的感知，以提高機器人的智能程度。現(xiàn)在的工業(yè)機器人雖然可以有一定的感知能力，并能夠進行調(diào)節(jié)適應(yīng)，但并不具備獨立判斷、推理和決策的能力，賦予機器人智能思維，實現(xiàn)真正意義上的自動化、智能化生產(chǎn)，這將會是機器人未來發(fā)展的趨勢。

4 結(jié)束語

自從工業(yè)機器人誕生以來，其在各領(lǐng)域的應(yīng)用研究就從未中斷過。我國工業(yè)機器人的核心技術(shù)被壟斷，成本、國內(nèi)外競爭、品牌等原因造成我國國內(nèi)機器人產(chǎn)業(yè)生存困難。數(shù)據(jù)顯示，我國到2016年已成為全球最大的機器人市場，“機器換人”已是大勢所趨。但是，我國在工業(yè)機器人的研發(fā)方面，還有很長的路要走，想要搶占工業(yè)機器人市場，必須做好長遠的戰(zhàn)略部署，開發(fā)一系列有市場前景，且具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機器人及自動化成套設(shè)備，提升核心競爭能力，在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和智能化發(fā)展上狠下功夫。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)機器人的廣泛應(yīng)用，裝備制造業(yè)將會出現(xiàn)深刻的歷史變革。

[1] 郁晗. 工業(yè)機器人的應(yīng)用和發(fā)展趨勢[J]. 電子世界, 2014(10):370-371.

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[9] 劉啟印, 柏赫. 常用機器人分類及關(guān)鍵技術(shù)[J]. 中國科技博覽, 2012(14):213.

Industrial robots technology and its typical application

MU Fujun

(Jiangsu Juneng Machinery Co., Ltd., Yixing 214261, Jiangsu, China)

Industrial robots play an important role in traditional manufacturing, particularly in transformation and upgrading of labor-intensive industries for its high efficiency, good reliability, high repeatability, being suitable for high-risk operations, and other advantages. Based on the basic concepts and technical parameters of industrial robots, the composition of industrial robot was introduced in detail, what’s more, the application and development trend of industrial robots were elaborated. China had become the world’s largest robot market in 2016, and “Machine Substitution” was the general trend, so China must make great efforts in the development of key technologies and intelligent development.

industrial robot; composition; application; development analysis

2017-01-16；

2017-02-13

牟富君(1963)，男，工程師，主要從事糧油機械研發(fā)和管理工作(E-mail)mfj@ju-neng.cn。

TS203;TP23

B

1003-7969(2017)04-0157-04