機器人在工業(yè)中的應用與發(fā)展

程正富+田永酉+伏春平

摘 要： 工業(yè)機器人具有穩(wěn)定可靠、工作效率高等優(yōu)勢，在我國的工業(yè)轉型升級中將發(fā)揮重要作用。本文通過介紹工業(yè)機器人的發(fā)展，應用以及工業(yè)機器人的基本種類；最后提出了適合我國工業(yè)機器人的重要戰(zhàn)略是工業(yè)機器人的規(guī)?；瘧檬乔疤?，主機成本是核心，關鍵是核心零部件。同時，我國工業(yè)機器人正面臨良好的時代發(fā)展機遇，必須抓住機遇，理性發(fā)展，促進我國工業(yè)機器人的快速發(fā)展。

關鍵詞： 機器人； 應用； 發(fā)展

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.028

0 引言

在現(xiàn)代制造業(yè)中機器人是不可取代的重要裝置與設備，是國家戰(zhàn)略性產業(yè)的主要發(fā)展方向，是一個國家核心競爭力和制造業(yè)水平的核心指標。在工業(yè)制造業(yè)中大量使用機器人，不僅可以克服惡劣環(huán)境對生產的影響，減少人工的使用，保障工人的安全；而且還能夠幫助企業(yè)節(jié)約生產成本，提高企業(yè)生產效率，也保證了產品的質量。為此，工業(yè)機器人的應用對促進中國工業(yè)轉型升級，提升工業(yè)整體水平和核心競爭力具有重大意義[1-2]。

1 工業(yè)機器人簡介

工業(yè)機器人是指工業(yè)生產中的多自由度的機器裝置，能自動執(zhí)行工作，按照自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。工業(yè)機器人可以按照預先編排的程序運行接受人類指揮；現(xiàn)代的工業(yè)機器人還可以根據人工智能技術制定的規(guī)則自由行動。工業(yè)機器人一般由控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、主體三個主要的部分組成?？刂葡到y(tǒng)，按照程序發(fā)出指令信號且執(zhí)行；驅動系統(tǒng)，由傳動機構和動力裝置組成，執(zhí)行動作；主體，指執(zhí)行機構和機座兩部分，其中含臂部，腕部和手部，一些機器人還有行走功能。而從機械結構方面講，工業(yè)機器人分為兩大類：串聯(lián)機器人與并聯(lián)機器人。串聯(lián)機器人工作的原理是一個軸的運動會導致另一個軸的坐標原點的改變，并聯(lián)機器人的一個軸運動則不會改變另一個軸的坐標原點；就象生活中的串聯(lián)電路和并聯(lián)電路是一個道理。在機器人的開發(fā)運用過程中，最早的機器人采用的是串聯(lián)機構；而并聯(lián)機構則具有兩個及以上的自由度，且并聯(lián)方式驅動的一種閉環(huán)機構，早在二十世紀七十年代，Hunt就提出了6個自由度并聯(lián)機構的機器人操作器，為并聯(lián)機器人的研究奠定了基礎。隨著并聯(lián)機器人的研究的深入，其具有的結構穩(wěn)定、剛度大、承載能力大、運動負荷小、微動精度高的優(yōu)點日益凸顯；同時在位置求解上，我們知道串聯(lián)機器人的正解容易，而反解就有很大的問題； 單并聯(lián)機器人在反解方面就非常容易[3-4]。

2 機器人在工業(yè)中的應用

機器人在工業(yè)的運用中，因某些工種的環(huán)境比較惡劣，危險系數比較高，而且技術水平差，另外一些工種的工作內容繁重、單調、重復、時間長；以上都是工人不喜歡、不愿意從事的工作。所以用機器人代替工人來從事這些工作，在一些惡劣環(huán)境中既能夠使辛苦工作的勞動者得到解脫，也保護工人的安全；與工人的勞動力相比，機器人有很多優(yōu)勢，不僅能適應有毒、惡劣的環(huán)境，同時機器人沒有沒有疲憊感、懈怠情緒，即使長時間的工作，機器人的工作效率和操作的準確度要高于工人，再加上機器人不受外界環(huán)境的影響，高危工作都能勝任。所以，機器人在工業(yè)中很受歡迎，尤其是企業(yè)老板，更喜歡這些不休假、不怕受傷、不停工作的“機械工人”。雖然機器人的應用提高了工業(yè)的生產效率，但也凸顯出一個嚴重的社會問題就是機器人的應用，一些依靠大量工人進行生產的行業(yè)大量裁員，如何解決這些剩余勞動力成為了社會問題。為此，要辯證地看待機器人在工業(yè)中的應用。

隨著科學技術的不斷進步，機器人的應用范圍也不斷擴大。現(xiàn)在機器人不僅應用于如采礦、冶金、石油等傳統(tǒng)工業(yè)中，也應用到了船舶、電力、航天、醫(yī)藥、生化、航空等現(xiàn)代化工業(yè)中，例如先進的拋光機器人、擦玻璃機器人、打毛刺機器人、高壓線作業(yè)機器人、水下機器人等。同時，工業(yè)機器人已廣泛應用于現(xiàn)代的汽車工業(yè)中，例如點焊、弧焊、熱處理、噴漆、裝配、上下料、搬運、檢測等。 在物流等領域， 工業(yè)機器人正逐步代替人工從事繁重枯燥的包裝、搬運、碼垛作業(yè)。

3 工業(yè)機器人的種類

在工業(yè)生產中，移動機器人的應用廣泛， 覆蓋面廣。 下面主要介紹移動機器人中的輪式/履帶式、腿足式和仿人形機器人， 以及水下機器人和飛行機器人的一些研究進展。 輪式/履帶式移動機器人主要有智能輪椅以及大型智能車輛等。定位，一般利用航跡推算、路標識別、計算機視覺、SLAM、無線定位等技術進行定位功能；運動規(guī)劃與自主控制，基于地圖導航完成機器人運動控制和運動路徑的規(guī)劃；服務作業(yè)，結合語音、圖像識別， 實現(xiàn)人機友好交互， 提供服務。 為工業(yè)服務的，具有單臂或多臂的移動機器人研究得到重視。當下，中國科學院沈陽自動化研究所、哈爾濱工業(yè)大學、北京航空航天大學等單位開發(fā)了多種輪式/履帶式移動機器人， 如可變形機器人、復合結構機器人等， 開展了環(huán)境建模、避障路徑規(guī)劃、識別語音命令、人機對話、路標識別定位、作業(yè)臂抓取、多機協(xié)作等方法研究。腿足式移動機器人是模仿動物、昆蟲等的運動方式和腿足結構設計的機器人， 研究包括系統(tǒng)設計、步態(tài)設計、穩(wěn)定性設計等方面的內容。二十世紀八十年代，卡內基梅隆大學研制出簡單腿結構的液壓驅動四足機器人。 由于液壓系統(tǒng)在尺寸、重量、性能、控制和便攜動力源等方面存在較大困難。 隨后， 四足機器人、仿昆蟲多足機器人等多采用電機驅動方式。 但也存在負重比較低、抗沖擊能力弱、動態(tài)響應性能差等問題。近來，波士頓動力公司開發(fā)的BigDog，新型液壓驅動四足仿生機器人， BigDog可負載300斤， 行走 20km，環(huán)境適應性好、負載能力高、續(xù)航能力強、行走速度快。在國內，國內研制的腿足式移動機器人， 多以電機為主要驅動方式， 如中國科學院沈陽自動化研究所、華中科技大學、清華大學、哈爾濱工業(yè)大學等。 山東大學研制四足機器人， 實現(xiàn)了 Trot 動步態(tài)行走。 仿人機器人研究主要目標在于機器人設計、步態(tài)生成、動態(tài)穩(wěn)定控制等方面。 步態(tài)生成有在線生成和離線生成兩種方法。 離線生成方法可完成如行走、產品加工等動作，但缺點是無法適應環(huán)境變化； 在線規(guī)劃則實時調整步態(tài)規(guī)劃、確定各關節(jié)的期望角。日本的本田公司研制的ASIMO仿人機器人，行走速度可達1。67m/s， 可實現(xiàn)復雜動作的完成等。此外，國內在仿人機器人方面也開展了大量工作，例如 國防科學技術大學研制開發(fā)了雙足機器人KDW。 北京理工大學研制的BRH等， 實現(xiàn)了刀術表演、太極拳表演、騰空行走等復雜動作。

4 工業(yè)機器人的發(fā)展

工業(yè)機器人產業(yè)屬于智能高端產業(yè)，在我國需要不斷的培育；包括培育零部件配套商、整機制造商、系統(tǒng)集成商等；其中關鍵零部件、應用工藝、應用成本都是制約規(guī)模應用的主要問題，將產業(yè)鏈發(fā)展，產學研，資本投資緊密結合。首先，工業(yè)機器人的規(guī)?；瘧檬乔疤?。工業(yè)機器人只有結合具體的應用工藝、應用對象、應用環(huán)境，它的智能化才能發(fā)揮作用；第二， 工業(yè)機器人的主機成本是核心。我國的工業(yè)機器人，要求成本價格合理，其中包含的投入大、產業(yè)鏈長等問題，需要長期發(fā)展才能在國內國外行業(yè)內形成客戶信賴的品牌。再經過打通產業(yè)鏈中的上下游，降低機器人成本將加速工業(yè)機器人新時代的到來，這是支撐工業(yè)機器人發(fā)展的必由之路。第三，工業(yè)機器人的關鍵是核心零部件。核心零部件為伺服電動機、控制器、驅動器、高精度減速器，這些零部件對機器人的整體性能指標起著決定作用。

總之，我國工業(yè)機器人正面臨良好的時代發(fā)展機遇，正在逐步走向產業(yè)化；原始創(chuàng)新與技術創(chuàng)新，依然是機器人突破性的發(fā)展關鍵要素，抓住機遇，理性發(fā)展，促進我國工業(yè)機器人的快速發(fā)展。

參考文獻：

[1]北京中智正業(yè)研究院115報告中心.2011-2015 年中國工業(yè)機器人行業(yè)產銷需求預測與轉型升級分析報告[R].北京，2011.

[2]趙剛，程建潤，林源園.新興產業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略問題[J].科技創(chuàng)新與生產力，2010（08）：1-4.

[3]機器人技術與應用編輯部.我國工業(yè)機器人現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 機器人技術與應用，2013，1（01）：3-5.

[4]顧震宇.全球工業(yè)機器人產業(yè)現(xiàn)狀與趨勢[J].機電一體化，2006（02）：6-10.

基金項目： 永川區(qū)科技計劃項目（永川工業(yè)機器人應用研發(fā)及創(chuàng)新應用示范，項目編號：Ycstc，2013ac3001）