工業(yè)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及展望

周傳彪，周曉蓮

（達(dá)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川達(dá)州635001）

0 引言

國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（International Federation of Robotics，IFR）將機(jī)器人定義為一種半自主或全自主工作的機(jī)器，可以做對(duì)人類(lèi)有益的工作。適用在生產(chǎn)過(guò)程的稱(chēng)之為工業(yè)機(jī)器人，適用在特殊環(huán)境的叫作專(zhuān)用機(jī)器人或特種機(jī)器人，適用在家庭或者直接服務(wù)人的稱(chēng)之服務(wù)（家政）機(jī)器人。這種定義的廣義含義是機(jī)器人自動(dòng)化機(jī)器，但不能理解為像人一樣的機(jī)器[1]。而國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）對(duì)機(jī)器人的定義為：機(jī)器人是一個(gè)自動(dòng)、位置可控、可編程的多功能機(jī)械手，它具有幾個(gè)軸，可以通過(guò)編程操作來(lái)處理各種材料、零件、工具和專(zhuān)用設(shè)備，執(zhí)行各種任務(wù)。根據(jù)ISO給出的定義，工業(yè)機(jī)器人是工業(yè)中廣泛使用的多關(guān)節(jié)機(jī)器人或多自由度機(jī)器人，一臺(tái)可以自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器，通過(guò)自身的動(dòng)力和控制功能來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器的各種功能[2]。

隨著制造業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的擴(kuò)展，工業(yè)機(jī)器人亟需滿(mǎn)足高精度、高速度、重載荷、智能化等要求[3]，同時(shí)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用從封閉的工作環(huán)境，單一的工作站延伸到機(jī)器人與人、機(jī)器人與機(jī)器人緊密協(xié)作的共同開(kāi)放式工作環(huán)境，安全性問(wèn)題和人機(jī)協(xié)作問(wèn)題成為工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用研究的新熱點(diǎn)。本文通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)簡(jiǎn)述了工業(yè)機(jī)器人發(fā)展急需解決的一些關(guān)鍵部件和技術(shù)，并展望了未來(lái)機(jī)器人的特點(diǎn)，期望為工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展提供些參考作用。

1 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展史

現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展始于20世紀(jì)中葉，依靠計(jì)算機(jī)，自動(dòng)化和核工業(yè)的快速發(fā)展。為了滿(mǎn)足大規(guī)模生產(chǎn)的迫切需求，并隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，諸如原子能等核輻射環(huán)境中，迫切需要特殊機(jī)器人來(lái)取代人類(lèi)操作和處理放射性物質(zhì)[4]。基于這種需求，1947年美國(guó)阿貢研究所開(kāi)發(fā)了一種操作機(jī)械手，并于1948年開(kāi)發(fā)出一種機(jī)械手，1954年，美國(guó)的Deval給出工業(yè)機(jī)器人的定義并獲得專(zhuān)利[5]。工業(yè)機(jī)器人的早期實(shí)用機(jī)型當(dāng)屬1962年美國(guó)的AMF公司開(kāi)發(fā)的“UNIMATE”，其外形類(lèi)似人的手臂，但控制方法與數(shù)控機(jī)床相似。1968年，麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)了一種能夠識(shí)別和定位簡(jiǎn)單構(gòu)建塊的帶有視覺(jué)傳感器的機(jī)器人系統(tǒng)。1967年日本機(jī)器人研究協(xié)會(huì)成立，并召開(kāi)了第一次機(jī)器人大會(huì)。1970年第一屆工業(yè)機(jī)器人國(guó)際會(huì)議在美國(guó)召開(kāi)[6]，從那時(shí)起，工業(yè)機(jī)器人的研究得到快速深度發(fā)展。

2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況

2.1 國(guó)外發(fā)展概況

全世界范圍來(lái)看，就市場(chǎng)規(guī)模而言，工業(yè)機(jī)器人約有四成在日本，就機(jī)器人技術(shù)而言，目前世界上最尖端的技術(shù)也在日本，可以說(shuō)日本當(dāng)之無(wú)愧是“機(jī)器人大國(guó)”。特別是近幾年日本重新審視機(jī)器人產(chǎn)業(yè)政策，使其成為“世界技術(shù)創(chuàng)新中心”的支柱地位[7]。

美國(guó)是機(jī)器人的發(fā)源地，已躋身世界機(jī)器人強(qiáng)國(guó)之列。目前美國(guó)工業(yè)機(jī)器人供應(yīng)商主要有Adept Technology、American robot、Emerson Industrial Automation 等公司。

德國(guó)也在大力推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展，同時(shí)極大地開(kāi)拓機(jī)器人應(yīng)用市場(chǎng)。目前德國(guó)工業(yè)機(jī)器人主要供應(yīng)商有 KUKA，CLOOS 等[8]。

法國(guó)一直較為注重工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，法國(guó)政府特別注重開(kāi)展機(jī)器人的應(yīng)用研究，再加上工業(yè)界注重應(yīng)用開(kāi)發(fā)，使得法國(guó)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域擁有一定的地位。

英國(guó)從上世紀(jì)70年代末才開(kāi)始推行支持機(jī)器人發(fā)展的政策，所以相對(duì)于其他歐美國(guó)家，起步較晚，再加上英國(guó)政府在推行時(shí)實(shí)施了些限制條件，因此英國(guó)的工業(yè)機(jī)器人工業(yè)地位在西歐很低。

此外，意大利、瑞士、西班牙、韓國(guó)、丹麥等國(guó)家因自身國(guó)內(nèi)工業(yè)發(fā)展的需要，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展也比較迅速。

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況

20世紀(jì)70年代初中國(guó)開(kāi)始著手工業(yè)機(jī)器人的研究。在起初的十年里，研究單位基本自主研發(fā)，速度緩慢。1985年以后，工業(yè)機(jī)器人開(kāi)始被納入相關(guān)國(guó)家計(jì)劃，發(fā)展速度相對(duì)較快。尤其是中國(guó)政府在2015年推出“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略，中國(guó)的機(jī)器人技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。

近年來(lái)，中國(guó)日益完善的工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線，為用戶(hù)帶來(lái)了顯著的效益。機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)備市場(chǎng)快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)裝備制造業(yè)正處于從傳統(tǒng)裝備向先進(jìn)制造裝備過(guò)渡的時(shí)期。這為機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線研究開(kāi)發(fā)企業(yè)帶來(lái)了巨大的商機(jī)。目前，上海、沈陽(yáng)、北京、昆山、唐山、成都、徐州等工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)基地已基本建立，研發(fā)了一大批具有市場(chǎng)前景和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機(jī)器人及其自動(dòng)化生產(chǎn)線產(chǎn)品。

進(jìn)入“十三五”以來(lái)，廣州數(shù)控、沈陽(yáng)新松、蘇州匯博、東莞起帆、上海沃迪、安徽埃夫特等本土工業(yè)機(jī)器人開(kāi)始涌現(xiàn)，并形成初步產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，一些弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)在多家企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)中獲得規(guī)模應(yīng)用，但在整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用比例較小，部分企業(yè)的工業(yè)機(jī)器人重點(diǎn)銷(xiāo)往教育領(lǐng)域。

3 應(yīng)用情況

在中國(guó)，工業(yè)機(jī)器人一半以上應(yīng)用于汽車(chē)制造業(yè)，少部分用于電子工業(yè)、金屬、化工、塑膠和食品。隨著技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也在快速擴(kuò)張。

目前工業(yè)機(jī)器人成品最多的是平面關(guān)節(jié)型四軸機(jī)器人，其次是串聯(lián)關(guān)節(jié)型六軸機(jī)器人，按照機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)不同，可以將其劃分為以下幾個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域：

（1）焊、弧焊機(jī)器人。主要應(yīng)用于汽車(chē)制造中和建筑行業(yè)等領(lǐng)域的弧焊、點(diǎn)焊機(jī)器人，也是目前應(yīng)用最為廣泛的工業(yè)機(jī)器人之一。其可以降低工人的勞動(dòng)力強(qiáng)度，穩(wěn)定提高焊件的焊接質(zhì)量，提高企業(yè)的生產(chǎn)率等優(yōu)點(diǎn)。

（2）噴涂機(jī)器人。噴涂機(jī)器人是1969年由挪威Trallfa公司發(fā)明，主要應(yīng)用于汽車(chē)、儀表、家電、建材等領(lǐng)域，具有工作空間大，柔性化程度高，提高了噴涂質(zhì)量和材料利用率，改善工人了工作環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。

（3）搬運(yùn)機(jī)器人。搬運(yùn)機(jī)器人最早是1960年由美國(guó)設(shè)計(jì)，主要應(yīng)用于機(jī)床上下料、自動(dòng)裝配線、集成箱搬運(yùn)、碼垛搬運(yùn)等場(chǎng)合。隨著大量投入使用，可以提高生產(chǎn)率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工人工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化、無(wú)人化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

（4）裝配機(jī)器人。裝配機(jī)器人主要有PUMA機(jī)器人和SCARA機(jī)器人兩種，完成生產(chǎn)線上一些簡(jiǎn)單的零件裝配或拆卸，主要應(yīng)用于家電、汽車(chē)零部件、計(jì)算機(jī)、玩具、機(jī)電產(chǎn)品等領(lǐng)域。與其他機(jī)器人相比具有精度高、工作空間小、柔順性好等特點(diǎn)。

（5）其他機(jī)器人。用于一些專(zhuān)用場(chǎng)合的機(jī)器人，如手機(jī)生產(chǎn)領(lǐng)域的激光塑料焊機(jī)機(jī)器人、高速四軸碼垛機(jī)器人，打磨拋光機(jī)器人等，以及在化工行業(yè)的潔凈機(jī)器人等。

4 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的核心技術(shù)和關(guān)鍵部件

目前，中國(guó)的科研人員已掌握了工業(yè)機(jī)器人的基本技術(shù)，但是創(chuàng)新能力較弱，核心技術(shù)和關(guān)鍵部鍵研發(fā)存在很大的不足，如高精度的減速器需要進(jìn)口，這影響了中國(guó)工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)總體發(fā)展。建議引用他人核心技術(shù)，研發(fā)自己的模塊化、可重構(gòu)工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，高速通信總線的高性能實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)開(kāi)放化、統(tǒng)一化，三維虛擬仿真和工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線集成化和一體化，復(fù)雜環(huán)境中的人機(jī)交互簡(jiǎn)單化協(xié)同化，多傳感器融合技術(shù)的智能化等為技術(shù)目標(biāo)，注重應(yīng)用發(fā)展關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)。

4.1 工業(yè)機(jī)器人靈巧操作技術(shù)

工業(yè)機(jī)器人手臂在生產(chǎn)中模仿人手的靈巧性。通過(guò)核心技術(shù)研發(fā)，可以巧妙地完成許多復(fù)雜的作業(yè)。在工業(yè)機(jī)器人新機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和高效驅(qū)動(dòng)器方面，通過(guò)改良機(jī)械裝置和執(zhí)行器以提高工業(yè)機(jī)器人的精度、速度和其他性能[9]。此外，在人機(jī)交互環(huán)境中，工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須考慮工業(yè)機(jī)器人的安全性。新型機(jī)構(gòu)需要高強(qiáng)度的環(huán)保型自重/負(fù)載比的執(zhí)行器，安全的人與機(jī)交互系統(tǒng)，機(jī)器人與自然環(huán)境間交互機(jī)構(gòu)等。

4.2 工業(yè)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)

在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中實(shí)現(xiàn)安全的自主導(dǎo)航，對(duì)于復(fù)雜工作環(huán)境中移動(dòng)機(jī)器人沒(méi)有固定導(dǎo)軌的情況下，需要工業(yè)機(jī)器人自主檢測(cè)周邊環(huán)境，自主避免障礙物，完成最優(yōu)路徑規(guī)劃。如裝配線上的搬運(yùn)機(jī)器人、建筑裝備的工業(yè)機(jī)器人、高效運(yùn)輸?shù)腁GV工業(yè)機(jī)器人等，需要深入研發(fā)技術(shù)攻關(guān)[10]。比較典型的應(yīng)用：無(wú)人駕駛汽車(chē)的自主導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)在有清晰照明和路標(biāo)的任何現(xiàn)代化城鎮(zhèn)道路上行駛，同時(shí)其安全性方面可以與有人駕駛車(chē)輛媲美[11]。

4.3 工業(yè)機(jī)器人多傳感器融合技術(shù)

未來(lái)的工業(yè)機(jī)器人將必須向智能化方向發(fā)展，這就需要提高工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的感知能力。通過(guò)感知機(jī)器人及周邊環(huán)境的信息，能夠快速檢測(cè)部件和產(chǎn)品組件的生產(chǎn)情況，并能通過(guò)非侵入式的生物傳感器來(lái)估測(cè)出操作工人的情緒和行為，來(lái)達(dá)到人機(jī)協(xié)同工作的目的，這些需要攻克高精度的非接觸覺(jué)、視覺(jué)等傳感器、生物傳感器和大數(shù)據(jù)信息處理方法，并能將多種傳感器集成化、智能化[12]。利用高精度傳感器構(gòu)建用于裝配和跟蹤進(jìn)度的物理模型，以減少生產(chǎn)過(guò)程中的不確定性。

對(duì)于工作流程復(fù)雜，工種較多的生產(chǎn)線需要的工業(yè)機(jī)器人具有一定的通用性，這就需要提高工業(yè)機(jī)器人的靈敏性和智能化程度，可在未知環(huán)境中工作，并且可與人協(xié)同工作，這就增加了工業(yè)機(jī)器人環(huán)境感知與自主導(dǎo)航的難度，如三維環(huán)境感知的自動(dòng)化。

4.4 工業(yè)機(jī)器人的人機(jī)交互技術(shù)

在未來(lái)工業(yè)機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)中，新型人機(jī)協(xié)作越來(lái)越被重視。這就不得不研究完整的侵入式圖形環(huán)境、全息環(huán)境建模，三維虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，以及具有多種物理效應(yīng)（如力，溫度和振動(dòng)）的人機(jī)交互設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與人以及機(jī)器人與環(huán)境之間協(xié)同工作，需要關(guān)鍵技術(shù)包括：機(jī)器人的內(nèi)在安全性、機(jī)器人與人、環(huán)境之間的絕對(duì)安全共存技術(shù)，目標(biāo)環(huán)境的自適應(yīng)技術(shù)，準(zhǔn)確選用執(zhí)行器來(lái)完成繁復(fù)的操作，人機(jī)高效協(xié)調(diào)問(wèn)題，準(zhǔn)確掌握生產(chǎn)者需求并積極協(xié)助等技術(shù)。

在任務(wù)環(huán)境中，必須強(qiáng)調(diào)人機(jī)交互的安全性。按照需求設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)、相關(guān)產(chǎn)品和任務(wù)，必須確保人機(jī)交互的自然性，同時(shí)是安全的、高效益的。人機(jī)交互操作設(shè)計(jì)包括機(jī)器語(yǔ)言、語(yǔ)音、手勢(shì)和姿態(tài)、機(jī)器視覺(jué)、接觸覺(jué)和非觸覺(jué)技術(shù)等，這是機(jī)器人發(fā)展必然考慮的技術(shù)。目前工業(yè)機(jī)器人處于示教再現(xiàn)階段，這依賴(lài)于工人操作的熟悉程度，所以工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展必須容易示教，最好是“傻瓜式示教”。

4.5 工業(yè)機(jī)器人的高速實(shí)時(shí)開(kāi)放式控制系統(tǒng)

在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和高速總線的工業(yè)機(jī)器人開(kāi)放式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)分散式控制方式，分布式軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到機(jī)器人系統(tǒng)不同功能之間實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，提高機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件體系的實(shí)時(shí)性。采用開(kāi)放式軟硬件結(jié)構(gòu)，合理的模塊化設(shè)計(jì)，利用網(wǎng)絡(luò)通信功能，開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)開(kāi)放、功能模塊化的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機(jī)器人使工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)與工廠自動(dòng)化設(shè)備快速集成[13]。

5 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

雖然工業(yè)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成熟，但伴隨人類(lèi)的需求增加和科技的進(jìn)步，人們對(duì)工業(yè)機(jī)器人的要求也會(huì)越來(lái)越高。預(yù)測(cè)未來(lái)工業(yè)機(jī)器人有如下特點(diǎn):

（1）未來(lái)工業(yè)機(jī)器人除了使用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等信息反饋外，還要結(jié)合力或力矩、視覺(jué)以及非侵入式的生物傳感器等信息，使用多傳感器融合技術(shù)讓其在工況復(fù)雜的工業(yè)作業(yè)環(huán)境中得到更好的應(yīng)用。

（2）隨著人類(lèi)需求的提高，需要增強(qiáng)工業(yè)機(jī)器人的通用性，開(kāi)發(fā)出與人類(lèi)雙臂類(lèi)似的冗余自由度機(jī)器人，增強(qiáng)工業(yè)機(jī)器人的靈活性來(lái)完成一系列相似人的動(dòng)作。

（3）隨著高性能、低成本總線技術(shù)的控制和驅(qū)動(dòng)模式的提升，進(jìn)而提高控制系統(tǒng)的開(kāi)放性和模塊化，形成一個(gè)統(tǒng)一的行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

（4）機(jī)器人和操作人員一起作業(yè)和多個(gè)機(jī)器人協(xié)調(diào)作業(yè)是我們面臨的一個(gè)問(wèn)題，未來(lái)工業(yè)機(jī)器人在智能化和群體協(xié)調(diào)作業(yè)能力方面有待提高，以滿(mǎn)足生產(chǎn)線流水作業(yè)的需求。

（5）使用3D環(huán)境感知系統(tǒng)建立模擬仿真環(huán)境，研發(fā)工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)編程或離線編程技術(shù)，增強(qiáng)機(jī)器人與人之間的交互能力同時(shí)便于人類(lèi)二次開(kāi)發(fā)能力，達(dá)到機(jī)器人與人的更好融合或許是未來(lái)工業(yè)機(jī)器人的研究重點(diǎn)[14]。

6 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)正處于穩(wěn)健高速發(fā)展時(shí)期，國(guó)家注重發(fā)展高科技產(chǎn)業(yè)，加之勞動(dòng)力的逐漸缺失，工業(yè)機(jī)器人正處于發(fā)展的良好時(shí)機(jī)。雖然中國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展還有很多不足，相信通過(guò)科研人員和相關(guān)企業(yè)的深入研究合作，能解決工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的一系列前沿核心技術(shù)，使我國(guó)工業(yè)機(jī)器人處于國(guó)際領(lǐng)先水平。