工業(yè)機器人的原理、發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

湖北省黃石市第二中學(xué) 許 昌

1.引言

在經(jīng)歷了三次工業(yè)革命后，人類開始邁入以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命。在這一次工業(yè)革命浪潮中，工業(yè)機器人便是其重要特征之一。隨著勞動力成本的不斷提高，各國也逐漸開始重視工業(yè)機器人。因為工業(yè)機器人的興盛，不僅解決了勞動力成本問題，將人們從繁重、枯燥的重復(fù)勞動中解放出來，同時，一些危險系數(shù)高、對人體有害的工作也將交與工業(yè)機器人來完成[1]。

據(jù)統(tǒng)計，截至2017年，全世界大約有100萬機器人在工作。實施“中國制造2025”這一背景下，我國已成立了多處機器人產(chǎn)業(yè)，在一些關(guān)鍵技術(shù)方面也有重大的突破，在國際上占有了一席之地。但就某些核心技術(shù)來說，我國技術(shù)基礎(chǔ)仍很薄弱[2]。

2.工業(yè)機器人原理

2.1 工業(yè)機器人的組成及分類

工業(yè)機器人一般由檢測控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)組成。工業(yè)機器人種類繁多，按系統(tǒng)功能可分為[3]：

(1)專用機器人：其控制系統(tǒng)和程序都是固定的不可更改的，通過固定的程序，在固定的地點，完成單一、機械的工作。其特點是應(yīng)用場景單一，結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低。

(2)通用機器人：其控制系統(tǒng)是獨立的，可以根據(jù)不同工作需要，對其程序進(jìn)行修改，滿足不同的生產(chǎn)需求。該類機器人的特點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作領(lǐng)域大，通用性強。

(3)示教再現(xiàn)式機器人：該類機器人的控制系統(tǒng)具有記憶功能，可以對操作者的示范操作進(jìn)行記憶和復(fù)現(xiàn)操作，按示教所給予的信息完成示教作用。

(4)智能機器人：該類機器人具有多類傳感器，可以對溫度、聲音、光照等進(jìn)行感知和識別，具備自主學(xué)習(xí)能力，能夠從外部搜集信息，進(jìn)行決策和實施，完成預(yù)定任務(wù)。

按驅(qū)動方式分類：

(1)氣壓傳動機器人：驅(qū)動動力來源為壓縮空氣，該類機器人的特點是動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。

(2)液壓傳動機器人：驅(qū)動動力來源為液壓元件，該類機器人的特點是負(fù)載能力高，響應(yīng)時間短，結(jié)構(gòu)比較緊密。

(3)電氣傳動機器人：驅(qū)動動力來源為交流或直流伺服電動機，該類機器人精度高，響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)簡單，成本較高。

2.2 工業(yè)機器人關(guān)鍵技術(shù)

工業(yè)機器人涉及領(lǐng)域繁多，所要求的技術(shù)能力高，而其關(guān)鍵技術(shù)有以下幾種：

(1)驅(qū)動技術(shù)

包括液壓、氣動、電動三大系統(tǒng)，而目前AC伺服電動機驅(qū)動已成為應(yīng)用于工業(yè)機器人的主流技術(shù)。新一代伺服電動機與微處理器、伺服電動機控制器相結(jié)合的技術(shù)也已開始應(yīng)用于工業(yè)機器人中。

(2)控制技術(shù)

多數(shù)采用的是32位CPU，其控制軸達(dá)到27軸，大量采用NC技術(shù)、離線編程技術(shù)。

(3)智能化傳感器

智能機器人數(shù)量逐漸增多，通過給機器人加裝各類傳感器，實現(xiàn)對外部溫度、濕度、聲音和圖像等信息的采集，從而為機器人的反饋行為提供參考。

(4)集成化、系統(tǒng)化

當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)中，對于多臺機器人配合完成工作的需求越來越迫切，因此多臺機器人通過集成和整合組成一個有機的整體，從而更好地完成復(fù)雜的生產(chǎn)任務(wù)。數(shù)十乃至上百臺機器人相互連接，與微機以及智能系統(tǒng)和操作人形成一個整體。

3.發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 國際上

1962年，第一臺示教工業(yè)機器人在美國投入使用。此后，美國工業(yè)機器人技術(shù)方面也是位居世界前列。其所制造的工業(yè)機器人性能優(yōu)異，功能全面，與之相匹配的智能技術(shù)也發(fā)展迅速，并被大量應(yīng)用于汽車制造、機械加工、橡膠及塑料工業(yè)、電子電氣行業(yè)等眾多領(lǐng)域。同時，美國的特種機器人也十分先進(jìn)，目前大量應(yīng)用于航天、軍事領(lǐng)域。

1967年，日本引入第一臺工業(yè)機器人，由于人口不足而造成的勞動力短缺，以及微電子技術(shù)發(fā)展的多重原因，使得工業(yè)機器人在日本得到了快速發(fā)展。如今，全世界大約有三分之一的工業(yè)機器人在日本。日本具有眾多有影響力的工業(yè)機器人品牌，例如FANUC、安川、那智不二越等。當(dāng)前，在全球工業(yè)機器人市場中日本所占份額超過50%。

2014年6月，歐盟啟動了《歐盟機器人研究計劃》，目標(biāo)是設(shè)計生產(chǎn)適應(yīng)于多領(lǐng)域和場景的各類機器人。在歐洲，工業(yè)機器人方面尤為突出的是德國。德國擁有眾多工業(yè)機器人企業(yè)，如庫卡、萊斯機器人和克魯斯。如今德國工業(yè)機器人總數(shù)位居世界第二，僅次于日本[4]。

3.2 國內(nèi)

20世紀(jì)70年代我國開始了對工業(yè)機器人的研發(fā)。目前，我國工業(yè)機器人絕大多數(shù)都是面向國內(nèi)市場需求，而這些機器人的投入滿足了國內(nèi)發(fā)展迅速的制造業(yè)，而其最主要的應(yīng)用在汽車行業(yè)中的弧焊、點焊、檢測、搬運、裝配等高難度復(fù)雜工作，同時在其他領(lǐng)域和市場有著巨大的前景。

目前我國的工業(yè)機器人技術(shù)較國際上一些發(fā)達(dá)國家相比還有所不足，但通過近幾年的快速發(fā)展，我國對于一些關(guān)鍵技術(shù)已基本掌握，在國際上也有較強的競爭力。目前，我國的工業(yè)機器人數(shù)量已達(dá)到四萬以上，而我國企業(yè)具備了機器人設(shè)計以及制造能力，同時所生產(chǎn)機器人的整體性能位居世界前列，且具有成本優(yōu)勢。

中國機器人產(chǎn)業(yè)在近些年快速發(fā)展，尤其是機器人產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的常州，現(xiàn)已成為全國機器人制造的先進(jìn)城市。據(jù)規(guī)劃，常州將建設(shè)全國重要的智能制造裝備基地。目前，常州已集納了國內(nèi)外眾多機器人企業(yè)如泉工、快克、安川、銘賽、金石等[5]。

4.發(fā)展趨勢

由機器人所帶來的便利以及市場的需求，在未來工業(yè)機器人必將進(jìn)一步發(fā)展。而現(xiàn)今機器人的發(fā)展主要有以下幾個方面[6，7]：

4.1 智能化

在面對情況復(fù)雜、自主能力高的任務(wù)，智能化高低是決定機器人能否完成任務(wù)的重要因素之一。目前，機器人的智能化程度可以分為兩類，一是通過模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等多種方式，提高機器人自主性，從而減少程序的依賴性，這是較低層次的智能。另一種更高級的智能，是讓機器人具有與人類似的邏輯推理能力，面對問題時，機器人能夠自行尋找解決方案并加以施行。

4.2 多機協(xié)調(diào)化

在許多大型生產(chǎn)線中，同一個生產(chǎn)過程往往需要多個機器人的協(xié)同工作完成。而如今，生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，多機協(xié)調(diào)共同工作的要求十分迫切。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)代加工制造系統(tǒng)中，每一個機器人不再是一個單獨的個體，而是通過智能設(shè)備相連的一個大整體，進(jìn)行相互配合的協(xié)同工作。

4.3 標(biāo)準(zhǔn)化

如今，世界有著大大小小眾多的工業(yè)機器人生產(chǎn)廠家，而不同的廠家生產(chǎn)和制造遵循不同的標(biāo)準(zhǔn)，這造成不同廠家的機器人更換零部件的不便。但推行同一的標(biāo)準(zhǔn)，使工業(yè)機器人的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化這一有利于推進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的措施，并非為技術(shù)層面問題，而是因牽扯到各企業(yè)間的利益、關(guān)系等問題而難以實現(xiàn)。

4.4 微型化

隨著大型工業(yè)機器人的逐漸普及，微型機器人也開始成為機器人未來的發(fā)展方向之一。目前，已經(jīng)開發(fā)出了手指大小的微型機器人，而未來將會生產(chǎn)出毫米、微米，甚至納米級的機器人，而其將被應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、精密加工、微型集成電路制造等眾多領(lǐng)域中。

5.總結(jié)展望

自第一個工業(yè)機器人的出現(xiàn)，經(jīng)過幾十年的飛速發(fā)展，許多工業(yè)生產(chǎn)的環(huán)節(jié)已由工業(yè)機器人代替完成。作為高級制造設(shè)備的重要組成部分，工業(yè)機器人無疑成為未來制造業(yè)的重要特征。無論是社會生產(chǎn)，還是醫(yī)療、軍事，都具有極大的意義。在工業(yè)4.0的需求推動下，工業(yè)機器人也將取得更大的發(fā)展。

[1]袁小鳴.“無人工廠”:智能制造一道亮麗風(fēng)景線[N].人民郵電,2017-10-23(005).

[2]路甬祥.中國智造與中國創(chuàng)造[J].全球化,2016,(09):5-13+133.

[3]熊楚良.工業(yè)機器人若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西南交通大學(xué),2016.

[4]呂鐵,韓娜.智能制造:全球趨勢與中國戰(zhàn)略[J].人民論壇·學(xué)術(shù)前沿,2015,(11):6-17.

[5]田濤,鄧雙城,楊朝嵐,張澤,鄭海洋,王福利,周唐愷.工業(yè)機器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].新技術(shù)新工藝,2015,(03):92-94.

[6]王田苗,陶永.我國工業(yè)機器人技術(shù)現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略[J].機械工程學(xué)報,2014,50(09):1-13.

[7]劉永安,余天榮.工業(yè)機器人的應(yīng)用研究[J].機電工程技術(shù),2014,43(02):52-53+104.