工業(yè)機(jī)器人在汽車總裝車間的應(yīng)用

鐘和輝 吳耿雄 李曉東 秦子銘

摘要：對(duì)工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)造及發(fā)展進(jìn)行了梳理，對(duì)其在汽車總裝車間的應(yīng)用難點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明，并對(duì)其在汽車總裝車間的推廣方向進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;汽車;總裝車間

0? 引言

工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能，是一種能自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器。工業(yè)機(jī)器人具有工作效率高、穩(wěn)定可靠、重復(fù)精度好、能在高危環(huán)境下作業(yè)等優(yōu)勢(shì)，在傳統(tǒng)制造業(yè)、特別是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)中將發(fā)揮重要作用[1]。汽車行業(yè)屬于技術(shù)密集、資金密集、勞動(dòng)密集型行業(yè)，工業(yè)機(jī)器人在沖壓、焊裝、涂裝、總裝四大整車生產(chǎn)車間均有不同程度的運(yùn)用，在面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)的當(dāng)下仍有巨大發(fā)展空間，尤其對(duì)于勞動(dòng)密集、機(jī)器人運(yùn)用程度較低的總裝車間。為此，本文就工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)造及發(fā)展進(jìn)行梳理，對(duì)其在汽車總裝車間的應(yīng)用難點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明，并對(duì)其在汽車總裝車間的推廣方向進(jìn)行探討。

1? 工業(yè)機(jī)器人概述

1.1 工業(yè)機(jī)器人歷史發(fā)展

工業(yè)機(jī)器人，美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)定義為：“用來(lái)進(jìn)行搬運(yùn)機(jī)械部件或工件的、可編程序的多功能操作器，或通過(guò)改變程序可以完成各種工作的特殊機(jī)械裝置”[2]。

已知最早的工業(yè)機(jī)器人，是1938年3月Meccano雜志登載由格里菲斯P·泰勒設(shè)計(jì)完成的搬運(yùn)機(jī)器人（如圖1）。該機(jī)器人幾乎完全是用吊車狀裝置構(gòu)成，由單個(gè)電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)五軸的運(yùn)動(dòng)。1956年創(chuàng)立的世界上首個(gè)機(jī)器人制造公司制造出了稱為“Unimate”的機(jī)器人。這是全球第一臺(tái)數(shù)字化可編程的現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人，采用示教再現(xiàn)形式生成程序，程序可記憶和重復(fù)。1969年“斯坦福機(jī)械臂”機(jī)器人被發(fā)明，這是一款全電動(dòng)6軸鉸接式機(jī)器人，在可達(dá)空間內(nèi)可以設(shè)計(jì)機(jī)械臂的任意運(yùn)動(dòng)路徑。1973年，ABB和KUKA將工業(yè)機(jī)器人推向市場(chǎng)。ABB的IRB 6是世界上第一款微處理器控制全電動(dòng)的商業(yè)化工業(yè)機(jī)器人。KUKA的第一代機(jī)器人稱為FAMULUS，具有6個(gè)驅(qū)動(dòng)軸。在1970s后期，許多公司進(jìn)入了工業(yè)機(jī)器人制造領(lǐng)域，進(jìn)入行業(yè)快速發(fā)展時(shí)期。目前，國(guó)際工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域四大標(biāo)桿企業(yè)分別是瑞典ABB、德國(guó)KUKA、日本FANUC和日本安川，它們的工業(yè)機(jī)器人本體銷量占據(jù)了全球市場(chǎng)的半壁江山，也幾乎占據(jù)了主流汽車整車制造領(lǐng)域運(yùn)用的所有份額。

1.2 工業(yè)機(jī)器人組成結(jié)構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人由主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個(gè)基本部分組成。

主體即機(jī)身和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括臂部（手臂）、腕部和手部（如圖2），有的機(jī)器人還有行走機(jī)構(gòu)。從執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)看，工業(yè)機(jī)器人總體上分為串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人（如圖3）。串聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)是一個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)會(huì)改變另一個(gè)軸的坐標(biāo)原點(diǎn)，而并聯(lián)機(jī)器人所采用的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其一個(gè)軸運(yùn)動(dòng)則不會(huì)改變另一個(gè)軸的坐標(biāo)原點(diǎn)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人有3～6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，六自由度機(jī)器人已具有完整空間定位能力，可到達(dá)作業(yè)范圍中的任意位置。自由度多于6的機(jī)器人，多余的自由度可用來(lái)改善機(jī)器人的靈活性、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能，提高避障能力。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括動(dòng)力裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，主要包括液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于液壓系統(tǒng)存在泄露、噪聲和低速不穩(wěn)定等問(wèn)題，并且功率單元笨重和昂貴，目前只有大型重載機(jī)器人、并聯(lián)加工機(jī)器人和一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合使用液壓驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人。氣壓驅(qū)動(dòng)具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。但是由于氣壓裝置的工作壓強(qiáng)低，不易精確定位，一般僅用于工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)是現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的一種主流驅(qū)動(dòng)方式，電源在工廠易于獲得且穩(wěn)定易控，結(jié)合直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和直線電機(jī)等的不同特性的運(yùn)用，具備速度快、精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于模塊化的優(yōu)點(diǎn)。

控制系統(tǒng)是識(shí)別機(jī)器人實(shí)時(shí)狀態(tài)，并按照輸入的程序?qū)︱?qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號(hào)，并進(jìn)行控制。一般由機(jī)器人操作系統(tǒng)（robot operating system，ROS）實(shí)現(xiàn)。ROS提供標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)服務(wù)，包括硬件抽象、底層設(shè)備控制、常用功能實(shí)現(xiàn)、進(jìn)程間消息以及數(shù)據(jù)包管理?，F(xiàn)有的機(jī)器人操作系統(tǒng)架構(gòu)主要有基于Linux的Ubuntu開源操作系統(tǒng)，不同機(jī)器人廠家進(jìn)行二次開發(fā)，形成不同的操作界面及程序模式。

2? 工業(yè)機(jī)器人在總裝車間應(yīng)用的難點(diǎn)

在汽車整車生產(chǎn)沖壓、焊裝、涂裝、總裝四大車間中，工業(yè)機(jī)器人都有不同程度的使用。沖壓主要以板材沖壓成型為主，焊裝以白車身焊接為主，涂裝以白車身噴涂為主，其作業(yè)內(nèi)容均相對(duì)比較集中，各工序作業(yè)內(nèi)容基本一致，機(jī)器人方案通用化程度高，如在沖壓車間的搬運(yùn)機(jī)器人、焊裝車間的焊接機(jī)器人、涂裝車間的涂裝機(jī)器人得到廣泛的使用。而總裝車間主要工作是汽車整車的裝配，是按照生產(chǎn)線布置及組織形式，借助人工、設(shè)備、工具，把數(shù)以千計(jì)的各種零部件，按著一定的技術(shù)要求組裝成整車的工藝過(guò)程，具有作業(yè)內(nèi)容多、安裝零件多、使用工具多、技術(shù)要求多等特點(diǎn)，在機(jī)器人的使用推廣上存在較多困難。

2.1 生產(chǎn)布置導(dǎo)致機(jī)器人定位困難

根據(jù)汽車產(chǎn)品生產(chǎn)產(chǎn)量、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、質(zhì)量要求等不同，所采用的裝配組織形式也不同。固定式裝配，即裝配的基礎(chǔ)件安裝在固定的裝配工作臺(tái)上或工作地的固定支撐架上，由一組工人將待裝件按著工藝要求逐一安裝到基礎(chǔ)件上，一直到完成汽車產(chǎn)品的裝配任務(wù)。流水裝配，即借助于懸掛鏈、滑板鏈、板鏈等型式的輸送裝置（如圖4），裝配對(duì)象從一個(gè)裝配車位到下一個(gè)裝配車位，是按著一定的生產(chǎn)節(jié)拍（時(shí)間）要求，進(jìn)行流動(dòng)生產(chǎn)。目前，大規(guī)模生產(chǎn)的車間為確保效率及產(chǎn)量，大都采用流水裝配方式。裝配對(duì)象在按節(jié)拍流動(dòng)，加之輸送鏈的左右擺動(dòng)及前后竄動(dòng)，導(dǎo)致其位置不斷變化，機(jī)器人難以與裝配對(duì)象隨動(dòng)或建立穩(wěn)定的相對(duì)位置，無(wú)法進(jìn)行工作。

2.2 零件多樣導(dǎo)致機(jī)器人通用困難

總裝車間需要安裝數(shù)以千計(jì)的零部件，每個(gè)零部件形狀千差萬(wàn)別，為了夾持固定零件，需為機(jī)器人對(duì)每一種零件都設(shè)計(jì)安裝專用夾具，難以實(shí)現(xiàn)一臺(tái)機(jī)器人安裝多種零件，難以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人使用的通用化及標(biāo)準(zhǔn)化。零部件材質(zhì)也差異巨大，不但有底盤零件、支架、加強(qiáng)件等剛性零部件，也有線束、拉索、管路、飾件等柔性零部件，柔性零部件無(wú)法像剛性零部件一樣夾持和安裝。柔性零件的不確定變形，也使機(jī)器人無(wú)法實(shí)現(xiàn)重復(fù)定位的抓取及安裝。

2.3 裝配復(fù)雜導(dǎo)致機(jī)器人控制困難

在總裝車間，零件通過(guò)多種連接方式安裝裝配到車身上，如通過(guò)螺栓螺母連接、膠釘連接、卡扣卡爪連接、卡箍連接、扎帶捆扎、不干膠粘合、過(guò)盈配合等。為完成安裝，人員裝配動(dòng)作也是多種多樣，按本田作業(yè)統(tǒng)計(jì)多達(dá)89種操作動(dòng)作，而且各零部件的裝配往往一個(gè)動(dòng)作是無(wú)法完成，需要多種操作動(dòng)作的組合才能完成，這對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作模擬實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)存在巨大的挑戰(zhàn)。對(duì)于不同裝配連接方式，也有不同的安裝技術(shù)要求即品質(zhì)要求，如力矩、距離、角度、間隙、段差，而且在許多的零部件裝配中品質(zhì)要求不單一，要同時(shí)保證多項(xiàng)品質(zhì)要求，有時(shí)各項(xiàng)品質(zhì)要求相互影響制約，需在裝配時(shí)綜合判斷;對(duì)于過(guò)盈配合安裝時(shí)，安裝的力度還需要人手感覺(jué)的模糊判斷。正是由于多因素的影響，每一次裝配操作的均存在著差異，需綜合判斷、模糊判斷，這正是機(jī)器人相比于人工的弱項(xiàng)。

3? 工業(yè)機(jī)器人在總裝車間推廣的方向

3.1 提升生產(chǎn)線上裝配車的定位精度

為克服流動(dòng)生產(chǎn)線上裝配車體定位困難的問(wèn)題，雖無(wú)法將整個(gè)生產(chǎn)線進(jìn)行靜止定位，但可以通過(guò)設(shè)置快速進(jìn)入、快速移出的車位設(shè)置，在連續(xù)流動(dòng)的生產(chǎn)線節(jié)拍中，搶出部分時(shí)間，讓在快進(jìn)、快出車位中間的少數(shù)車位靜止，從而實(shí)現(xiàn)少數(shù)車位固定式裝配方式，形成靜止作業(yè)區(qū)，以便于裝配車體的定位，如圖5。

由于承載裝配車的輸送鏈吊架或滑板數(shù)量眾多，尺寸存在偏差，單是將裝配車位停止，還不足以實(shí)現(xiàn)該車位每一臺(tái)裝配車的精準(zhǔn)定位，還需對(duì)停止實(shí)現(xiàn)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化及精度提升。例如對(duì)輸送鏈移動(dòng)方向的停止擋塊由單向停止定位變更為雙向定位夾緊、對(duì)非移動(dòng)方向設(shè)置專門機(jī)構(gòu)進(jìn)行扶正夾緊等。以上措施均是將裝配車體盡可能的通過(guò)各類夾具或夾持機(jī)構(gòu)，固定到設(shè)定的原點(diǎn)位置。機(jī)器人則以此統(tǒng)一的原點(diǎn)位置，定位裝配車體進(jìn)行相關(guān)的操作。

受限于夾持點(diǎn)數(shù)量及夾持機(jī)構(gòu)的剛度有限，其定位精度也是有限的，對(duì)于有進(jìn)一步定位精度要求的車位，就必須對(duì)定位情況進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，得出偏差值進(jìn)行修正，以此進(jìn)一步提高定位精度，如圖6?？赏ㄟ^(guò)設(shè)置關(guān)鍵尺寸方向的光柵定位裝置或激光測(cè)距裝置，對(duì)夾緊的車位進(jìn)行測(cè)量，得出其相對(duì)于理想原點(diǎn)位置的偏差，并將偏差值傳遞給機(jī)器人進(jìn)行修正計(jì)算從而得出裝配車體的實(shí)際定位位置。目前光柵定位及激光測(cè)距裝置，正逐步被布置更為便利的視覺(jué)識(shí)別定位裝置取代，通過(guò)攝像頭對(duì)裝配車體上盡可能相距遠(yuǎn)的至少三個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行拍攝照片，將此照片與理想原點(diǎn)位置時(shí)特征點(diǎn)照片進(jìn)行對(duì)比，得出特征點(diǎn)的位置偏差，并通過(guò)至少三個(gè)點(diǎn)的偏差數(shù)據(jù)計(jì)算出裝配車整體的位置偏差，再反饋機(jī)器人進(jìn)行修正。

3.2 機(jī)器人主體與作業(yè)夾具接口的通用化

在總裝車間為應(yīng)對(duì)夾持安裝多種零件，需設(shè)計(jì)制作多種作業(yè)夾具，但一旦將其中一個(gè)夾具固定安裝在某臺(tái)機(jī)器人上，則該臺(tái)機(jī)器人只能夾持安裝該夾具對(duì)應(yīng)的零件，嚴(yán)重限制了該臺(tái)機(jī)器人的通用性。即使是有些機(jī)器人在主體手部上安裝2～3個(gè)夾具，也只是在一定程度上提升，但借鑒數(shù)字加工中心機(jī)床更換刀頭的方案，則情況就大為改觀。機(jī)器人本體與各類作業(yè)夾具間的連接設(shè)計(jì)為通用的手部接口，形成標(biāo)準(zhǔn)的模塊設(shè)計(jì)，如將機(jī)器人本體設(shè)計(jì)為接口的公端、作業(yè)夾具設(shè)計(jì)為接口母端。機(jī)器人通過(guò)此通用接口，根據(jù)夾持安裝零件的需要，與各類型作業(yè)夾具實(shí)現(xiàn)快速的自動(dòng)連接，就如數(shù)字加工中心機(jī)床根據(jù)需要自動(dòng)更換刀頭一樣。此設(shè)計(jì)思路在螺栓擰緊機(jī)器人方案中，通過(guò)通用接口快速更換不同的擰緊軸套筒，已有成熟的應(yīng)用實(shí)踐;在移栽搬運(yùn)機(jī)器人方案中，也有大量通過(guò)通用接口快速更換托盤，搬運(yùn)不同零件的應(yīng)用實(shí)踐。

3.3 機(jī)器人感知實(shí)現(xiàn)裝配要求的閉環(huán)控制

為實(shí)現(xiàn)總裝車間零件裝配技術(shù)條件復(fù)雜多樣的要求，必須使用機(jī)器人感知技術(shù)對(duì)裝配過(guò)程及結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)。早期的機(jī)器人只能根據(jù)設(shè)定的程序或是根據(jù)示教軌跡，進(jìn)行動(dòng)作的循環(huán)重復(fù)。隨著各類傳感器技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人能通過(guò)傳感器，收集感知各種自身內(nèi)部狀態(tài)，如角度、位移、速度、加速度、力和力矩等。并把狀態(tài)從信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人自身或者機(jī)器人之間能夠理解和應(yīng)用的數(shù)據(jù)、信息，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人感知能力。機(jī)器人具備感知這些自身狀態(tài)的能力后，就能夠根據(jù)實(shí)時(shí)感知的信息對(duì)自身的動(dòng)作進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，對(duì)出現(xiàn)的偏差進(jìn)行及時(shí)修正，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)作過(guò)程的閉環(huán)控制，達(dá)成整車裝配中更為復(fù)雜的技術(shù)條件。對(duì)一些相互影響的技術(shù)條件，如螺栓擰緊時(shí)的力矩和角度，也能實(shí)時(shí)檢測(cè)并根據(jù)設(shè)定的權(quán)重算法或條件，進(jìn)行綜合判斷及模糊判斷。

而隨著視覺(jué)識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人感知技術(shù)又上升了一個(gè)新高度。原有的傳感器感知的都是機(jī)器人自身的狀態(tài)信息，不是裝配產(chǎn)品的實(shí)際品質(zhì)信息，如間隙、角度、方向等，要感知識(shí)別這些信息又無(wú)法為每一臺(tái)裝配產(chǎn)品增設(shè)傳感器，而視覺(jué)識(shí)別技術(shù)則解決了這一難點(diǎn)。在機(jī)器人上增設(shè)二維或三維攝像頭，用其對(duì)裝配產(chǎn)品的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行拍攝照片，通過(guò)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行測(cè)量或與標(biāo)準(zhǔn)照片進(jìn)行比對(duì)，從而感知識(shí)別出裝配產(chǎn)品的實(shí)際品質(zhì)信息，并通過(guò)感知的信息對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，修正偏差，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人動(dòng)作結(jié)果即裝配產(chǎn)品最終品質(zhì)的閉環(huán)控制。視覺(jué)感知技術(shù)，目前已是工業(yè)機(jī)器人感知的一個(gè)重要發(fā)展方向，目前已有通過(guò)機(jī)器視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，替代人工質(zhì)量檢查的應(yīng)用案例，如圖7。

4? 結(jié)論

雖然汽車總裝車間裝配內(nèi)容、要求、方法龐雜，但隨著定位精度的提升、夾具接口的通用化提升、機(jī)器人感知技術(shù)提升，機(jī)器人已經(jīng)能夠逐步勝任汽車總裝裝配車間的工作。同時(shí)，結(jié)合機(jī)器人深度學(xué)習(xí)及模糊判斷算法等人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，將賦予機(jī)器人應(yīng)對(duì)更為復(fù)雜場(chǎng)景的能力。

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