分析我國機器人技術在制造業(yè)中的研究及應用

崔歡歡，劉紅，曾學淑

（云南機電職業(yè)技術學院，云南 昆明 650203）

“中國制造2025”明確了成為制造強國的目標。機器人技術具有工作精度高、穩(wěn)定性好、重復性好、能在有害環(huán)境下工作等顯著優(yōu)點。在我國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)化轉型升級進程中，機器人技術在變革生產(chǎn)模式、提高生產(chǎn)質(zhì)量、提高管理效率，緩解用人壓力等方面發(fā)揮了巨大作用。生產(chǎn)模式的革新是制造業(yè)產(chǎn)業(yè)化轉型升級的重要內(nèi)容，機器人的使用優(yōu)化生產(chǎn)線和生產(chǎn)分工，合理配置資源，提高品質(zhì)和效率。產(chǎn)品規(guī)格的標準性與產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性是衡量制造業(yè)水平的重要指標，傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程中，易受內(nèi)外部因素的影響，無法完全保障產(chǎn)品的高質(zhì)量和穩(wěn)定性，機器人技術很好的克服了這類問題。近年來，隨著自動化技術、計算機控制、圖像識別、傳感器與信號處理等行業(yè)的發(fā)展，機器人技術也相應得到了很大的提高，使制造生產(chǎn)不斷邁向高端層次，成為制造業(yè)發(fā)展的重要內(nèi)容與支撐。機器人技術已經(jīng)成為新一次的科技和產(chǎn)業(yè)革命的重要方向，標志著一個國家的創(chuàng)造力和競爭力。

1 我國機器人技術的研究現(xiàn)狀

世界上首個機器人專利于1954年產(chǎn)生于美國，我國機器人技術起步較晚，第一臺機器人1980年誕生于中科院自動化研究所。1983年，國家高技術研究發(fā)展計劃的開展與實施將機器人發(fā)展推向高潮，許多機器人研究院正式成立，許多企業(yè)也加入機器人的研發(fā)與應用中。近些年來，我國對機器人的重視也從教育科研層次上明顯提升，很多高校逐漸增加了機器人專業(yè)方向，進行機器人知識的學習和研究。江蘇省有14所院校都開設了機器人專業(yè)，在開設機器人專業(yè)方向的高校省份中位居第一，很多院校在雙一流評選結果中成功將機器人相關專業(yè)評選為一流專業(yè)。第一代工業(yè)機器人的構造簡單，功能少，只是機械性地完成同一個功能，重復同一個動作，主要應用于周圍環(huán)境固定、變化小的工作場景。隨后，隨著傳感器、云計算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術的發(fā)展成熟，工業(yè)機器人具有更加靈敏、高智慧的特點。

經(jīng)過40多年的努力，機器人技術從最初的作業(yè)方式單一、重復等簡單工序轉變?yōu)槎嘣ヂ?lián)的一個狀態(tài)，并滲入多個行業(yè)中。當下已有很多企業(yè)開始用工業(yè)機器人代替人工操作，從事各種實際生產(chǎn)加工。雖然我國機器人在相關關鍵技術上有所進展，但我國機器人的發(fā)展也面臨著較多問題，最根本問題在于缺乏整體的核心技術，特別在整體裝配與生產(chǎn)工藝方面，沒有高速、高精密與高效的減速機、伺服電動機、控制器等關鍵零件。

2 機器人技術在制造業(yè)中的應用

機器人是指有多關節(jié)機械手或自由度高的自動裝置，可以自動開展工作。由于其具備便捷和高效的優(yōu)點，已廣泛應用于機器人焊接、自動化加工、物流等制造生產(chǎn)領域。

2.1 機器人在焊接領域的應用

焊接是國民生產(chǎn)中必不可少的基礎制造加工工藝，常因一些精度要求高、勞動強度大、工作環(huán)境差（煙塵、弧光、噪聲）等實際情況對焊接人員的專業(yè)水平和身體素質(zhì)要求高。焊接機器人的出現(xiàn)，能夠自動完成工件的傳送和焊接，解決了傳統(tǒng)焊接技術的問題，更好地提升了焊接品質(zhì)，保證了生產(chǎn)效能，保護了勞動者的健康，很好的應用于汽車零部件制造、鍋爐壓力容器件、國防兵器等方面。焊接機器人指擁有三個或者三個以上可自由編程的運動軸，依靠程序使機器人能夠按照預先規(guī)定的路徑及速度，把焊接工具送到指定位置的機器。目前，焊接機器人主要研究焊接追蹤技術、路徑規(guī)劃及離線編程技術、多機協(xié)調(diào)控制技術，還有專用弧焊電源、焊接工藝方法、特種機器人焊接、遙控焊接技術等方向。焊接機器人包含有視覺傳感器、聲音傳感器、觸覺傳感器等，使機器人在焊接時實現(xiàn)自動管控，對各個部件進行精準定位，且運動靈活性更高。焊接機器人系統(tǒng)能夠很好的兼容錯誤代碼，數(shù)據(jù)處理的效能及準確性都得到了改善。另外，基于VR的虛擬現(xiàn)實技術的應用，能將圖形技術與3D場景進行有機融合，在焊接機器人生產(chǎn)監(jiān)控工作過程中加入仿真、鉆孔、開發(fā)等，從而實現(xiàn)虛擬遙控的功能，工作人員通過遠程監(jiān)控確可以達到真實操作焊接機器人的感覺，進行人機交互，從而實現(xiàn)自動化工作。焊接機器人目前還缺乏高端產(chǎn)品，主要向集成化、智能化控制、數(shù)字網(wǎng)絡遠程控制、柔性化等方向發(fā)展。

2.2 機器人在自動化生產(chǎn)領域的應用

機器人在制造業(yè)自動化生產(chǎn)中，廣泛應用于鑄造、銑削加工、打磨、切割、裝配等，很多工廠、車間已基本全面解放人力，實現(xiàn)了無人化和全自動化。機器人技術在鑄造生產(chǎn)時，利用3D打印技術原理，使金屬在較少時間內(nèi)形成快速成型，制造出的產(chǎn)品不光精度滿足要求，降低了傳統(tǒng)金屬熔化過程中，對工作人員身體造成的傷害，保證了鑄造生產(chǎn)的安全可靠。傳統(tǒng)依靠人力的打磨和拋光，需耗費大量的精力和財力，還不能保障成品質(zhì)量。去除材料是機器人的強項技術，完善了傳統(tǒng)工藝的缺陷，適用于各種金屬材料，擴大使用范圍，還保證了材料拋光表面的精度。銑削機器人應用于柔性自動化零件加工生產(chǎn)線，且能夠?qū)λ庸さ漠a(chǎn)品進行自動檢測，對不合格產(chǎn)品進行篩選，構建了一條完整的柔性自動化生產(chǎn)線。在科技的不斷發(fā)展下，阻尼控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，使切割機器人發(fā)揮了很大的優(yōu)勢，優(yōu)化定位性能，完善切割流程，使切割工藝中的切削流越來越細。在自動化制造生產(chǎn)過程中，裝配機器人使用柔性自動化的組裝系統(tǒng)，發(fā)揮了其高精度的優(yōu)點，實現(xiàn)了機器人操作機、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)及傳感系統(tǒng)的科學配合，保證了產(chǎn)品制造效率與質(zhì)量。裝配機器人包含了機械、光學、微電子、自動控制等多種先進技術，相較于焊接機器人更為靈活，處理細致工作更為精準，能借助可動關節(jié)、科學程序，實現(xiàn)精細工作的裝配，避免了傳統(tǒng)人工拆裝的缺點和受限性。

2.3 機器人在物流領域的應用

機器人在物流行業(yè)中主要應用于包裝分揀、裝卸、搬運環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)包裝作業(yè)中，反復抓取工作一般由人工操作，人工和管理成本高，且包裝合格率不高。在現(xiàn)代化物流體系中，機器人作業(yè)柔性好、承重大、速率高，搭載識別圖象系統(tǒng)和功能多樣的機械手。每到一種物品前可以依靠識別系統(tǒng)來分辨物品屬性，采用與之設置好的機械手進行抓取，可以有效提高物流工作的成效。近幾年，貨物品種的辨認、位置確定等方面也隨著傳感技術的發(fā)展取得了極大的進步，特別適用于貨物種類多、訂單批量小、產(chǎn)品批次多等方面的要求，實現(xiàn)了全程自動化操作。AGV與物流系統(tǒng)相配合，不僅提高了工作環(huán)境空間的使用率，增大物品搬運重量，減少了裝卸、搬運過程中的非必要停留時間，提高了整體工作效率，還減輕了繁重的體力勞動。比較典型的AMR、料箱機器人、叉車AGV、揀選機器人、復合型機器人、無人駕駛技術等應用徹底顛覆了物料與人的交互模式，突破了多貨箱隨時裝卸。如AMR自主導航移動機器人增設了感知四周環(huán)境、自主導航、智能避開障礙物等模塊，免去了繁重的人工貼地標線、鋪設導引線等環(huán)節(jié)，如果實際生產(chǎn)中，作業(yè)流程有變動，只要讓機器人從新構造生成地圖，不需要人工重新布置環(huán)境，減少成本、提高成效。還有料箱機器人創(chuàng)造性地改變了傳統(tǒng)的從貨物到人的作業(yè)形式，實現(xiàn)了從貨架到人以及貨箱到人的形式，縮小了目標范圍，從而提高了揀選速度，完成訂單的全自動無人揀選作業(yè)流程。復合型機器人是一種新興的物流機器人，主要應用智能導航技術，實現(xiàn)了物品的智能揀選、自動裝卸，尤其適合柔性化程度高的生產(chǎn)線。無人叉車實現(xiàn)了點對點的物品搬運，還完成了多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)相互連接的物流運輸服務，尤其適用于倉庫位置比較高、不同生產(chǎn)線間相互運轉、倉庫外自由裝卸物品等，而且在物品重量大、特殊物品搬運等場合發(fā)揮著很實用。無人駕駛技術包含無人駕駛物流車、智能駕駛平臺、智能仿真系統(tǒng)互動體驗等也是當下機器人發(fā)展的新技術新方向。未來的物流機器人更注重AI算法的應用，使用AI技術幫助機器人進一步提高自動化作業(yè)效率，從而提升產(chǎn)業(yè)效能。物流機器人技術提升更重視安全性和柔性，利用先進的傳感器、軟件和相機等，辨認四周環(huán)境，很好地避開操作人員和障礙物品。

3 機器人技術的發(fā)展趨勢及存在問題

（1）智能機器人技術的發(fā)展和研究已成為國家制造業(yè)發(fā)展的主要方向。但智能機器人技術存在開發(fā)難度大、周期長以及資金投入高等特點。機器人技術涉及導航技術、定位技術、傳感器信息技術、視覺技術等多交叉多技術領域。相關學科技術的研究較為分離，沒有統(tǒng)一整合，技術創(chuàng)新型人才缺口大。（2）我國機器人市場還處于起步時期，存在著市場規(guī)范性低，同質(zhì)化產(chǎn)品競爭激烈，沒有統(tǒng)一的行業(yè)標準，尤其核心技術以及關鍵性功能還未完善等問題。國家應進一步強化政策扶持及加大投資力度，打造一批機器人相關科學研究領域的具有較強研究實力的高校及企業(yè)，強化解決細節(jié)問題，增強自主創(chuàng)新能力。如加強針對高強度輕質(zhì)材料的探索，重視控制技術以及多傳感系統(tǒng)等核心技術的發(fā)展，研究模糊技術與神經(jīng)控制的有機結合，擴大機器人作業(yè)的范圍，提高執(zhí)行的精度。（3）隨著機器人技術在焊接、自動化、物流等多個生產(chǎn)制造領域中的不斷應用，機器人技術會越發(fā)向更先進、便捷的方向發(fā)展，并滲入醫(yī)療、教育、軍事以及服務等多領域。機器人技術的應用將會對勞動人員帶來較大的影響，勞動力被代替的速度和規(guī)模會越來越大。積極開展技能培訓，提高勞動人員的工作能力和適應性，解決機器人技術發(fā)展對于社會產(chǎn)生的影響。

4 結語

機器人技術具有良好的前景和強大的應用需要，發(fā)達國家的機器人技術已快速發(fā)展，我國機器人技術起步緩慢，目前發(fā)展較慢，很多企業(yè)也沒有足夠重視。應注重智能機器人技術的研究，不斷進行技術創(chuàng)新，完善管理、升級產(chǎn)能，提高我國機器人技術水平，不斷縮小我國機械制造的發(fā)展水平與發(fā)達國家的差距。