駱敏舟，方健，趙江海

(1. 中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院先進(jìn)制造技術(shù)研究所，江蘇 常州 213164； 2. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，精密機(jī)械與精密儀器系，安徽 合肥 230027)

?

工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用

駱敏舟1，方健2，趙江海1

(1. 中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院先進(jìn)制造技術(shù)研究所，江蘇 常州 213164； 2. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，精密機(jī)械與精密儀器系，安徽 合肥 230027)

摘要：介紹了工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展史，指出了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將是未來(lái)十年國(guó)內(nèi)裝備制造業(yè)中成長(zhǎng)性最快的行業(yè)。同時(shí)介紹了工業(yè)機(jī)器人的分類(lèi)和主要的應(yīng)用領(lǐng)域，分析了工業(yè)機(jī)器人未來(lái)市場(chǎng)巨大需求的深層次原因，論述了工業(yè)機(jī)器人處于爆發(fā)式增長(zhǎng)的必然性。在機(jī)器人研究方面，對(duì)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展中亟待解決的問(wèn)題進(jìn)行了探討，重點(diǎn)是工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)零部件制造工藝。提出了工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展方向和下一代工業(yè)機(jī)器人的基本構(gòu)想，預(yù)測(cè)了下一代工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展途徑和發(fā)展的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；市場(chǎng)需求；關(guān)鍵技術(shù)；存在問(wèn)題；下一代工業(yè)機(jī)器人

0引言

工業(yè)機(jī)器人涉及到機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成。因此它的發(fā)展與上述學(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣闊，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度也越來(lái)越高，功能越來(lái)越強(qiáng)，并向著成套技術(shù)和裝備的方向發(fā)展[1-2]。

1機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r

1) 國(guó)外發(fā)展概況

日本具有國(guó)際上最先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，就全世界范圍來(lái)看，全球工業(yè)機(jī)器人約有4成在日本。不論在技術(shù)方面，還是在市場(chǎng)規(guī)模方面，日本可以稱得上是“機(jī)器人大國(guó)”。日本在2004年5月發(fā)布的“新產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略”中所指出的7個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)也是其中之一，同時(shí)，在進(jìn)一步實(shí)施“新產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略”的“新經(jīng)濟(jì)成長(zhǎng)戰(zhàn)略”報(bào)告中也把機(jī)器人放在使日本成為“世界技術(shù)創(chuàng)新中心”的支柱地位上，并在近兩年開(kāi)始重新審視機(jī)器人產(chǎn)業(yè)政策[3]。

美國(guó)是機(jī)器人的誕生地，早在1962年就研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，比起號(hào)稱機(jī)器人王國(guó)的日本起步至少要早五、六年。經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，美國(guó)現(xiàn)已成為世界上的機(jī)器人強(qiáng)國(guó)之一，基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進(jìn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2009 年底，美國(guó)運(yùn)行工業(yè)機(jī)器人大約有19.4萬(wàn)臺(tái)。目前，美國(guó)工業(yè)機(jī)器人供應(yīng)商有Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation等公司。

德國(guó)引進(jìn)機(jī)器人的時(shí)間比英國(guó)和瑞典大約晚了五、六年，但戰(zhàn)爭(zhēng)所導(dǎo)致的勞動(dòng)力短缺，國(guó)民的技術(shù)水平較高等社會(huì)環(huán)境，卻為工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展、應(yīng)用提供了有利條件。此外，20世紀(jì)70年代中后期，德國(guó)政府采用的積極行政手段也為工業(yè)機(jī)器人的推廣開(kāi)辟了道路。如在“改善勞動(dòng)條件計(jì)劃”中規(guī)定，對(duì)于一些危險(xiǎn)、有毒、有害的工作崗位，必須由機(jī)器人來(lái)代替。這個(gè)計(jì)劃為機(jī)器人的應(yīng)用開(kāi)拓了廣泛的市場(chǎng)，并推動(dòng)了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2009 年底，德國(guó)運(yùn)行的工業(yè)機(jī)器人為14.58萬(wàn)臺(tái)。目前，德國(guó)工業(yè)機(jī)器人供應(yīng)商有KUKA、CLOOS等[4]。

國(guó)際上一些大的工業(yè)機(jī)器人制造廠家，品牌主要分成兩大體系，以日本為代表的日韓系，以德國(guó)為代表的歐系，其中ABB、安川、發(fā)那科三大品牌占據(jù)了全球51%的市場(chǎng)，KUKA、OTC、川崎、松下等幾大品牌占市場(chǎng)份額的40%以上。

2) 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況

我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)工作始于20世紀(jì)70年代初，到現(xiàn)在已經(jīng)歷了30年的歷程。前10年處于研究單位自行開(kāi)展研究的狀態(tài)，發(fā)展比較緩慢。1985年后開(kāi)始列入國(guó)家有關(guān)計(jì)劃，發(fā)展比較快。特別是在“七·五”、“八·五”、“九·五”機(jī)器人技術(shù)國(guó)家攻關(guān)、“863”高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃的重點(diǎn)支持下，我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)取得了重大發(fā)展。

我國(guó)近幾年工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線不斷出現(xiàn)，并給用戶帶來(lái)顯著效益。機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線裝備的市場(chǎng)剛剛起步，而國(guó)內(nèi)裝備制造業(yè)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進(jìn)制造裝備轉(zhuǎn)型的時(shí)期，這就給機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線研究開(kāi)發(fā)者帶來(lái)巨大商機(jī)。目前正在逐步建立上海、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，開(kāi)發(fā)出一批有市場(chǎng)前景的，具有自主知識(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。

2工業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)和特點(diǎn)

工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)是向“高速，高精，重載，輕量化和智能化”方向發(fā)展。JSME2008年度日本機(jī)械學(xué)會(huì)從技術(shù)重要性不斷增強(qiáng)的工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的角度，對(duì)機(jī)器人的平均功率比密度、精度、智能化水平等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析與預(yù)測(cè)(-2030年)。在對(duì)絕對(duì)準(zhǔn)確有要求的機(jī)器人設(shè)計(jì)中，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，絕對(duì)精度可能會(huì)接近重復(fù)定位精度。通過(guò)材料技術(shù)的進(jìn)步，減輕驅(qū)動(dòng)器質(zhì)量，提高剛度，提高伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的平均功率比密度。因此，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)有如下特點(diǎn)：

1) 工業(yè)機(jī)器人集精密化、柔性化、智能化、軟件應(yīng)用開(kāi)發(fā)等先進(jìn)制造技術(shù)于一體，通過(guò)對(duì)過(guò)程實(shí)施檢測(cè)、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，實(shí)現(xiàn)增加產(chǎn)量、提高品質(zhì)、降低成本、減少資源消耗和環(huán)境污染，是工業(yè)自動(dòng)化水平的最高體現(xiàn)。

2) 工業(yè)機(jī)器人與自動(dòng)化成套裝備具備精細(xì)制造、精細(xì)加工以及柔性生產(chǎn)等技術(shù)特點(diǎn)，是繼動(dòng)力機(jī)械、計(jì)算機(jī)之后，出現(xiàn)的全面延伸人的體力和智力的新一代生產(chǎn)工具，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)字化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化的重要手段。

3) 工業(yè)機(jī)器人與自動(dòng)化成套裝備是生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵設(shè)備，可用于制造、安裝、檢測(cè)、物流等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并廣泛應(yīng)用于汽車(chē)整車(chē)及汽車(chē)零部件、工程機(jī)械、軌道交通、低壓電器、電力、IC裝備、軍工、煙草、金融、醫(yī)藥、冶金及印刷出版等眾多行業(yè)，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛[5-6]。

4) 工業(yè)機(jī)器人與自動(dòng)化成套技術(shù)，融合了多項(xiàng)學(xué)科，涉及多項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域，包括工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)、機(jī)器人構(gòu)建有限元分析、激光加工技術(shù)、智能測(cè)量、建模加工一體化、工廠自動(dòng)化以及精細(xì)物流等先進(jìn)制造技術(shù)，技術(shù)綜合性強(qiáng)。

3國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求分析

據(jù)IFR統(tǒng)計(jì)，2008年全球新安裝工業(yè)機(jī)器人達(dá)11.3萬(wàn)套，銷(xiāo)售額62億美元，增長(zhǎng)7%左右，市場(chǎng)容量約為190億美元。2008年和2009年由于金融危機(jī)的影響，工業(yè)機(jī)器人需要量有所下滑。2010年工業(yè)機(jī)器人有了強(qiáng)勁的增長(zhǎng)，增長(zhǎng)額達(dá)到27%，達(dá)到7.6萬(wàn)套，2011年和2013年將有10%的增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2014年達(dá)到10萬(wàn)套。

目前我國(guó)市場(chǎng)上機(jī)器人完全國(guó)產(chǎn)化的僅為30%，其余皆為從日本、美國(guó)、瑞典、德國(guó)、意大利等20多個(gè)國(guó)家引進(jìn)。因此，工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)是一個(gè)有巨大需求的市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人需求很大！ABB、KUKA、安川、FANUC、川崎重工等，以及與機(jī)器人有關(guān)的元器件、部件公司，都看準(zhǔn)了中國(guó)這個(gè)市場(chǎng)，進(jìn)軍中國(guó)。國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(IRF)認(rèn)為我國(guó)是工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)增長(zhǎng)最快的國(guó)家之一。從工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展前景來(lái)看，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，已成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備而得到工業(yè)界廣泛應(yīng)用，從而也形成了一批在國(guó)際上較有影響力的、知名工業(yè)機(jī)器人公司。如德國(guó)的KUKA、瑞典的ABB、日本的安川等。據(jù)聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)和國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)的統(tǒng)計(jì)，2006年至2010年，世界機(jī)器人市場(chǎng)年增長(zhǎng)率平均在20%左右，2010年達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的35%，2010年全球機(jī)器人實(shí)際安裝量達(dá)到240萬(wàn)臺(tái)。

從工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用前景來(lái)看，工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。如在毛坯制造、機(jī)械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測(cè)及倉(cāng)庫(kù)堆垛等作業(yè)中，機(jī)器人都已逐步取代了人工作業(yè)。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究、發(fā)展與應(yīng)用，有力地推動(dòng)了世界工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步。例如焊接機(jī)器人在高質(zhì)、高效的焊接生產(chǎn)中，發(fā)揮了極其重要的作用，特別是近年來(lái)，我國(guó)在焊縫跟蹤、智能控制、信息傳感、周邊設(shè)備、離線編程與仿真技術(shù)、機(jī)器人弧焊電源與焊接工藝方法等方面進(jìn)行了大量的研究與應(yīng)用，取得了許多優(yōu)秀的成果；又例如裝配機(jī)器人在自動(dòng)裝配生產(chǎn)線，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，代替工人在嚴(yán)酷的環(huán)境中作業(yè)，產(chǎn)生了巨大的效益[7]。

我國(guó)正處于工業(yè)化過(guò)程中，生產(chǎn)手段必然要經(jīng)歷機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化、信息化的變革，工業(yè)制成品也將經(jīng)歷數(shù)量、品質(zhì)、柔性低成本的發(fā)展階段，目前制造業(yè)普遍需要技術(shù)和設(shè)備升級(jí)改造，以增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，提高經(jīng)濟(jì)效益，因此，我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展空間很大，市場(chǎng)前景美好。2010年全年我國(guó)進(jìn)口工業(yè)機(jī)器人邁向一個(gè)新臺(tái)階，進(jìn)口數(shù)量突破兩萬(wàn)臺(tái)，合計(jì)約6億美元。在我國(guó)，工業(yè)機(jī)器人的真正使用到現(xiàn)在已經(jīng)30多年，已基本實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)、引進(jìn)到自主開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)了我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展。隨著我國(guó)門(mén)戶的逐漸開(kāi)放，國(guó)內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將面對(duì)越來(lái)越大的競(jìng)爭(zhēng)與沖擊，因此，把握我國(guó)工業(yè)機(jī)器人研究的相關(guān)進(jìn)展十分重要[8]。

近幾年，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人及含工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化生產(chǎn)線和工程項(xiàng)目、相關(guān)產(chǎn)品的年產(chǎn)銷(xiāo)額已近5億元。現(xiàn)有機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用工程單位200多家，其中從事工業(yè)機(jī)器人研究和應(yīng)用的有75家，共開(kāi)發(fā)生產(chǎn)各類(lèi)工業(yè)機(jī)器人約3000多臺(tái)，90%以上用于生產(chǎn)，引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人做應(yīng)用工程的約1000多臺(tái)[9]。我國(guó)工業(yè)機(jī)器人經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展已在產(chǎn)業(yè)化的道路上邁開(kāi)了步伐。

4工業(yè)機(jī)器人核心部件研制的關(guān)鍵技術(shù)分析

一般的工業(yè)機(jī)器人由機(jī)械本體、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)、傳感器組件等幾個(gè)基本部分組成。機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)對(duì)其性能起著決定性作用，其核心部分主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面，高精度RV減速機(jī)、高性能交直流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器、穩(wěn)定的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。目前這些核心部件的研制關(guān)鍵技術(shù)在國(guó)內(nèi)仍然沒(méi)有具體掌握。

a) 高精度減速機(jī)

高精度機(jī)器人關(guān)節(jié)減速器產(chǎn)品主要依賴進(jìn)口，目前75%的市場(chǎng)被Nabtesco和Harmonic Drive公司壟斷。近年來(lái)國(guó)內(nèi)部分廠商和院校開(kāi)始致力高精度擺線針輪減速機(jī)的國(guó)產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化研究，在諧波減速機(jī)方面，國(guó)內(nèi)已有可替代產(chǎn)品，但是相應(yīng)產(chǎn)品在輸入轉(zhuǎn)速，扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，傳動(dòng)精度和效率方面與日本產(chǎn)品還存在不小的差距，工業(yè)機(jī)器人的成熟應(yīng)用還剛剛起步。高精度減速機(jī)研制的主要關(guān)鍵技術(shù)有：

1) 材料成型控制技術(shù)

RV減速機(jī)的減速齒輪應(yīng)具有高耐磨性以及高剛性才能保證其高精度，因此，對(duì)生產(chǎn)RV減速機(jī)的基本部件的材料具有很高的要求，尤其是體現(xiàn)在對(duì)材料化學(xué)元素、含量、金相組織控制，以及超常規(guī)熱處理工藝方面。

2) 特殊部件的加工技術(shù)

非標(biāo)特殊軸承是RV減速器的復(fù)雜精密機(jī)構(gòu)之一，要求軸承具有特殊的結(jié)構(gòu)。其間隙需根據(jù)減速器零部件加工尺寸動(dòng)態(tài)調(diào)整。這就要求特殊部件具有特殊的加工技術(shù)。如，為了結(jié)構(gòu)緊湊，薄壁角接觸球軸承精度要求較高。根據(jù)精密傳動(dòng)要求，加預(yù)緊力后軸承的游隙為零。

3) 精密裝配技術(shù)

由于工業(yè)機(jī)器人使用的RV減速器的減速比較大，其具有微進(jìn)給、無(wú)側(cè)隙、剛性高、承載較大扭矩的特點(diǎn)，這就要求在實(shí)際的產(chǎn)品裝配過(guò)程中，需要精密的裝配技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)，采用專用精密裝配夾具，利用成組工藝裝配技術(shù)，確保RV輸出軸側(cè)隙為零，同時(shí)具有額定的靜剛度。

b) 電機(jī)和高精度伺服驅(qū)動(dòng)器

高精度的伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器是實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的精密控制的重要保障，由于工業(yè)機(jī)器人對(duì)電機(jī)的特性有著特殊的要求，如相同的軸高，最大的功率輸出，高負(fù)載，瞬間力矩輸出響應(yīng)快速等，這就要求工業(yè)機(jī)器人應(yīng)使用專業(yè)的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。國(guó)外的工業(yè)機(jī)械臂均使用了機(jī)器人專用電機(jī)，其具有高效節(jié)能、可靠性強(qiáng)、噪音低、維護(hù)簡(jiǎn)單、安裝方便等特點(diǎn)，同時(shí)它體積小，輸出扭矩大，力矩變化響應(yīng)快，如日本安川的機(jī)器人專用電機(jī)，國(guó)內(nèi)目前還來(lái)研制出機(jī)器人專用的高性能電機(jī)，在高精度伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器研制過(guò)程中，有如下關(guān)鍵技術(shù)：

1) 快響應(yīng)伺服控制技術(shù)

目前機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動(dòng)均具有三環(huán)控制，即位置環(huán)，速度環(huán)和電流環(huán)。由于機(jī)器人專用電機(jī)對(duì)力矩變化響應(yīng)具有快速性的要求，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)環(huán)的深度控制是實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，即對(duì)電機(jī)的電流環(huán)直接控制。因此，其關(guān)鍵在電流環(huán)的干擾觀測(cè)和前饋補(bǔ)償算法的設(shè)計(jì)。基于綜合性能指標(biāo)優(yōu)化的預(yù)測(cè)控制方法，建立電機(jī)的內(nèi)部預(yù)測(cè)模型，以及內(nèi)部預(yù)測(cè)模型的閉環(huán)優(yōu)化策略是實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的伺服響應(yīng)的必經(jīng)途徑。

2) 在線參數(shù)自整定技術(shù)

在線參數(shù)自整定技術(shù)是針對(duì)工業(yè)應(yīng)用所提出的，目前伺服系統(tǒng)都具有該功能，主要是為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)功能，如關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，PID參數(shù)自整定等方面，參數(shù)自整定技術(shù)的關(guān)鍵在于在線優(yōu)化算法，通過(guò)不斷的在線參數(shù)優(yōu)化，辨識(shí)系統(tǒng)參數(shù)，其高級(jí)應(yīng)用在于，通過(guò)應(yīng)用在線慣量辨識(shí)算法，使得伺服驅(qū)動(dòng)器可以自動(dòng)判別工況變化，智能地調(diào)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)控制器的控制參數(shù)，根據(jù)不同工況實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的在線智能自適應(yīng)調(diào)整功能。

3) 高過(guò)載倍數(shù)，高轉(zhuǎn)速電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)

電磁設(shè)計(jì)上選用特殊極槽配合，避免由于斜槽或斜極對(duì)電機(jī)性能的削弱；結(jié)構(gòu)上采用特種薄型制動(dòng)器；轉(zhuǎn)子采用表貼磁鋼和分段式結(jié)構(gòu)，外加特殊鋼套。結(jié)構(gòu)采用表貼磁鋼；采用低損耗矽鋼片。完成這一系列的工序，需要具備高品質(zhì)的磨削技術(shù)和自動(dòng)化加工能力。

c) 機(jī)器人控制系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人的控制器開(kāi)發(fā)過(guò)程中，最顯著的問(wèn)題是工業(yè)機(jī)器人的操作系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性具有很高的要求，目前主流的工業(yè)機(jī)器人都是采用專門(mén)定制的運(yùn)動(dòng)控制卡，加上實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，這樣既保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸又能保證運(yùn)動(dòng)控制的精確執(zhí)行，大大提升了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而提升機(jī)器人的性能。

另外的一些機(jī)器人產(chǎn)品是采用工業(yè)PC搭載高速總線的級(jí)伺服控制系統(tǒng)，其控制PC采用的是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如，vxworks或者windows+RTX實(shí)時(shí)擴(kuò)展平臺(tái)保證軟件運(yùn)行環(huán)境的實(shí)時(shí)性，通過(guò)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制單元可以實(shí)現(xiàn)對(duì)總線式伺服驅(qū)動(dòng)器的控制，從而達(dá)到對(duì)機(jī)器人的精確控制。采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)搭建機(jī)器人控制系統(tǒng)是一個(gè)很好的解決方案，然而，其代價(jià)也是昂貴的，由于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的成本高，這很大程度上限制了國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

采用通用的操作系統(tǒng)消息處理機(jī)制的缺陷是不能滿足工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中高穩(wěn)定性和響應(yīng)快速性的要求，控制系統(tǒng)的上下位機(jī)之間進(jìn)行頻繁地通信，實(shí)時(shí)性必然會(huì)跟不上運(yùn)動(dòng)控制的要求，從而大大地降低了工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的可能。

5工業(yè)機(jī)器人發(fā)展中存在的問(wèn)題

目前，我國(guó)已經(jīng)能夠生產(chǎn)具有國(guó)際先進(jìn)水平的平面關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人、直角坐標(biāo)機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、搬運(yùn)碼垛機(jī)器人等一系列產(chǎn)品，不少品種已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小批量生產(chǎn)，但仍舊存在諸多問(wèn)題。主要表現(xiàn)在：

1) 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)零部件制造能力有待提高。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的核心零部件(如高精度伺服電機(jī)，諧波減速機(jī)，以及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))都依賴進(jìn)口，少量國(guó)產(chǎn)的零部件雖然可以用于工業(yè)機(jī)器人，但是對(duì)大負(fù)載的工業(yè)機(jī)器人零部件還是無(wú)能為力。

2) 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)理念不夠成熟。國(guó)內(nèi)的機(jī)器人生產(chǎn)大部分立足于功能的實(shí)現(xiàn)，在穩(wěn)定性方面的考慮目前和國(guó)外還有一定的差距。即國(guó)內(nèi)研制的工業(yè)機(jī)器人，性能不高。

3) 國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)秩序混亂，伴隨我國(guó)對(duì)工業(yè)機(jī)器人需求的迅猛增長(zhǎng)，多數(shù)企業(yè)看好工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)，大量企業(yè)蜂擁而上，并且企業(yè)實(shí)力良莠不齊，勢(shì)必造成國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的惡性競(jìng)爭(zhēng)；全國(guó)有近百家從事工業(yè)機(jī)器人研究生產(chǎn)的高校院所和企業(yè)，現(xiàn)行體制造成各家研究過(guò)于獨(dú)立封閉，機(jī)器人研究與研發(fā)分散，未能形成合力，同一技術(shù)重復(fù)研究，浪費(fèi)大量的研發(fā)經(jīng)費(fèi)和研發(fā)時(shí)間；多數(shù)企業(yè)熱衷于大而全，一些具有較好的機(jī)器人關(guān)鍵部件研發(fā)基礎(chǔ)的企業(yè)紛紛轉(zhuǎn)入機(jī)器人整機(jī)的生產(chǎn)，難以形成工業(yè)機(jī)器人研制、生產(chǎn)、制造、銷(xiāo)售、集成、服務(wù)等有序、細(xì)化的產(chǎn)業(yè)鏈。

6下一代工業(yè)機(jī)器人展望

盡管工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展至今技術(shù)已經(jīng)非常成熟，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)朝著智能化、重載、高精度、高速、網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化方向發(fā)展。在對(duì)絕對(duì)準(zhǔn)確有要求的機(jī)器人設(shè)計(jì)中，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，絕對(duì)精度可能會(huì)接近重復(fù)定位精度。通過(guò)材料技術(shù)的進(jìn)步，減輕驅(qū)動(dòng)器質(zhì)量，提高剛度，提高伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的平均功率比密度。由于離線訓(xùn)練技術(shù)和促進(jìn)機(jī)器人和人類(lèi)之間高效信息交換的接口技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的智能化水平得到進(jìn)一步提高。綜上所述，下一代工業(yè)機(jī)器人技術(shù)有如下特點(diǎn)：

1) 工業(yè)機(jī)器人除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，結(jié)合位置、力矩、力、視覺(jué)等信息反饋，柔順控制、力位混合控制、視覺(jué)伺服控制等方法在復(fù)雜工業(yè)作業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

2) 隨著工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用要求的提高，開(kāi)發(fā)類(lèi)人雙臂的冗余自由度機(jī)器人，完成類(lèi)似于人手臂的一系列動(dòng)作；研究基于高性能、低成本總線技術(shù)的控制和驅(qū)動(dòng)模式，提高控制系統(tǒng)開(kāi)放性，形成統(tǒng)一的工業(yè)機(jī)器人在各行業(yè)應(yīng)用的行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

3) 工業(yè)機(jī)器人的智能化、群體協(xié)調(diào)作業(yè)能力也應(yīng)加強(qiáng)，以滿足工業(yè)機(jī)器在生產(chǎn)流水線的應(yīng)用需要。面向機(jī)器人和操作員混合作業(yè)，以及多機(jī)器人協(xié)調(diào)工作將是機(jī)器人的又一發(fā)展方向。

4) 工業(yè)機(jī)器人通過(guò)人機(jī)交互方式建立模擬仿真環(huán)境，研發(fā)工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)/離線編程技術(shù)，增強(qiáng)人機(jī)交互和二次開(kāi)發(fā)能力，解決機(jī)器人示教難的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)以傳感器融合、虛擬現(xiàn)實(shí)與人機(jī)交互為代表的智能化技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人上的可靠應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與人的共生共融將是下一代工業(yè)機(jī)器人重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

7結(jié)論

目前工業(yè)機(jī)器人迎來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，招工難用工難，企業(yè)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)和效率提升的要求，促使工業(yè)機(jī)器人有著巨大的市場(chǎng)和應(yīng)用前景，但是我國(guó)的機(jī)器人發(fā)展還存在著一系列的問(wèn)題。這些問(wèn)題的解決還需要我國(guó)企業(yè)與科研單位深入合作，解決包括材料、工藝、控制與機(jī)械設(shè)計(jì)在內(nèi)的一系列問(wèn)題。通過(guò)企業(yè)和市場(chǎng)的拉動(dòng)，真正解決工業(yè)機(jī)器人核心與應(yīng)用的共性技術(shù)問(wèn)題，才能使得我國(guó)機(jī)器人趕上或超越國(guó)外的水平。

參考文獻(xiàn):

[1] JETRO. New Possibilities for Japan’sRobot Industry [J]. Japan’s E-conomicMonthly, February 2006,1:4.

[2] 陳春,孫成權(quán).日本第三期科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃內(nèi)容要點(diǎn)[EB/OL]. http: //www. cao. go. jp/cstp/siryo/haihu53/siryo1-1.pdf.

[3] Masa Y. M. Trends inRobotics andGovernmentsView for Standardization[EB/OL]. Project Coordinator, Machinery SystemTechnologyDevelopmentDept. NEDO, Japan, 2007.

[4] Torgny B, Present and future robot control development—An industrial perspective[J]. Annual Reviews in Control 2007(31): 69-79.

[5] 梁一新,劉凱. 促進(jìn)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的戰(zhàn)略思考[J]. 現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì), 2013:28-33

[6] 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用編輯部, 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用, 2013: 1-6,.

[7] 李瑞峰. 中國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略[J]. 航空制造技術(shù), 2010(09): 32-38.

[8] 孫英飛,羅愛(ài)華. 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2012(12): 2912-2918.

[9] Fang J, Zhao J H, He F, etc, Design and Research of Three-Layers Open Architecture Model for Industrial Robot Software System[C]. Proceedings of 2013 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, Takamatsu, Japan, 2013, 104-109.

The Development and the Application of the Industrial Robot Technology

LUO Min-zhou1, FANG Jian2, ZHAO Jiang-hai1

(1. Institute of Advanced Manufacturing Technology, Changzhou 213164, China;

2. University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China)

Abstract:We first present the development history of the industrial robot simply. Based on the developing trends of the industrial robot in the next decade, we also indicate that the robot industry will become the fastest growing industry in the equipment manufacturing industry. In addition, the reason of the huge demand of the robot in the industrial market is also analyzed. Besides, the deeply reason that the industrial robot will inevitably become an explosive growth is discussed directly. Based on these descriptions, the classification and its application of the industrial robot are also introduced clearly. Subsequently, the serious problems which restrict our country’s robot development are depicted from the view of the robot key technology and basic components. Conclusively, the trends of the industrial robot development and thestructure of the next generation of robotsare also proposed at the end of this paper and the development path and the development core are also predicted at the end of this paper.

Keywords:industrial robot; demand of the market; key technology; existence problem; next generation of industrial robot

收稿日期：2014-12-05

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-5276(2014)06-0001-04

作者簡(jiǎn)介：駱敏舟(1973-)，男，安徽肥東人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域：仿生與智能機(jī)器人、機(jī)電一體化。江蘇省機(jī)器人與智能裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事長(zhǎng)，《International Journal Of Information Acquisiton》雜志編委，中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)智能機(jī)器人專業(yè)委員會(huì)委員、中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)智能機(jī)器人專業(yè)委員會(huì)委員，國(guó)家自然基金委員會(huì)網(wǎng)評(píng)專家、國(guó)家發(fā)改委機(jī)器人領(lǐng)域評(píng)審專家；《ROBOTICA》、《中國(guó)機(jī)械工程》、《機(jī)器人》、《北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)》、《傳感技術(shù)學(xué)報(bào)》、《中國(guó)激光》等期刊評(píng)審專家。獲得全國(guó)五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)隆不帐】萍歼M(jìn)步三等獎(jiǎng)、中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)獎(jiǎng)等。近五年主持參加多項(xiàng)國(guó)家科技計(jì)劃、國(guó)家自然基金、中科院、省市各級(jí)項(xiàng)目；共發(fā)表論文128篇，其中SCI收錄14篇，EI收錄36篇；申請(qǐng)或獲得發(fā)明專利37項(xiàng)；軟件登記8項(xiàng)。在spring出版社合作出版《Grasping in robotics》英文專著等。