仲雪偉，周佳偉，王東麗

（沈陽工學院，遼寧 撫順 113122）

工業(yè)機器人包含各種各樣先進的技術，在生產領域中具有非常廣泛的發(fā)展前景。工業(yè)機器人制造時，要融入多項學科知識，既要考慮生產工業(yè)的需求，融入先進的計算機技術，又要融入機電技術與電氣技術。隨著人們對工業(yè)生產的要求日益提升，傳統(tǒng)的工業(yè)領域需融入先進的網(wǎng)絡技術，因此為提高生產效率，使生產邁向標準化方向，要加強對工業(yè)機器人的研究和開發(fā)。

1 工業(yè)機器人技術的發(fā)展概述

1.1 早期發(fā)展情況

工業(yè)機器人概念于20 世紀30 年代被提出——《麥卡諾》雜志刊登了一款搬運機器人模型，該模型由電動機和機械結構組成，可以搬運一定質量的貨物。在20 世紀50 年代，Unimation 公司研制出全世界首款數(shù)字化可編程的工業(yè)機器人，將其命名為Unimat。該款工業(yè)機器人使用液壓驅動，以示教再現(xiàn)形式生成程序，其定位精度達到0.000 254cm，被用于開展工件搬運工作，得到了GKN、日本川崎重工等企業(yè)的廣泛使用[1]。隨著科技水平的不斷提高，工業(yè)機器人的使用功能日益豐富，如1969 年研制的全電動6 軸鉸接機器人“斯坦福機械臂”，其可以對機械臂運動路徑進行靈活調整。1973 年研制出的世界首款搭載微處理器的IRB 6工業(yè)機器人，被瑞典Mag-nusson 公司大規(guī)模采購并被用于磨拋加工襯管彎頭。之后，工業(yè)機器人應用領域被拓寬至汽車制造、冶金、金屬筑造等行業(yè)領域，替代人工完成復雜作業(yè)。

1.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀

我國最早于20 世紀70 年代開展工業(yè)機器人研發(fā)工作，前期處于自行摸索階段，受到工藝技術和經(jīng)驗限制并未取得顯著成果。從80 年代起，隨著相關政策的傾斜，我國進一步加大對工業(yè)機器人技術的研發(fā)力度，提出“863”“九·五”等技術發(fā)展計劃，并取得了重大技術突破[2]。截至目前，我國已建立起完善產業(yè)鏈，在沈陽、昆山、上海、徐州等城市建立工業(yè)機器人產業(yè)基地，能批量化生產具有自主知識產權的工業(yè)機器人。

1.3 未來發(fā)展趨勢

隨著生產工藝的不斷發(fā)展，人們在大幅提高工業(yè)生產效率及質量的同時，對工業(yè)機器人的使用功能與性能也提出了更為嚴格的要求，早期所研制的工業(yè)機器人難以滿足實際工業(yè)生產需求。在這一時代背景下，相關企業(yè)紛紛加大對工業(yè)機器人技術的研發(fā)力度，將高精度化、智能化、自動化作為工業(yè)機器人的未來發(fā)展趨勢。

1.3.1 一體化

將工業(yè)機器人制造技術范圍涵蓋精密化、智能化、柔性化等方面，將多項使用功能集成為一體，致力于全面提高工業(yè)機器人品質、產量并減少成本。

1.3.2 智能化

運用人工智能技術構建專家知識庫，要求工業(yè)機器人模擬人類思維方式來解決工業(yè)生產期間出現(xiàn)的問題，在無人工干預前提下自動做出并實施正確決策，如自動設定和優(yōu)化軌跡路徑，滿足精細化加工和柔性生產需求。

1.3.3 全自動化

在生產線上配置多種類工業(yè)機器人和配套自動化設備，由工業(yè)機器人替代各人工崗位，實現(xiàn)全自動化生產目標。同時，憑借工業(yè)機器人較高的智能化程度以及機器人控制與通信技術的創(chuàng)新優(yōu)化，將工業(yè)機器人個體控制模式轉換為相互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同控制模式。

2 工業(yè)機器人技術的進展

2.1 機械結構

將機械結構作為劃分標準，可以將工業(yè)機器人分為并聯(lián)機器人以及串聯(lián)機器人兩大類。串聯(lián)機器人使用串聯(lián)機械機構，配置電機與減速器進行驅動，將旋轉關節(jié)作為驅動力作用點，在單個軸運行過程中并不會對其他軸坐標原點造成影響；并聯(lián)機器人的機械結構則由2 個及以上獨立的運動鏈加以連接，結構具有2 個及以上的自由度，以并聯(lián)方式驅動。相比較而言，串聯(lián)機器人的位置正解操作較為簡單，但位置反解較為困難；而并聯(lián)機器人的反解簡單但正解困難，具有微動精度高、剛度大、運動負荷小等優(yōu)勢[3]。

2.2 驅動系統(tǒng)

2.2.1 液壓驅動

液壓驅動方式主要被用于早期研制的工業(yè)機器人，如Unimate 機器人，其具有低速不穩(wěn)定、容易泄壓、產生運行噪聲等缺點，且功率單位換算復雜，當前僅在少量大型重載工業(yè)機器人和并聯(lián)加工機器人中得以應用，如我國青島華東工程機械公司研制的全液壓重載機器人。為突破液壓驅動方式的應用局限性，美國波士頓動力公司在研制的BigDog 四足機器人中，選擇在結構中設置1 個變量活塞泵，在發(fā)動機驅動下對16 個液壓執(zhí)行器輸出油壓，將系統(tǒng)油路并聯(lián)的16 個子液壓執(zhí)行器響應頻率控制在500Hz，以此滿足機器人關節(jié)快速定位需求，并配置高密度驅動裝置和高性能伺服裝置，維持機器人力和扭矩的平穩(wěn)輸出，從而克服沖擊荷載、機械部位形變對機器人造成的影響[4]。

2.2.2 電機驅動

對于驅動方式，不同電機種類的適用范圍有所不同。例如，直流伺服電機主要被用于高精度要求的工業(yè)機器人配置，采取閉環(huán)控制方式；直線電機被用于超高速或超低速的工業(yè)機器人，具有高加速度、無空回、結構簡單、磨損小的優(yōu)勢，且主要被用于并聯(lián)機器人中，有效滿足了并聯(lián)機器人的直線驅動需求。

2.2.3 氣壓驅動

與液壓驅動和電機驅動方式相比，氣壓驅動有著維修簡單、驅動速度快、成本低廉的優(yōu)勢。但從工業(yè)機器人實際運行情況來看，氣壓系統(tǒng)的工作壓強有待提升，機器人難以在短時間內做到精準定位，致使氣壓驅動方式的應用范圍較為單一，主要被用作機器人某端執(zhí)行器的驅動方式，負責開展中小負荷工件抓取等簡單工作。

2.3 感知系統(tǒng)

在工業(yè)機器人整體結構中，感知系統(tǒng)負責對其所處環(huán)境情況和內部狀態(tài)進行感知，將所采集的現(xiàn)場信號轉換為可識別的數(shù)字信號并進行分析處理，生成具體的參數(shù)信息，如相關機械量、力矩、位移量、加速度等。從技術研發(fā)情況來看，多數(shù)工業(yè)機器人均采取視覺伺服技術，基于圖像或是其所處位置的視覺伺服，將視覺信號作為反饋信號，全面感知機器人內部狀態(tài)與外部環(huán)境，根據(jù)感知情況調整工業(yè)機器人的姿態(tài)及位置。例如，在工業(yè)機器人中搭載攝像機，在所獲取圖像資料的基礎上采集有效的感知參數(shù)，確定末端執(zhí)行器姿態(tài)和位置間的映射關系，將位置姿態(tài)誤差值作為決策依據(jù)，機器人持續(xù)計算三維位置姿態(tài)信息，調整各關節(jié)姿態(tài)參數(shù)和位置，實現(xiàn)末端控制器的閉環(huán)控制。

2.4 運動規(guī)劃

工業(yè)機器人運動規(guī)劃系統(tǒng)的作用在于，根據(jù)已知信息與現(xiàn)場情況合理規(guī)劃機器人的運動路徑，保證運動路徑和各類障礙物間的安全間距，在軌跡規(guī)劃中添加時間序列信息，將加速度平方相對于運動時間的積分作為目標函數(shù)，確保工業(yè)機器人可以在預定時間內完成作業(yè)任務，且各關節(jié)運動光滑。目前，大部分工業(yè)機器人均采取示教技術進行運動規(guī)劃，工作人員在操作空間內進行示教展示，并對示教結果進行記錄。如此，機器人在運行期間可以直接從數(shù)據(jù)庫中調取示教結果，按順序開展對應動作即可。

3 工業(yè)機器人技術的具體應用

3.1搬運機器人

在工業(yè)生產中，搬運機器人主要負責替代人工搬運生產原材料與產品，在生產線中構建高效的物流線，具有搬運效率高、可在狹窄復雜環(huán)境工作、搬運速度快、高精度拾放的優(yōu)勢。例如，ABB 公司所研制的IRB7600 六軸機器人的極限承載力達到650kg，被用于開展重型零部件起吊與車身轉動等作業(yè)；日本川崎重工研制的MX700N 六軸機器人采取垂直多關節(jié)結構，極限搬運重量高達700kg，單次可搬運大量工件，且該款機器人的下半部轉動半徑和影響范圍較小，具備在狹窄空間開展搬運作業(yè)的條件。

3.2 打磨拋光機器人

打磨拋光機器人被用于替代人工開展工件精密加工和打磨拋光作業(yè)，有效減少了人為因素對工件加工精度和成品質量造成的影響，且打磨拋光機器人可切實滿足不同形狀機械零件的加工需求。例如，可選擇采取機械人夾持被加工工件緩慢貼近砂帶等加工工具的打磨拋光方式，也可采取機器人夾持加工工具緩慢貼近機械零件的打磨拋光方式。

3.3 縫紉機器人

在傳統(tǒng)縫紉生產模式中，縫紉過程較為復雜精密，對工作人員的專業(yè)素養(yǎng)有著極高要求，需要企業(yè)投入大量的人力資源，導致縫紉成本居高不下。應用新型縫紉機器人的過程中，所配置工業(yè)機器人具有精準定位、環(huán)境感知等功能，可以在極短時間內識別縫紉位置，控制末端執(zhí)行器完成移動布料等作業(yè)，完成自動化生產目標。縫紉機器人如圖1 所示。此外，隨著科技水平的不斷提高，3D 打印技術在縫紉機器人方面得到廣泛應用。例如，我國中船重工716 所聯(lián)合寧波慈星公司研制的3D 縫紉機器人，在汽車內飾生產領域得到應用普及，可以對汽車內飾皮革開展空間自動化縫紉作業(yè)，取得了良好的縫合效果。

圖1 縫紉機器人

4 結束語

綜上所述，當前我國已成為全球最大的工業(yè)機器人市場，且制造業(yè)對工業(yè)機器人呈現(xiàn)出極為旺盛的應用需求。在這一時代背景下，相關企業(yè)必須加大對工業(yè)機器人技術的研發(fā)力度，克服工業(yè)機器人在發(fā)展期間暴露出的各項技術難題，推動工業(yè)機器人技術的擬人化、智能化、自動化與一體化發(fā)展，以此改變工業(yè)生產方式，使工業(yè)機器人可為工業(yè)生產提供更多保障，為企業(yè)帶來無限發(fā)展空間。