喬寧寧

（山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 晉中 030619）

0 引言

在我國社會經(jīng)濟(jì)水平以及科學(xué)技術(shù)水平不斷提高的背景下，越來越多的新興科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于社會生產(chǎn)生活中。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是我國當(dāng)前著重發(fā)展的一種新型科技，其融合了多行業(yè)領(lǐng)域知識科技，具有多種優(yōu)勢優(yōu)點(diǎn)，將其充分應(yīng)用于我國工業(yè)生產(chǎn)中，能夠發(fā)揮出其功能與價值，推動我國工業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。因此，文章對工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行分析研究，有著重要的價值和現(xiàn)實(shí)的意義[1]。

1 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)早期發(fā)展現(xiàn)狀

通常情況下，工業(yè)機(jī)器人這一概念最早出現(xiàn)于上世紀(jì)30年代，在此概念出現(xiàn)后，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)長期處于緩慢發(fā)展的狀態(tài)，至上世紀(jì)50年代，Unimation研制了一款名為Unimat的工業(yè)機(jī)器人，這也是世界上第一款數(shù)字化可編程工業(yè)機(jī)器人，該機(jī)器人選擇了液壓驅(qū)動，并以示教再現(xiàn)方式來生成程序，其具有比較高的定位精度，能夠大大提高工件搬運(yùn)效率。如今，隨著全球科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，提高了對工業(yè)機(jī)器人的需求量，當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)能夠通過機(jī)械臂對其運(yùn)動路徑進(jìn)行靈活調(diào)整，實(shí)現(xiàn)多種行動與操作，在此情況下，極大地拓展了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍，如在金屬筑造、冶金、汽車制造等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，并取得了比較理想的應(yīng)用效果[2-3]。

1.2 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

早在上世紀(jì)70年代我國就加大了工業(yè)機(jī)器人研發(fā)力度，但是因?yàn)槭芙?jīng)驗(yàn)、資金、工藝技術(shù)以及人才等因素的限制，研發(fā)情況并未取得良好的效果，研發(fā)進(jìn)度較為緩慢。80年代后，基于國家政策支持，大大的推動了工業(yè)機(jī)器人研究力度，諸如“863”、“九·五”等技術(shù)發(fā)展計(jì)劃均在一定程度上促進(jìn)了我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究發(fā)展，使工業(yè)機(jī)器人技術(shù)取得了比較明顯的技術(shù)突破。同時，我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)整體研究研發(fā)呈現(xiàn)出快速進(jìn)步的態(tài)勢，就目前而言，我國現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，并逐漸在上海、沈陽、徐州、昆山等城市進(jìn)行了工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)基地建設(shè)，其不僅可以實(shí)現(xiàn)對工業(yè)機(jī)器人的批量化生產(chǎn)，而且還可以進(jìn)一步帶動我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得知，從2013年開始中國工業(yè)機(jī)器人市場進(jìn)入快速發(fā)展階段，而在2017年、2018年增長率呈現(xiàn)下降趨勢，與2019年下半年實(shí)現(xiàn)增速由負(fù)轉(zhuǎn)正，但是全年出貨量同比下滑3.5%，預(yù)計(jì)2020年中國工業(yè)機(jī)器人出貨量將會創(chuàng)出新高，增速超過10%。

1.3 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)未來發(fā)展趨勢

基于信息化時代背景下，推動了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，同時也提高了工業(yè)機(jī)器人的使用需求，并對工業(yè)機(jī)器人的性能與功能提出了更多要求。因此，我國相關(guān)企業(yè)開始加大對工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)力度，以高精度化、高智能化作為工業(yè)機(jī)器人技術(shù)未來發(fā)展的目標(biāo)與趨勢。高精度化要求的前提是需要保證工業(yè)機(jī)器人技術(shù)擁有較高的智能化、一體化程度，并隨著科學(xué)技術(shù)點(diǎn)發(fā)展在未來逐漸朝著柔性化、精密化等的方向發(fā)展，以此將更多的技術(shù)融合于工業(yè)機(jī)器人中，這樣既可以提高工業(yè)機(jī)器人的整體水平和性能，還可以降低工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)成本，進(jìn)而有效推動該行業(yè)的發(fā)展。通常情況下，在工業(yè)機(jī)器人中融入多項(xiàng)技術(shù)可以提高其一體化水平，能夠幫助提高工業(yè)機(jī)器人操作活動的精度。智能化趨勢是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在未來發(fā)展中最為核心的重要的一個發(fā)展方向，充分借助人工智能技術(shù)來有效構(gòu)建專家知識庫，并在工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行程序中植入專家知識庫，以確保工業(yè)機(jī)器人能夠直觀、形象地模擬人類思維方式，由此來開展相關(guān)操作，進(jìn)而使工業(yè)生產(chǎn)中所遇到的問題得到有效解決。

2 工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵零部件分析

2.1 機(jī)器人本體

工業(yè)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)主要是由機(jī)械傳動系統(tǒng)和機(jī)體結(jié)構(gòu)兩部分組成，其屬于機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和支承基礎(chǔ)。其中，國產(chǎn)品牌機(jī)器人價值量占比低于銷量占比，主要由于現(xiàn)階段國內(nèi)企業(yè)仍然以主打性價比的中低端市場為主。

2.2 減速器

在工業(yè)機(jī)器人中，減速器是比較重要的中間裝置，其負(fù)責(zé)連接動力源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并通過輸入軸上的小齒輪嚙合將高速運(yùn)轉(zhuǎn)的動力（內(nèi)燃機(jī)、電動機(jī)）傳輸至軸上的大齒輪，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)減速的效果，同時還能夠傳遞更大的轉(zhuǎn)矩。因?yàn)闇p速機(jī)是純精密機(jī)械部件，因此除了回轉(zhuǎn)精度要求特別高外，還需要剛度和疲勞強(qiáng)度高，對材料和工藝水平要求高。在工業(yè)機(jī)器人中，減速器是技術(shù)壁壘最高的關(guān)鍵部件，根據(jù)結(jié)構(gòu)差異可以分為諧波齒輪減速器、精密行星減速器、RV減速器、擺線針輪行星減速器以及濾波齒輪減速器。

2.3 伺服系統(tǒng)

通常情況下，機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動需要依賴于伺服系統(tǒng)，而且機(jī)器人的關(guān)節(jié)越多，則對其精準(zhǔn)度和柔性提出了越高的要求，進(jìn)而增加了伺服電機(jī)的數(shù)量。工業(yè)機(jī)器人對伺服系統(tǒng)提出了比較高的要求，如快速響應(yīng)、調(diào)速范圍寬、動轉(zhuǎn)矩慣量比大以及高起動轉(zhuǎn)矩，同時要盡可能確保工業(yè)機(jī)器人重量輕、體積小，而且要求加減速運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。伺服電機(jī)一般涵蓋了交流伺服系統(tǒng)和直流伺服，其中前者由于具有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量比高、換向火花及無電刷等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人中。

2.4 控制器

在工業(yè)機(jī)器人中，控制器屬于核心大腦，其將會對機(jī)器人功能和性能產(chǎn)生決定性的影響，主要任務(wù)是對工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動位置、軌跡、姿態(tài)以及動作時間、操作順序等進(jìn)行有效控制。隨著國產(chǎn)機(jī)器人的快速發(fā)展，未來幾年機(jī)器人控制器將迎來良好的發(fā)展契機(jī)。當(dāng)前每臺工業(yè)機(jī)器人20萬元，按照控制器成本占比約15%，可測算出每臺工業(yè)機(jī)器人對應(yīng)的控制器市場需求。

3 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)分析

3.1 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

對工業(yè)機(jī)器人而言，以機(jī)械結(jié)構(gòu)為主要標(biāo)準(zhǔn)劃分為串聯(lián)和并聯(lián)機(jī)器人，前者采用了串聯(lián)機(jī)械機(jī)構(gòu)，主要是通過減速器和電機(jī)來為其提供驅(qū)動，并選擇旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)為該過程中的作用點(diǎn)，這樣一來在單一軸運(yùn)行運(yùn)轉(zhuǎn)階段不會對其他軸坐標(biāo)原點(diǎn)產(chǎn)生任何影響。而并聯(lián)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)涉及兩個及以上獨(dú)立運(yùn)動鏈，且擁有大于兩個的自由度，通過并聯(lián)方式來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動的效果。將兩種工業(yè)機(jī)器人類型進(jìn)行對比得知，雖然串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人操作起來相對比較簡單，然而其位置反解操作具有比較大的難度，而并聯(lián)工業(yè)機(jī)器人位置反解較為簡單，但是位置正解較為困難，具有微動精度較高、剛度大一級運(yùn)動負(fù)荷小等優(yōu)勢。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，需要根據(jù)不同工業(yè)生產(chǎn)的需求選擇不同類型工業(yè)機(jī)器人。

3.2 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)

當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)主要有三種類型，分別為液壓驅(qū)動、電機(jī)驅(qū)動以及氣壓驅(qū)動，其中液壓驅(qū)動方式多出現(xiàn)在早期工業(yè)機(jī)器人中，在實(shí)際應(yīng)用階段存在低速穩(wěn)定性差、運(yùn)行噪聲大及泄壓明顯等相關(guān)問題，同時功率單位換算具有相對比較復(fù)雜的流程。如今，隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，極大地推動了液壓驅(qū)動類型機(jī)器人發(fā)展，且不斷有相關(guān)研究企業(yè)取得了良好的研究進(jìn)展，逐步克服液壓驅(qū)動中沖擊荷載大、機(jī)械部位形變對機(jī)器人影響大等問題與不足。電機(jī)驅(qū)動是液壓驅(qū)動之后出現(xiàn)的一種機(jī)器人驅(qū)動方式，并且不同電機(jī)種類所具有的應(yīng)用范圍不同。例如，直流伺服電機(jī)采用了閉環(huán)控制方式，并且被廣泛應(yīng)用在高精度工業(yè)機(jī)器人中，而直流電機(jī)則主要被用于超高速或超低速工業(yè)機(jī)器人中，具有結(jié)構(gòu)簡單、磨損小、高加速度等優(yōu)勢。

3.3 工業(yè)機(jī)器人感知系統(tǒng)

在工業(yè)機(jī)器人中，感知系統(tǒng)發(fā)揮著不可替代的作用，其一般是對工業(yè)機(jī)器人所處環(huán)境和內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)給予更加真實(shí)的感知，并將收集的信號按照一定的方式轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，以確保機(jī)器人程序可以識別，隨后生成相對應(yīng)的參數(shù)信息。當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人技術(shù)大部分采用視覺伺服技術(shù)，其一般是將視覺信號作為反饋信號，以實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行狀態(tài)的全面感知，并結(jié)合感知情況來對其姿態(tài)、位置等進(jìn)行實(shí)時調(diào)整[4]。

3.4 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃

工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃系統(tǒng)的主要功能與作用是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人感知系統(tǒng)所獲得的現(xiàn)場信息來對機(jī)器人運(yùn)動路徑給予科學(xué)、合理的規(guī)劃，以此來確保機(jī)器人運(yùn)動路徑與障礙物之間能夠保持安全距離，并提高工業(yè)機(jī)器人操作行動的高精度性，保障工業(yè)機(jī)器人能夠在工業(yè)生產(chǎn)中充分發(fā)揮其功能與作用。

4 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)具體應(yīng)用

當(dāng)前我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)具體應(yīng)用主要有搬運(yùn)機(jī)器人、縫紉機(jī)器人、打磨拋光機(jī)器人等。其中，搬運(yùn)機(jī)器人可以取代人工來實(shí)現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)原材料及產(chǎn)品的及時、高效搬運(yùn)。在生產(chǎn)線中，通過搬運(yùn)機(jī)器人的工作適應(yīng)性強(qiáng)、搬運(yùn)精度高、搬運(yùn)速度快等優(yōu)勢來構(gòu)建高效的物流線，搬運(yùn)機(jī)器人能夠在狹窄空間對大質(zhì)量產(chǎn)品進(jìn)行搬運(yùn)，不僅能夠提高搬運(yùn)效率，也能夠提高搬運(yùn)的安全性。打磨拋光機(jī)器人主要作用是代替人工進(jìn)行工件打磨拋光與精密加工，這樣不僅可以降低人為因素對工件加工質(zhì)量和精度產(chǎn)生的影響，而且還能夠使打磨拋光整體水平得到提升，進(jìn)而使其符合不同形狀機(jī)械零件質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)?？p紉機(jī)器人是一種新型的工業(yè)機(jī)器人，在傳統(tǒng)縫紉生產(chǎn)過程中，縫紉過程相對比較復(fù)雜，而且涉及的內(nèi)容比較多，這樣就對縫紉工作人員的專業(yè)知識和技能提出了較高要求，傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人難以滿足縫紉工作需求。而新型縫紉機(jī)器人則針對縫紉工作進(jìn)行了優(yōu)化，其具有高精度定位、高水平、環(huán)境感知等功能，能夠在短時間內(nèi)對縫紉位置進(jìn)行準(zhǔn)確識別和定位，進(jìn)而有效提高其生產(chǎn)水平。

5 結(jié)語

綜上所述，在我國成為全球最大工業(yè)機(jī)器人市場，工業(yè)生產(chǎn)對工業(yè)機(jī)器人需求不斷增加的背景下，對工業(yè)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行分析研究，十分關(guān)鍵且重要。文章對工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行多方面分析研究，對工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展歷程、技術(shù)內(nèi)容、機(jī)器人結(jié)構(gòu)及應(yīng)用形式等給予歸納和總結(jié)，以期更好地推動我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)步，提高工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用水平，推動工業(yè)良好發(fā)展。