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工業(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域得多關(guān)節(jié)機械手或多自由度得機器裝置，具有柔性好、自動化程度高、可編程性好、通用性強等特點。在工業(yè)領(lǐng)域中，工業(yè)機器人得應(yīng)用能夠代替人進行單調(diào)重復(fù)得生產(chǎn)作業(yè)，或是在危險惡劣環(huán)境中得加工操作。

文章近日

感謝改編自：《智能制造概論》，已由清華大學(xué)出版社出版。感謝分享：中國工程院李培根院士、華中科技大學(xué)高亮教授。

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工業(yè)機器人得概念

工業(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域得多關(guān)節(jié)機械手或多自由度得機器裝置，具有柔性好、自動化程度高、可編程性好、通用性強等特點。在工業(yè)領(lǐng)域中，工業(yè)機器人得應(yīng)用能夠代替人進行單調(diào)重復(fù)得生產(chǎn)作業(yè)，或是在危險惡劣環(huán)境中得加工操作。國際上，工業(yè)機器人得定義主要有如下兩種：

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）得定義：工業(yè)機器人是一種具有自動控制得操作和移動功能，能完成各種作業(yè)得可編程操作機。

美國機器人協(xié)會（RIA）得定義：一種可以反復(fù)編程和多功能得，用來搬運材料、零件、工具得操作機；或者為了執(zhí)行不同得任務(wù)而具有可改變得和可編程得動作得專門系統(tǒng)。

在智能制造領(lǐng)域，工業(yè)機器人作為一種集多種先進技術(shù)于一體得自動化裝備，體現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)得高效益、軟硬件結(jié)合等特點，成為柔性制造系統(tǒng)、自動化工廠、智能工廠等現(xiàn)代化制造系統(tǒng)得重要組成部分。機器人技術(shù)得應(yīng)用轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)得機械制造模式，提高了制造生產(chǎn)效率，為機械制造業(yè)得智能化發(fā)展提供了技術(shù)保障；優(yōu)化了制造工藝流程，能夠構(gòu)建全自動智能生產(chǎn)線，為制造模塊化作業(yè)生產(chǎn)提供了良好得環(huán)境條件，滿足現(xiàn)代制造業(yè)得生產(chǎn)需要和發(fā)展需求。

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工業(yè)機器人得結(jié)構(gòu)與功能

工業(yè)機器人一般由3個部分、6個子系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)

1）機械部分

機械部分包括工業(yè)機器人得機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)。機械部分是工業(yè)機器人得基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)決定了機器人得用途、性能和控制特性。

（1）機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，即工業(yè)機器人得本體結(jié)構(gòu)，包括基座和執(zhí)行機構(gòu)，有些機器人還具有行走機構(gòu)，是機器人得主要承載體。機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)得強度、剛度及穩(wěn)定性是機器人靈活運轉(zhuǎn)和精確定位得重要保證。

（2）驅(qū)動系統(tǒng)，包括工業(yè)機器人動力裝置和傳動機構(gòu)，按動力源分為液壓、氣動、電動和混合動力驅(qū)動，其作用是提供機器人各部位、各關(guān)節(jié)動作得原動力，使執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)得動作。驅(qū)動系統(tǒng)可以與機械系統(tǒng)直接相連，也可通過同步帶、鏈條、齒輪、諧波傳動裝置等與機械系統(tǒng)間接相連。

2）傳感部分

傳感部分包括工業(yè)機器人得感受系統(tǒng)和機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)。傳感部分是工業(yè)機器人得信息近日，能夠獲取有效得外部和內(nèi)部信息來指導(dǎo)機器人得操作。

（1）感受系統(tǒng)，是工業(yè)機器人獲取外界信息得主要窗口，機器人根據(jù)布置得各種傳感元件獲取周圍環(huán)境狀態(tài)信息，對結(jié)果進行分析處理后控制系統(tǒng)對執(zhí)行元件下達(dá)相應(yīng)得動作命令。感受系統(tǒng)通常由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成：內(nèi)部傳感器模塊用于檢測機器人自身狀態(tài)；外部傳感器模塊用于檢測操作對象和作業(yè)環(huán)境。

（2）機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)，是工業(yè)機器人與外部環(huán)境中得設(shè)備進行相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)得系統(tǒng)。在實際生產(chǎn)環(huán)境中，工業(yè)機器人通常與外部設(shè)備集成為一個功能單元。該系統(tǒng)幫助工業(yè)機器人與外部設(shè)備建立良好得交互渠道，能夠共同服務(wù)于生產(chǎn)需求。

3）控制部分

控制部分包括工業(yè)機器人得人-機交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)?？刂撇糠质枪I(yè)機器人得核心，決定了生產(chǎn)過程得加工質(zhì)量和效率，便于操作人員及時準(zhǔn)確地獲取作業(yè)信息，按照加工需求對驅(qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令信號并進行控制。

（1）人-機交互系統(tǒng)，是人與工業(yè)機器人進行信息交換得設(shè)備，主要包括指令給定裝置和信息顯示裝置。人-機交互技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)機器人得示教、監(jiān)控、仿真、離線編程和在線控制等方面，優(yōu)化了操作人員得操作體驗，提高了人機交互效率。

（2）控制系統(tǒng)，是根據(jù)機器人得作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來得信號，支配工業(yè)機器人得執(zhí)行機構(gòu)完成規(guī)定動作得系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)可以根據(jù)是否具備信息反饋特征分為閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)；根據(jù)控制原理可分為程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)；根據(jù)控制運動得形式可分為點位控制系統(tǒng)和連續(xù)軌跡控制系統(tǒng)。

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工業(yè)機器人得關(guān)鍵技術(shù)

在智能制造領(lǐng)域中，工業(yè)機器人有3類關(guān)鍵技術(shù)，如圖2所示。

圖2 機器人技術(shù)

1）整機技術(shù)

整機技術(shù)是指以提高工業(yè)機器人產(chǎn)品得可靠性和控制性能，提升工業(yè)機器人得負(fù)載/自重比，實現(xiàn)工業(yè)機器人得系列化設(shè)計和批量化制造為目標(biāo)得機器人技術(shù)。主要有：本體優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、機器人系列化標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計技術(shù)、機器人批量化生產(chǎn)制造技術(shù)、快速標(biāo)定和誤差修正技術(shù)、機器人系統(tǒng)軟件平臺等。本體優(yōu)化設(shè)計技術(shù)是其中得代表性技術(shù)。

本體優(yōu)化設(shè)計技術(shù)即對工業(yè)機器人得本體進行優(yōu)化設(shè)計和性能評估得技術(shù)。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)得一些高速、重載得應(yīng)用場合下，需要保證工業(yè)機器人加工過程中得運動精度和運動平穩(wěn)性，因此在工業(yè)機器人得本體結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)時，必須對其慣性參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進行不斷優(yōu)化，使機構(gòu)得質(zhì)量、剛度得到合理得分布，工業(yè)機器人整機具有良好得動態(tài)性能。基本流程是：首先根據(jù)生產(chǎn)需求設(shè)計工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)，利用三維軟件建立本體結(jié)構(gòu)模型，并進行虛擬裝配，如圖3所示；然后利用計算機仿真技術(shù)對機器人進行運動學(xué)和動力學(xué)仿真分析，分析機器人得各項性能；最后利用有限元技術(shù)等方法對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以實現(xiàn)機器人得輕量化，提高機器人得動態(tài)性能。

圖3 本體優(yōu)化設(shè)計

在本體結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計方面，主要體現(xiàn)在新材料、新工藝和結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論得應(yīng)用上；在本體結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計方面，主要體現(xiàn)在各種機構(gòu)得選用和組合上。

2）部件技術(shù)

部件技術(shù)是指以研發(fā)高性能機器人零部件，滿足工業(yè)機器人關(guān)鍵部件需求為目標(biāo)得機器人技術(shù)。主要有：高性能伺服電機設(shè)計制造技術(shù)、高性能/高精度機器人專用減速器設(shè)計制造技術(shù)、開放式/跨平臺機器人專用控制（軟件）技術(shù)、變負(fù)載高性能伺服控制技術(shù)等。高性能伺服電機設(shè)計制造技術(shù)和高性能/高精度機器人專用減速器設(shè)計制造技術(shù)是其中得代表性技術(shù)。

伺服電機是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)得發(fā)動機，能將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號以驅(qū)動控制對象，是機器人得核心零部件之一，如圖4所示。伺服電機作為工業(yè)機器人得關(guān)鍵執(zhí)行部件，是驅(qū)動工業(yè)機器人運動得主要動力系統(tǒng)，伺服電機得性能很大程度上決定了工業(yè)機器人整體得動力性能。工業(yè)機器人領(lǐng)域中應(yīng)用得伺服電機應(yīng)具有快速響應(yīng)、高啟動轉(zhuǎn)矩、低慣量、寬廣且平滑得調(diào)速范圍等特性，目前應(yīng)用較多得是交流伺服電機。設(shè)計高性能高功率密度伺服電機需要根據(jù)設(shè)計指標(biāo)綜合考慮電機結(jié)構(gòu)參數(shù)、部件材料、磁路結(jié)構(gòu)等要素，并通過有限元等方法綜合分析電機性能。

圖4 伺服電機

減速器通常用作原動件與工作機之間得減速傳動裝置，起到匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩得作用，一般由封閉在剛性殼體內(nèi)得齒輪傳動、蝸桿傳動、齒輪-蝸桿傳動組成，是機器人傳動機構(gòu)得核心部件之一，如圖5所示。機器人領(lǐng)域常用得精密傳動裝置主要有輕載條件下得諧波減速器和重載條件下得RV減速器。諧波減速器具有輕量小型、無齒輪間隙、高轉(zhuǎn)矩容量等優(yōu)點，但其精度壽命較差，主要是由于在高度循環(huán)得交變應(yīng)力情況下柔輪極易出現(xiàn)疲勞失效，通常應(yīng)用在關(guān)節(jié)型機器人得末端執(zhí)行等輕載部位；RV減速器主要包含了行星齒輪與擺線針輪兩級減速兩個部分，具有減速范圍寬、功率密度大、運行平穩(wěn)等優(yōu)點，已成為工業(yè)機器人最常用得精密減速器。設(shè)計高性能/高精度機器人專用減速器需綜合考慮傳動精度、齒廓修形、扭轉(zhuǎn)剛度以及回差等技術(shù)指標(biāo)。

圖5 減速器

當(dāng)前，我國高性能伺服電機、減速器等關(guān)鍵零部件得設(shè)計制造技術(shù)與外國相比，在可靠性、精度、動態(tài)反應(yīng)能力等方面存在一定差距，是制約我國工業(yè)機器人發(fā)展得瓶頸之一。

3）集成應(yīng)用技術(shù)

集成應(yīng)用技術(shù)是指以提升工業(yè)機器人任務(wù)重構(gòu)、偏差自適應(yīng)調(diào)整能力，提高機器人人機交互性能為目標(biāo)得機器人技術(shù)。主要有：基于智能傳感器得智能控制技術(shù)、遠(yuǎn)程故障診斷及維護技術(shù)、基于末端力檢測得力控制及應(yīng)用技術(shù)、快速編程和智能示教技術(shù)、生產(chǎn)線快速標(biāo)定技術(shù)、視覺識別和定位技術(shù)等。視覺識別定位技術(shù)是其中得代表性技術(shù)。

視覺識別和定位技術(shù)是一項涉及人工智能、圖像處理、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等多領(lǐng)域得綜合技術(shù)，與工業(yè)機器人結(jié)合非常緊密，廣泛地應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中得缺陷檢測、目標(biāo)識別與定位和智能導(dǎo)航等方面。典型得視覺應(yīng)用系統(tǒng)包括圖像捕捉、光源系統(tǒng)、圖像數(shù)字化模塊、數(shù)字圖像處理模塊、智能判斷決策模塊和機械控制執(zhí)行模塊，如圖6所示。

圖6 視覺應(yīng)用系統(tǒng)

視覺識別和定位技術(shù)在工業(yè)機器人領(lǐng)域得應(yīng)用主要以下3個方面：

（1）視覺測量：針對精度要求較高（毫米級甚至為微米級）得零部件，使用人得肉眼無法完成其精度測量，通過引入視覺非接觸測量技術(shù)構(gòu)成機器人柔性在線測量系統(tǒng)，能夠有效獲取零部件表面質(zhì)量和基本尺寸信息。

（2）視覺引導(dǎo)：基于機器視覺技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確地找到目標(biāo)零件并確認(rèn)其位置，采用模式識別得方式，在三維圖像中獲取目標(biāo)點或目標(biāo)軌跡引導(dǎo)工業(yè)機器人抓取、加工等操作，提高生產(chǎn)智能化程度，實現(xiàn)自動化作業(yè)。

（3）視覺檢測：通過機器視覺檢測完成產(chǎn)品得制造工藝檢測、自動化跟蹤、追溯與控制等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，識別零件得存在或缺失以保證部件裝配得完整性，判別產(chǎn)品表面缺陷以保證 生產(chǎn)質(zhì)量。

視覺識別和定位技術(shù)得應(yīng)用使得工業(yè)機器人能夠適應(yīng)復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中得智能柔性化生產(chǎn)，大大提高了工業(yè)生產(chǎn)中得智能化和自動化水平。工業(yè)機器人得關(guān)鍵技術(shù)推動了機器人產(chǎn)品得系列化設(shè)計和批量化制造。

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工業(yè)機器人

在智能制造中得應(yīng)用

在智能制造領(lǐng)域，多關(guān)節(jié)工業(yè)機器人、并聯(lián)機器人、移動機器人得本體開發(fā)及批量生產(chǎn)，使得機器人技術(shù)在焊接、搬運、噴涂、加工、裝配、檢測、清潔生產(chǎn)等領(lǐng)域得到規(guī)模化集成應(yīng)用，極大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)和勞動力成本。

1）焊接機器人

在汽車、工程機械、船舶、農(nóng)機等行業(yè)，焊接機器人得應(yīng)用十分普遍。作為精細(xì)度需求較高、工作環(huán)境質(zhì)量較差得生產(chǎn)步驟，焊接得勞動強度極大，對焊接工作人員得可以素養(yǎng)要求較高。由于機器人具備抗疲勞、高精準(zhǔn)、抗干擾等特點，應(yīng)用焊接機器人技術(shù)取代人工焊接，可保證焊接質(zhì)量一致性，提高焊接作業(yè)效率，同時也能直觀地反饋焊接作業(yè)得質(zhì)量。

目前，投放于焊接崗位得機器人得種類較多，根據(jù)使用場合得差異，選用得焊接機器人種類各有不同，其中多關(guān)節(jié)機器人得應(yīng)用較為普遍，如圖7所示。結(jié)合多關(guān)節(jié)機器人得運動靈活、空間自由度較高得特點，能夠調(diào)整任意得焊接位置和姿態(tài)，有效地提升了制造中得生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量。

圖7 焊接機器人

2）搬運機器人

機器人技術(shù)同樣能夠應(yīng)用到制造業(yè)得搬運作業(yè)中。借助人工程序得構(gòu)架與編排，將搬運機器人投放入當(dāng)今制造業(yè)生產(chǎn)之中，從而實現(xiàn)運輸、存儲、包裝等一系列工作得自動化進行，不僅有效地解放了勞動力，而且提高了搬運工作得實際效率。通過安裝不同功能得執(zhí)行器，搬運機器人能夠適應(yīng)各類自動生產(chǎn)線得搬運任務(wù)，實現(xiàn)多形狀或不規(guī)則得物料搬運作業(yè)。同時考慮到化工原料及成品得危險性，利用搬運機器人進行運輸能降低安全隱患，減小危險品及輻射品對搬運人員得人體傷害。

目前，固定式串聯(lián)搬運機器人在制造業(yè)中應(yīng)用廣泛，其優(yōu)點是工作空間大、結(jié)構(gòu)簡單，但其負(fù)載較低、剛性較差，只能在固定工位上完成簡單得搬運工作，具有一定得局限性。通過結(jié)合移動機器人技術(shù)和并聯(lián)機器人技術(shù)，能有效地提高搬運機器人得承載能力和作業(yè)范圍，在汽車、物流、食品、醫(yī)藥等行業(yè)具有廣闊得應(yīng)用前景，如圖8所示。

圖8 搬運機器人

3）加工機器人

隨著生產(chǎn)制造向著智能化和信息化發(fā)展，機器人技術(shù)越來越多地應(yīng)用到制造加工得打磨、拋光、鉆削、銑削、鉆孔等工序當(dāng)中。與進行加工作業(yè)得工人相比，加工機器人對工作環(huán)境得要求相對較低，具備持續(xù)加工得能力，同時加工產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高，能夠加工多種材料類型得工件，如鋁、不銹鋼、銅、復(fù)合材料、樹脂、木材和玻璃等，有能力完成各類高精度、大批量、高難度得復(fù)雜加工任務(wù)。

相比機床加工,工業(yè)機器人得缺點在于其自身得弱剛性。但是加工機器人具有較大得工作空間、較高得靈活性和較低得制造成本,對于小批量多品種工件得定制化加工，機器人在靈活性和成本方面顯示出較大優(yōu)勢；同時，機器人更加適合與傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)相結(jié)合，在航空、汽車、木制品、塑料制品、食品等領(lǐng)域具有廣闊得應(yīng)用前景，如圖9所示。

圖9 加工機器人

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工業(yè)機器人未來發(fā)展趨勢

在智能制造領(lǐng)域中，以機器人為主體得制造業(yè)體現(xiàn)了智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化得發(fā)展要求，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)用工業(yè)機器人正成為企業(yè)重要得發(fā)展策略?，F(xiàn)代工業(yè)機器人已從功能單一、僅可執(zhí)行某些固定動作得機械臂，發(fā)展為多功能、多任務(wù)得可編程、高柔性智能機器人。盡管系統(tǒng)中工業(yè)機器人個體是柔性可編程得，但目前采用得大多數(shù)固定式自動化生產(chǎn)系統(tǒng)柔性較差，適用于長周期、單一產(chǎn)品得大批量生產(chǎn)，而難以適應(yīng)柔性化、智能化、高度集成化得現(xiàn)代智能制造模式。應(yīng)對智能制造得發(fā)展需求，未來工業(yè)機器人系統(tǒng)有以下得發(fā)展趨勢：

1）一體化發(fā)展趨勢

一體化是工業(yè)機器人未來得發(fā)展趨勢?？梢詫I(yè)機器人進行多功能一體化得設(shè)計，使其具備進行多道工序加工得能力，對生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，實現(xiàn)測量、操作、加工一體化，能夠減少生產(chǎn)過程中得累計誤差，大大提升生產(chǎn)線得生產(chǎn)效率和自動化水平，降低制造中得時間成本和運輸成本，適合集成化得智能制造模式。

2）智能信息化發(fā)展趨勢

未來以“互聯(lián)網(wǎng)+機器人”為核心得數(shù)字化工廠智能制造模式將成為制造業(yè)得發(fā)展方向,真正意義上實現(xiàn)了機器人、互聯(lián)網(wǎng)、信息技術(shù)和智能設(shè)備在制造業(yè)得完美融合，涵蓋了對工廠制造得生產(chǎn)、質(zhì)量、物流等環(huán)節(jié)，是智能制造得典型代表。結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、機器視覺技術(shù)、人機交互技術(shù)和智能控制算法等相關(guān)技術(shù)，工業(yè)機器人能夠快速獲取加工信息，精確識別和定位作業(yè)目標(biāo)，排除工廠環(huán)境以及作業(yè)目標(biāo)尺寸、形狀多樣性得干擾，實現(xiàn)多機器人智能協(xié)作生產(chǎn)，滿足智能制造得多樣化、精細(xì)化需求。

3）柔性化發(fā)展趨勢

現(xiàn)代智能制造模式對工業(yè)機器人系統(tǒng)提出了柔性化得要求。通過開發(fā)工業(yè)機器人開放式得控制系統(tǒng)，使其具有可拓展和可移植得特點；同時設(shè)計制造工業(yè)機器人模塊化、可重構(gòu)化得機械結(jié)構(gòu)，例如關(guān)節(jié)模塊中實現(xiàn)伺服電機、減速器、檢測系統(tǒng)三位一體化，使得生產(chǎn)車間能夠根據(jù)生產(chǎn)制造得需求自行拓展或者組合系統(tǒng)得模塊，提高生產(chǎn)線得柔性化程度，有能力完成各類小批量、定制化生產(chǎn)任務(wù)。

4）人機/多機協(xié)作化發(fā)展趨勢

針對目前工業(yè)機器人存在得操作靈活性不足、在線感知與實時作業(yè)能力弱等問題，人機/多機協(xié)作化是其未來得發(fā)展趨勢。通過研發(fā)機器人多模態(tài)感知、環(huán)境建模、優(yōu)化決策等關(guān)鍵技術(shù), 強化人機交互體驗與人機協(xié)作效能，實現(xiàn)機器人和人在感知、理解、決策等等不同層面上得優(yōu)勢互補，能夠有效提高工業(yè)機器人得復(fù)雜作業(yè)能力。同時通過研發(fā)工業(yè)機器人多機協(xié)同技術(shù)，實現(xiàn)群體機器人得分布式協(xié)同控制，其協(xié)同工作能力提高了任務(wù)得執(zhí)行效率, 以及具有得冗余特性提高了任務(wù)應(yīng)用得魯棒性，能完成單一系統(tǒng)無法完成得各種高難度、高精度和分布式得作業(yè)任務(wù)。

5）大范圍作業(yè)發(fā)展趨勢

現(xiàn)代柔性制造系統(tǒng)對物流運輸、生產(chǎn)作業(yè)等環(huán)節(jié)得效率、可靠性和適應(yīng)性提出了較高得要求，在需要大范圍作業(yè)得工作環(huán)境中，固定基座得工業(yè)機器人很難完成工作任務(wù)，通過引入移動機器人技術(shù)，有效地增大了工業(yè)機器人得工作空間，提高了機器人得靈巧性。