工业机器人的技术研究
摘 要：本文对工业机器人进行了探讨，主要介绍了工业机器人的发展历史和发展现状，给出了其在工业上的应用情况，并分析了其未来的发展趋势以及在智能化浪潮中的重要作用。
【关键词】工业机器人 发展 智能化
Abstract: This paper discusses the industrial robot, mainly introduces the development history and development status of the industrial robot, gives its application in the industry, and analyzes its future development trend and the important role in the intelligent wave .
【Keywords】 Industrial robot development of intelligent
引言
自第一台工业机器人问世以来，机器人就显示出它强大的生命力。在短短几十年时间里，机器人技术得到了迅速发展。在众多制造领域中，工业机器人应用最广泛的领域是汽车及汽车零部件制造业，并且正在不断地向其他领域拓展，如机械加工，电子电气制造，橡胶及塑料加工，食品工业，木材与家具制造业等。时至今日，工业机器人技术也较为成熟。
1. 工业机器人的发展
1.1起步阶段
工业机器人问世后前10年，从20世纪60年代初期到70年代初期，机器人技术的发展较为缓慢，许多研究单位和公司所作的努力均获得成功。这一阶段主要成果有美国斯坦福国际研究所（SRI）于1968年研制的移动式智能机器人夏凯（Shakey）和辛辛那提Ÿ米拉克龙（Cincinnati Milacron）公司于1973年制成的第一台适于投放市场的机器人T3等。
1.2发展阶段
20世纪70年代，人工智能学界开始对机器人产生浓厚兴趣。他们发现，机器人的出现与发展为人工智能的发展带来了新的生机，提供了一个很好的试验平台和应用场所，是人工智能可能取得重大发展的潜在领域。这一认识，很快为许多国家的科学界，产业界和政府有关部门所赞同。随着自动控制理论，电子计算机和航天技术的迅速发展，到20世纪70年代中期，机器人技术进入了一个新的发展阶段。到70年代后期，工业机器人有了更大的发展。进入80年代后，机器人生产继续保持70年代后期的发展势头。到80年代中期机器人制造业成为发展最快和最好的经济部门之一。
到20世纪80后期，由于传统机器人用户应用工业机器人已趋饱和，从而造成工业机器人产品的积压，不少机器人厂家倒闭或被兼并，使国际机器人学研究和机器人产业出现不景气。到90年代初，机器人产业出现复苏和继续发展迹象。但是，好景不长，1993--1994年又跌入低谷。全世界工业机器人的数目每年在递增，但市场是波浪式向前发展的，1980年至20世纪末，出现过三次马鞍形曲线。1995年后，世界机器人数量逐年增加，增长率较高，工业机器人以较好的势头进入21世纪。
1.3蓬勃阶段
进入21世纪，工业机器人产业发展速度加快，年增长率达到30%左右。其中，亚洲工业机器人增长速度高达43%，最为突出。图1-1位2012-2016机器人增长折线图。
图1-1 工业机器人增长折线图
根据IFR统计，2011年是工业机器人产业蓬勃发展的一年，全球市场同比增长37%。其中，中国市场的增幅最大，销售量达22 577台，较2010年增长50.7%；2012年达到26 902台，同比增长19.2%。到2015年，中国的工业机器人拥有量将达到十万台。2011-2012年，中国和全球市场对工业机器人的需求创下新高。预测数居还表明，中国有望于2014年或2015年成为世界最大的机器人市场。德国KUKA机器人，日本川崎机器人等世界500强的机器人制造公司，近年来已将市场重点转到中国，ABB公司甚至把全球总部搬到中国。
2. 工业机器人的结构
工业机器人主要由机械机构系统，控制系统，驱动系统，感知系统，机器人环境交互系统，人机交互系统等构成。图2-1是工业机器人系统示意图，其中的机器人本体由机械机构，伺服和驱动系统组成，是机器人的执行机构。
图2-1工业机器人系统示意图
2.1机械结构系统
机械机构系统由基座，机械臂，末端执行器三部分组成，每一部分都是拥有若干个自由度的机械系统，如图2-2所示。基座可以是移动式的，也可以是固定式的。机械臂一般由上臂，下臂和手腕组成。末端执行器是直接装在手腕上的重要部件，它可以是二手指或多手指的手抓，也可以是喷漆枪，焊具等作业工具。
图2-2 工业机器人的机械结构和运动自由度示意图
2.2感知系统
感知系统把各种机器人内部状态和环境信息转变为机器人能够理解和应用的数据。除了需要感知与自身工作状态相关的机械量，如位移，速度，加速度，力和力矩外，机器视觉也是工业机器人感知的一个重要方面。机器视觉将视觉信息作为反馈信号，控制调整机器人的位置和姿态。图2-3展示的是采用机器视觉技术检验钢轨质量。
图2-3 采用机器视觉技术检验钢轨质量
2.3基础部件
工业机器人的关键基础部件主要指精密减速器，控制器，伺服电机及高性能驱动器等，他们对机器人性能起到关键作用。图2-4为精密减速器示意图。
图2-4 谐波齿轮减速器（左）和RV减速器（右）
3. 工业机器人的应用
3.1火花中的生产者
焊接也许是工业生产中最有观赏性的一道工序。随着焊枪的起起落落，一束束火花喷射而出，像烟花一样耀眼夺目，但对工人健康构成一定威胁。焊接机器人的出现，彻底改变了这种局面。
焊接机器人能在计算机的控制下实现连续轨迹控制和点位控制，完成焊接任务。焊接机器人具有焊接效率高，质量好，稳定性强等优势，可长期进行焊接作业。图3-1是我国于20世纪80年代中期研制的焊接机器人。
图3-1 点焊机器人（左）和弧焊机器人（右）
3.2人与机器协作生产
协作机器人的出现改变了人们长期以来对工业机器人形成的固有观念。具备轻便灵活，编程方便等特点的协作机器人，可以填补全手动装配生产线与全自动生产线之间的间隙。同时，较低的成本和较强的通用性将使协作机器人成为中小企业的福音。图3-2是那智不二越和ABB公司推出的协作机器人。
图3-2 那智不二越的协作机器人（左）和ABB的YuMi协作机器人（右）
3.3微型制造的能手
微型机器人能在快速成型，光电混合电路制造以及生物组织制造中发挥重要作用，甚至有望运行一个微型工厂。在这个工厂里，数以千计的微信机器人进行通用集成，实现毫米级的精确控制，以制作品质优良的工业产品。图3-3是由斯坦福国际研究所开发的SRI Bots。
图3-3 SRI Bots微型机器人
4. 工业机器人的展望
总的来说，“智能化”、“拟人化”将成为机器人产业未来的发展方向。智能机器人具有感知、思维的能力。智能机器人可获取、处理并识别多种信息，自主地完成较为复杂的操作任务。相比一般的工业机器人，智能机器人具有更大的灵活性、机动性和更广泛 。
4.1机器人动作趋向智能化
工业机器人的智能化、群体协调作业能力也应加强，以满足工业机器在生产流水线的应用需要。面向机器人和操作员混合作业，以及多机器人协调工作将是机器人的又一发展方向。虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，比如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的触觉来操纵机器人。未来，机器人将准确、快速地完成诸如滑动、滚动、行走、爬行、跳跃等复杂动作，从而实现机器人动作的智能化发展。
4.2机器人控制区域安全化
机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化发展。器件集成度将不断提高，并且机器人控制系统将更多地采用模块化结构，能够大幅度提高系统的易操作性和可维修性。由于系统化生产的需要，模糊控制、人工神经网络等技术将应用于机器人。机器人应对各种突发的意外情况具有更灵活的自我处置方式，使得人机共存变得更为安全。
4.3机器人捕捉信息强大化
机器人将使用多传感器对信息进行采集并融合，以检测多变的外部环境，做出智能化的判断和决策。为了模仿人类，机器人将 会使用包括视觉、触觉、力觉、滑觉、接近觉、压觉、听觉、味觉、嗅觉、温觉等反馈信息进行自我判断。除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制。
5. 结束语
工业机器人实现了“无人化工厂”和“无灯化车间”，同时证明了“机器换人”的成功实施推动了生产管理、人力资源管理、信息化管理等管理方式转变和创新，组织更精益化、系统化，最终高效而有力地推动企业由“制造”向“智造”的转型升级。因此，工业机器人的广泛应用将创造出市场需求，进而带动自身产业的成长，推动制造业朝着数字化、智能化的方向升级。
机器人已经广泛应用于工业生产上，因此，了解其发展历史，现状，趋势，及应用状况，对工业机器人的正确使用和维护有重要作用。
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END
