淺談工業機器人的分類與發展趨勢

吳麗媛

摘 要：隨著科技的高速發展，機器人已成為當今前沿高技術研究最活躍的領域之一，以機器人等為主體的技術與裝備將成為未來制造強國的重要標志，具有巨大的產業發展前景。而工業機器人作為工業領域中的機器人，正為工業自動化發揮著巨大作用。本文簡要介紹了工業機器人的概念、基本分類及發展現狀和趨勢。

關鍵詞：工業機器人；組成分類；發展趨勢

1959年，有著工業機器人之父之稱的英格伯格和德沃爾兩位美國科學家共同研制出了世界上第一臺工業機器人，這也標志著制造業由此進入工業機器人時代。對于我國而言，雖然我們起步較美國晚了近二十年，但這些年來我國一直致力于工業機器人的研發工作，并取得了一些驕人的成績。“七五”期間完成了示教再現式工業機器人成套技術的開發，研制出了噴涂、點焊、弧焊和搬運機器人，促進了我國制造業等行業的發展。在“中國制造2025”計劃的引領下，中國的工業機器人技術也在飛速發展并取得了長足的進步。眾所周知，機器人可以代替人類的勞動，而工業機器人則是在工業領域內解放了人類單調、重復的體力勞動，特別是針對高強度工作、超長工作時間、工作環境惡劣等困難，更突出了工業機器人優勢。通過這種代替人工操作提高生產效率和產品質量，使批量化、標準化生產成為可能。工業機器人技術并不是一項單獨的科學，它包含了計算機技術、機械設計、仿生學、信息和傳感技術、人工智能等多門技術，在汽車、機械、電子等領域應用都十分廣泛，它的出現總之，經過近七十年的發展，一個國家對工業機器人的利用率代表著這個國家的自動化水平。

一、工業機器人的概念

國際標準化組織在1987年對工業機器人進行了如下的定義：“工業機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業的可編程操作機。”它通常配備有機械手、刀具或其他可裝配的加工工具，可以模擬人的手、臂的部分動作，按照預定的程序、軌跡及其它要求，實現抓取、搬運工件或加工制造的任務。

二、工業機器人的組成

工業機器人由執行機構、驅動系統、控制系統和感知系統四個基本部分組成。執行機構包括固定或移動的基座、臂部、腰部、腕部和手部（操作器），有的機器人還有行走機構。驅動系統包括動力裝置和傳動裝置，用以使執行機構產生相應的動作；控制系統是按照輸入的程序對驅動系統和執行機構發出指令信號，并進行控制；感知系統是由內部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成，用以獲取內部和外部環境狀態中有意義的信息。

三、工業機器人的分類

我國從1972年開始自行研制工業機器人，經過這些年的發展，工業機器人技術逐漸成熟。90年代，我國研制出了點焊弧焊、裝配、噴涂、、搬運、打磨、碼垛等各種用途的工作機器人。

（一）點焊、弧焊機器人

點焊、弧焊機器人主要應用于汽車、船舶等行業。焊接技術對工人的操作技術能力要求很高，不同工人或者同一工人不同時期的工作質量都不同，因此人工焊接穩定性差，并且焊接工作環境較差，噪聲和空氣質量都可能使工人的身體受到傷害，故而不能長期連續工作，所以生產率的提高就必然會使生產成本增加，從而降低效益，因此在焊接生產中應用機器人具有明顯的優勢。其優點如下：

1）具有穩定性和焊接均一性，能夠保證和提高焊接質量；

2）提高勞動生產率，可以一天24小時連續作業；

3）能夠適應堅苦的勞動條件，可在有害的環境下長期工作；

4）降低了對工人操作技術的要求，可實現批量產品焊接自動化。

（二）裝配機器人

裝配機器人主要用于各種家用電器制造（如電視機、錄音機、洗衣機、電冰箱、吸塵器）、小型電機、汽車及其部件、計算機、玩具、機電產品及其組件的裝配等方面。末端執行器根據裝配對象的不同設計成各種手爪或手腕等，進行簡單的抓、緊等裝配工作。由于裝配機器人的多數工作是進行軸與孔的裝配，因此機器人必須具備較高的精度和很好的柔順性，其特點如下：

1）工作范圍較小，具有更大的靈活性；

2）通過機器人視覺識別減小失誤率；

3）具有高速性能的最大化吞吐量，提高勞動生產率，可以24小時連續作業；

4）大幅降低批量產品的生產成本。

（三）噴涂機器人

噴涂機器人可以進行自動噴漆或噴涂其他涂料，主要應用在汽車行業。其末端執行器多為手腕。其主要特點為：

1）柔性大，具有更大的靈活性；

2）具有穩定的性能和噴涂質量；

3）能夠適應堅苦的勞動條件，可在有害的環境下長期工作；

4）大幅降低批量產品的生產成本。

（四）搬運機器人

搬運機器人是指可以進行自動化搬運作業的工業機器人。多用于機械行業，針對上下料搬運的領域，可以實現加工過程的完全自動化。末端執行器多為集成機械手夾具，可以實現對圓盤類、長軸類、板類、不規則形狀等工件的自動上下料、工件的翻轉、工件轉序等工作，具有很高的生產效率和產品質量的穩定性。

（五）拋光打磨機器人

拋光打磨機器人顧名思義是可以進行拋光打磨改善工件表面質量的機器人。主要用于機械行業。其末端執行器為多腕部，其特點如下：

1）提高打磨質量和產品光潔度，保證打磨效果的一致性；

2）能夠適應堅苦的勞動條件，避免粉塵對工人造成傷害；

3）降低了對工人操作技術的要求；

4）提高生產效率。

（六）碼垛機器人

碼垛機器人，是機械與計算機程序有機結合的產物。主要特點如下：

1）節約倉庫面積；

2）節約大量人力資源；

3）具有高速性能的最大化吞吐量；

4）貨物擺放更加整齊，規避了人工碼垛帶來的倒塌風險。

四、工業機器人的發展趨勢

人的發展經歷了萌芽期、起步期、發展期和成熟期四個基本階段。第一代可編程機器人具有簡單的控制系統，能夠進行示教編程、重復作業和自動生產，這種技術得到美國和日本等國家的大力推廣并迅速進入產業化階段；隨著科技的發展和勞動力的缺失，第二代感知機器人利用感知信息來改善機器人的性能，從而能代替更多的人力勞動；近些年來，車、電子電氣等產業獲得高普及率，在這些領域中靠人工智能技術進行自主地解決問題的第三代智能機器人得到了及大的應用。工業機器人也將從以下幾個方面來進行發展。

（一）一體化、規范化發展

隨著工業機器人的集成化發展，各國都致力于發展集成式機器人，其各個部件都將具有互換性，通過簡單的組裝就能夠達到一體化，能提高機器人的工作精度，減少重量和占地面積，降低生產的成本提高工廠的效益。

（二）智能化發展

智能化機器人是指基于傳感器的機器人，目前的研究方向多指多傳感器集成、智能化研究。除采用傳統的位置、速度、加速度等傳感器外，還應用了視覺，力覺等傳感器來進行實現協調和決策控制。

綜合國內外工業機器人研究和應用現狀，工業機器人的研究正在超智能化、模塊化、系統化、微型化、多功能化及高性能、自診斷、自修復趨勢發展，以適應多樣化、個性化的需求向更大更寬廣的應用領域發展。

參考文獻：

[1] 杜祥瑛.工業機器人及其應用[M].機械工業出版社，2004.

[2] 吳振彪.工業機器人[M].華中科技大學出版社，2002.