機器人在工業中的應用與發展

程正富+田永酉+伏春平

摘 要： 工業機器人具有穩定可靠、工作效率高等優勢，在我國的工業轉型升級中將發揮重要作用。本文通過介紹工業機器人的發展，應用以及工業機器人的基本種類；最后提出了適合我國工業機器人的重要戰略是工業機器人的規模化應用是前提，主機成本是核心，關鍵是核心零部件。同時，我國工業機器人正面臨良好的時代發展機遇，必須抓住機遇，理性發展，促進我國工業機器人的快速發展。

關鍵詞： 機器人； 應用； 發展

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.028

0 引言

在現代制造業中機器人是不可取代的重要裝置與設備，是國家戰略性產業的主要發展方向，是一個國家核心競爭力和制造業水平的核心指標。在工業制造業中大量使用機器人，不僅可以克服惡劣環境對生產的影響，減少人工的使用，保障工人的安全；而且還能夠幫助企業節約生產成本，提高企業生產效率，也保證了產品的質量。為此，工業機器人的應用對促進中國工業轉型升級，提升工業整體水平和核心競爭力具有重大意義[1-2]。

1 工業機器人簡介

工業機器人是指工業生產中的多自由度的機器裝置，能自動執行工作，按照自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。工業機器人可以按照預先編排的程序運行接受人類指揮；現代的工業機器人還可以根據人工智能技術制定的規則自由行動。工業機器人一般由控制系統、驅動系統、主體三個主要的部分組成。控制系統，按照程序發出指令信號且執行；驅動系統，由傳動機構和動力裝置組成，執行動作；主體，指執行機構和機座兩部分，其中含臂部，腕部和手部，一些機器人還有行走功能。而從機械結構方面講，工業機器人分為兩大類：串聯機器人與并聯機器人。串聯機器人工作的原理是一個軸的運動會導致另一個軸的坐標原點的改變，并聯機器人的一個軸運動則不會改變另一個軸的坐標原點；就象生活中的串聯電路和并聯電路是一個道理。在機器人的開發運用過程中，最早的機器人采用的是串聯機構；而并聯機構則具有兩個及以上的自由度，且并聯方式驅動的一種閉環機構，早在二十世紀七十年代，Hunt就提出了6個自由度并聯機構的機器人操作器，為并聯機器人的研究奠定了基礎。隨著并聯機器人的研究的深入，其具有的結構穩定、剛度大、承載能力大、運動負荷小、微動精度高的優點日益凸顯；同時在位置求解上，我們知道串聯機器人的正解容易，而反解就有很大的問題； 單并聯機器人在反解方面就非常容易[3-4]。

2 機器人在工業中的應用

機器人在工業的運用中，因某些工種的環境比較惡劣，危險系數比較高，而且技術水平差，另外一些工種的工作內容繁重、單調、重復、時間長；以上都是工人不喜歡、不愿意從事的工作。所以用機器人代替工人來從事這些工作，在一些惡劣環境中既能夠使辛苦工作的勞動者得到解脫，也保護工人的安全；與工人的勞動力相比，機器人有很多優勢，不僅能適應有毒、惡劣的環境，同時機器人沒有沒有疲憊感、懈怠情緒，即使長時間的工作，機器人的工作效率和操作的準確度要高于工人，再加上機器人不受外界環境的影響，高危工作都能勝任。所以，機器人在工業中很受歡迎，尤其是企業老板，更喜歡這些不休假、不怕受傷、不停工作的“機械工人”。雖然機器人的應用提高了工業的生產效率，但也凸顯出一個嚴重的社會問題就是機器人的應用，一些依靠大量工人進行生產的行業大量裁員，如何解決這些剩余勞動力成為了社會問題。為此，要辯證地看待機器人在工業中的應用。

隨著科學技術的不斷進步，機器人的應用范圍也不斷擴大。現在機器人不僅應用于如采礦、冶金、石油等傳統工業中，也應用到了船舶、電力、航天、醫藥、生化、航空等現代化工業中，例如先進的拋光機器人、擦玻璃機器人、打毛刺機器人、高壓線作業機器人、水下機器人等。同時，工業機器人已廣泛應用于現代的汽車工業中，例如點焊、弧焊、熱處理、噴漆、裝配、上下料、搬運、檢測等。 在物流等領域， 工業機器人正逐步代替人工從事繁重枯燥的包裝、搬運、碼垛作業。

3 工業機器人的種類

在工業生產中，移動機器人的應用廣泛， 覆蓋面廣。 下面主要介紹移動機器人中的輪式/履帶式、腿足式和仿人形機器人， 以及水下機器人和飛行機器人的一些研究進展。 輪式/履帶式移動機器人主要有智能輪椅以及大型智能車輛等。定位，一般利用航跡推算、路標識別、計算機視覺、SLAM、無線定位等技術進行定位功能；運動規劃與自主控制，基于地圖導航完成機器人運動控制和運動路徑的規劃；服務作業，結合語音、圖像識別， 實現人機友好交互， 提供服務。 為工業服務的，具有單臂或多臂的移動機器人研究得到重視。當下，中國科學院沈陽自動化研究所、哈爾濱工業大學、北京航空航天大學等單位開發了多種輪式/履帶式移動機器人， 如可變形機器人、復合結構機器人等， 開展了環境建模、避障路徑規劃、識別語音命令、人機對話、路標識別定位、作業臂抓取、多機協作等方法研究。腿足式移動機器人是模仿動物、昆蟲等的運動方式和腿足結構設計的機器人， 研究包括系統設計、步態設計、穩定性設計等方面的內容。二十世紀八十年代，卡內基梅隆大學研制出簡單腿結構的液壓驅動四足機器人。 由于液壓系統在尺寸、重量、性能、控制和便攜動力源等方面存在較大困難。 隨后， 四足機器人、仿昆蟲多足機器人等多采用電機驅動方式。 但也存在負重比較低、抗沖擊能力弱、動態響應性能差等問題。近來，波士頓動力公司開發的BigDog，新型液壓驅動四足仿生機器人， BigDog可負載300斤， 行走 20km，環境適應性好、負載能力高、續航能力強、行走速度快。在國內，國內研制的腿足式移動機器人， 多以電機為主要驅動方式， 如中國科學院沈陽自動化研究所、華中科技大學、清華大學、哈爾濱工業大學等。 山東大學研制四足機器人， 實現了 Trot 動步態行走。 仿人機器人研究主要目標在于機器人設計、步態生成、動態穩定控制等方面。 步態生成有在線生成和離線生成兩種方法。 離線生成方法可完成如行走、產品加工等動作，但缺點是無法適應環境變化； 在線規劃則實時調整步態規劃、確定各關節的期望角。日本的本田公司研制的ASIMO仿人機器人，行走速度可達1。67m/s， 可實現復雜動作的完成等。此外，國內在仿人機器人方面也開展了大量工作，例如 國防科學技術大學研制開發了雙足機器人KDW。 北京理工大學研制的BRH等， 實現了刀術表演、太極拳表演、騰空行走等復雜動作。

4 工業機器人的發展

工業機器人產業屬于智能高端產業，在我國需要不斷的培育；包括培育零部件配套商、整機制造商、系統集成商等；其中關鍵零部件、應用工藝、應用成本都是制約規模應用的主要問題，將產業鏈發展，產學研，資本投資緊密結合。首先，工業機器人的規模化應用是前提。工業機器人只有結合具體的應用工藝、應用對象、應用環境，它的智能化才能發揮作用；第二， 工業機器人的主機成本是核心。我國的工業機器人，要求成本價格合理，其中包含的投入大、產業鏈長等問題，需要長期發展才能在國內國外行業內形成客戶信賴的品牌。再經過打通產業鏈中的上下游，降低機器人成本將加速工業機器人新時代的到來，這是支撐工業機器人發展的必由之路。第三，工業機器人的關鍵是核心零部件。核心零部件為伺服電動機、控制器、驅動器、高精度減速器，這些零部件對機器人的整體性能指標起著決定作用。

總之，我國工業機器人正面臨良好的時代發展機遇，正在逐步走向產業化；原始創新與技術創新，依然是機器人突破性的發展關鍵要素，抓住機遇，理性發展，促進我國工業機器人的快速發展。

參考文獻：

[1]北京中智正業研究院115報告中心.2011-2015 年中國工業機器人行業產銷需求預測與轉型升級分析報告[R].北京，2011.

[2]趙剛，程建潤，林源園.新興產業發展的戰略問題[J].科技創新與生產力，2010（08）：1-4.

[3]機器人技術與應用編輯部.我國工業機器人現狀與發展[J]. 機器人技術與應用，2013，1（01）：3-5.

[4]顧震宇.全球工業機器人產業現狀與趨勢[J].機電一體化，2006（02）：6-10.

基金項目： 永川區科技計劃項目（永川工業機器人應用研發及創新應用示范，項目編號：Ycstc，2013ac3001）