工業機器人的研究現狀及展望

周傳彪，周曉蓮

（達州職業技術學院，四川達州635001）

0 引言

國際機器人聯合會（International Federation of Robotics，IFR）將機器人定義為一種半自主或全自主工作的機器，可以做對人類有益的工作。適用在生產過程的稱之為工業機器人，適用在特殊環境的叫作專用機器人或特種機器人，適用在家庭或者直接服務人的稱之服務（家政）機器人。這種定義的廣義含義是機器人自動化機器，但不能理解為像人一樣的機器[1]。而國際標準化組織（International Organization for Standardization，ISO）對機器人的定義為：機器人是一個自動、位置可控、可編程的多功能機械手，它具有幾個軸，可以通過編程操作來處理各種材料、零件、工具和專用設備，執行各種任務。根據ISO給出的定義，工業機器人是工業中廣泛使用的多關節機器人或多自由度機器人，一臺可以自動執行工作的機器，通過自身的動力和控制功能來實現機器的各種功能[2]。

隨著制造業對工業機器人應用的擴展，工業機器人亟需滿足高精度、高速度、重載荷、智能化等要求[3]，同時工業機器人的應用從封閉的工作環境，單一的工作站延伸到機器人與人、機器人與機器人緊密協作的共同開放式工作環境，安全性問題和人機協作問題成為工業機器人應用研究的新熱點。本文通過查閱大量文獻簡述了工業機器人發展急需解決的一些關鍵部件和技術，并展望了未來機器人的特點，期望為工業機器人的發展提供些參考作用。

1 工業機器人發展史

現代工業機器人的發展始于20世紀中葉，依靠計算機，自動化和核工業的快速發展。為了滿足大規模生產的迫切需求，并隨著計算機和自動化技術的發展，諸如原子能等核輻射環境中，迫切需要特殊機器人來取代人類操作和處理放射性物質[4]。基于這種需求，1947年美國阿貢研究所開發了一種操作機械手，并于1948年開發出一種機械手，1954年，美國的Deval給出工業機器人的定義并獲得專利[5]。工業機器人的早期實用機型當屬1962年美國的AMF公司開發的“UNIMATE”，其外形類似人的手臂，但控制方法與數控機床相似。1968年，麻省理工學院開發了一種能夠識別和定位簡單構建塊的帶有視覺傳感器的機器人系統。1967年日本機器人研究協會成立，并召開了第一次機器人大會。1970年第一屆工業機器人國際會議在美國召開[6]，從那時起，工業機器人的研究得到快速深度發展。

2 國內外發展情況

2.1 國外發展概況

全世界范圍來看，就市場規模而言，工業機器人約有四成在日本，就機器人技術而言，目前世界上最尖端的技術也在日本，可以說日本當之無愧是“機器人大國”。特別是近幾年日本重新審視機器人產業政策，使其成為“世界技術創新中心”的支柱地位[7]。

美國是機器人的發源地，已躋身世界機器人強國之列。目前美國工業機器人供應商主要有Adept Technology、American robot、Emerson Industrial Automation 等公司。

德國也在大力推動機器人技術發展，同時極大地開拓機器人應用市場。目前德國工業機器人主要供應商有 KUKA，CLOOS 等[8]。

法國一直較為注重工業機器人的發展，法國政府特別注重開展機器人的應用研究，再加上工業界注重應用開發，使得法國在工業機器人領域擁有一定的地位。

英國從上世紀70年代末才開始推行支持機器人發展的政策，所以相對于其他歐美國家，起步較晚，再加上英國政府在推行時實施了些限制條件，因此英國的工業機器人工業地位在西歐很低。

此外，意大利、瑞士、西班牙、韓國、丹麥等國家因自身國內工業發展的需要，工業機器人的發展也比較迅速。

2.2 國內發展概況

20世紀70年代初中國開始著手工業機器人的研究。在起初的十年里，研究單位基本自主研發，速度緩慢。1985年以后，工業機器人開始被納入相關國家計劃，發展速度相對較快。尤其是中國政府在2015年推出“中國制造2025”戰略，中國的機器人技術取得了長足進步。

近年來，中國日益完善的工業機器人自動化生產線，為用戶帶來了顯著的效益。機器人自動化生產線設備市場快速發展，國內裝備制造業正處于從傳統裝備向先進制造裝備過渡的時期。這為機器人自動化生產線研究開發企業帶來了巨大的商機。目前，上海、沈陽、北京、昆山、唐山、成都、徐州等工業機器人產業基地已基本建立，研發了一大批具有市場前景和自主知識產權的工業機器人及其自動化生產線產品。

進入“十三五”以來，廣州數控、沈陽新松、蘇州匯博、東莞起帆、上海沃迪、安徽埃夫特等本土工業機器人開始涌現，并形成初步產業化規模，一些弧焊、點焊、裝配、搬運等工業機器人已經在多家企業的工業生產中獲得規模應用，但在整個工業生產中應用比例較小，部分企業的工業機器人重點銷往教育領域。

3 應用情況

在中國，工業機器人一半以上應用于汽車制造業，少部分用于電子工業、金屬、化工、塑膠和食品。隨著技術的進步，工業機器人的應用領域也在快速擴張。

目前工業機器人成品最多的是平面關節型四軸機器人，其次是串聯關節型六軸機器人，按照機器人的作業任務不同，可以將其劃分為以下幾個應用領域：

（1）焊、弧焊機器人。主要應用于汽車制造中和建筑行業等領域的弧焊、點焊機器人，也是目前應用最為廣泛的工業機器人之一。其可以降低工人的勞動力強度，穩定提高焊件的焊接質量，提高企業的生產率等優點。

（2）噴涂機器人。噴涂機器人是1969年由挪威Trallfa公司發明，主要應用于汽車、儀表、家電、建材等領域，具有工作空間大，柔性化程度高，提高了噴涂質量和材料利用率，改善工人了工作環境等優點。

（3）搬運機器人。搬運機器人最早是1960年由美國設計，主要應用于機床上下料、自動裝配線、集成箱搬運、碼垛搬運等場合。隨著大量投入使用，可以提高生產率，降低工人勞動強度，改善工人工作環境，實現工廠自動化、無人化生產等優點。

（4）裝配機器人。裝配機器人主要有PUMA機器人和SCARA機器人兩種，完成生產線上一些簡單的零件裝配或拆卸，主要應用于家電、汽車零部件、計算機、玩具、機電產品等領域。與其他機器人相比具有精度高、工作空間小、柔順性好等特點。

（5）其他機器人。用于一些專用場合的機器人，如手機生產領域的激光塑料焊機機器人、高速四軸碼垛機器人，打磨拋光機器人等，以及在化工行業的潔凈機器人等。

4 工業機器人發展的核心技術和關鍵部件

目前，中國的科研人員已掌握了工業機器人的基本技術，但是創新能力較弱，核心技術和關鍵部鍵研發存在很大的不足，如高精度的減速器需要進口，這影響了中國工業機器人的產業總體發展。建議引用他人核心技術，研發自己的模塊化、可重構工業機器人機械結構，高速通信總線的高性能實時控制系統開放化、統一化，三維虛擬仿真和工業機器人生產線集成化和一體化，復雜環境中的人機交互簡單化協同化，多傳感器融合技術的智能化等為技術目標，注重應用發展關聯產業。

4.1 工業機器人靈巧操作技術

工業機器人手臂在生產中模仿人手的靈巧性。通過核心技術研發，可以巧妙地完成許多復雜的作業。在工業機器人新機構設計和高效驅動器方面，通過改良機械裝置和執行器以提高工業機器人的精度、速度和其他性能[9]。此外，在人機交互環境中，工業機器人驅動器和執行器的機構設計，必須考慮工業機器人的安全性。新型機構需要高強度的環保型自重/負載比的執行器，安全的人與機交互系統，機器人與自然環境間交互機構等。

4.2 工業機器人路徑規劃技術

在非結構化環境中實現安全的自主導航，對于復雜工作環境中移動機器人沒有固定導軌的情況下，需要工業機器人自主檢測周邊環境，自主避免障礙物，完成最優路徑規劃。如裝配線上的搬運機器人、建筑裝備的工業機器人、高效運輸的AGV工業機器人等，需要深入研發技術攻關[10]。比較典型的應用：無人駕駛汽車的自主導航，實現在有清晰照明和路標的任何現代化城鎮道路上行駛，同時其安全性方面可以與有人駕駛車輛媲美[11]。

4.3 工業機器人多傳感器融合技術

未來的工業機器人將必須向智能化方向發展，這就需要提高工業機器人系統的感知能力。通過感知機器人及周邊環境的信息，能夠快速檢測部件和產品組件的生產情況，并能通過非侵入式的生物傳感器來估測出操作工人的情緒和行為，來達到人機協同工作的目的，這些需要攻克高精度的非接觸覺、視覺等傳感器、生物傳感器和大數據信息處理方法，并能將多種傳感器集成化、智能化[12]。利用高精度傳感器構建用于裝配和跟蹤進度的物理模型，以減少生產過程中的不確定性。

對于工作流程復雜，工種較多的生產線需要的工業機器人具有一定的通用性，這就需要提高工業機器人的靈敏性和智能化程度，可在未知環境中工作，并且可與人協同工作，這就增加了工業機器人環境感知與自主導航的難度，如三維環境感知的自動化。

4.4 工業機器人的人機交互技術

在未來工業機器人的研究和開發中，新型人機協作越來越被重視。這就不得不研究完整的侵入式圖形環境、全息環境建模，三維虛擬現實設備，以及具有多種物理效應（如力，溫度和振動）的人機交互設備。為了實現機器人與人以及機器人與環境之間協同工作，需要關鍵技術包括：機器人的內在安全性、機器人與人、環境之間的絕對安全共存技術，目標環境的自適應技術，準確選用執行器來完成繁復的操作，人機高效協調問題，準確掌握生產者需求并積極協助等技術。

在任務環境中，必須強調人機交互的安全性。按照需求設計的工業機器人系統、相關產品和任務，必須確保人機交互的自然性，同時是安全的、高效益的。人機交互操作設計包括機器語言、語音、手勢和姿態、機器視覺、接觸覺和非觸覺技術等，這是機器人發展必然考慮的技術。目前工業機器人處于示教再現階段，這依賴于工人操作的熟悉程度，所以工業機器人的發展必須容易示教，最好是“傻瓜式示教”。

4.5 工業機器人的高速實時開放式控制系統

在實時操作系統和高速總線的工業機器人開放式控制系統的基礎上，通過分散式控制方式，分布式軟件結構設計，達到機器人系統不同功能之間實時轉換，提高機器人控制系統軟件體系的實時性。采用開放式軟硬件結構，合理的模塊化設計，利用網絡通信功能，開發結構開放、功能模塊化的標準工業機器人使工業機器人控制系統與工廠自動化設備快速集成[13]。

5 工業機器人的發展趨勢

雖然工業機器人的開發技術現在已經成熟，但伴隨人類的需求增加和科技的進步，人們對工業機器人的要求也會越來越高。預測未來工業機器人有如下特點:

（1）未來工業機器人除了使用傳統的位置、速度、加速度等信息反饋外，還要結合力或力矩、視覺以及非侵入式的生物傳感器等信息，使用多傳感器融合技術讓其在工況復雜的工業作業環境中得到更好的應用。

（2）隨著人類需求的提高，需要增強工業機器人的通用性，開發出與人類雙臂類似的冗余自由度機器人，增強工業機器人的靈活性來完成一系列相似人的動作。

（3）隨著高性能、低成本總線技術的控制和驅動模式的提升，進而提高控制系統的開放性和模塊化，形成一個統一的行業應用標準。

（4）機器人和操作人員一起作業和多個機器人協調作業是我們面臨的一個問題，未來工業機器人在智能化和群體協調作業能力方面有待提高，以滿足生產線流水作業的需求。

（5）使用3D環境感知系統建立模擬仿真環境，研發工業機器人自動編程或離線編程技術，增強機器人與人之間的交互能力同時便于人類二次開發能力，達到機器人與人的更好融合或許是未來工業機器人的研究重點[14]。

6 結束語

我國正處于穩健高速發展時期，國家注重發展高科技產業，加之勞動力的逐漸缺失，工業機器人正處于發展的良好時機。雖然中國工業機器人的發展還有很多不足，相信通過科研人員和相關企業的深入研究合作，能解決工業機器人發展的一系列前沿核心技術，使我國工業機器人處于國際領先水平。