工業(yè)機器人技術(shù)及其典型應(yīng)用分析

潘哲

摘 要：隨著我國工業(yè)門類的日益完善及自動化技術(shù)不斷進步，機器人作為一種新興事物逐漸從實驗室中走出來，慢慢應(yīng)用到各類危險、繁重、環(huán)境惡劣的工作中，通過發(fā)展機器人工智能替代人力勞動已經(jīng)成為一種趨勢。長期看來，機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將會為社會創(chuàng)造了大量剩余價值，因此有必要具體探討工業(yè)機器人技術(shù)和相關(guān)應(yīng)用分析。

關(guān)鍵詞：人工智能;工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè);應(yīng)用分析

一、國內(nèi)外工業(yè)機器人的發(fā)展歷程

（一）國外工業(yè)級機器人的發(fā)展歷程

自從二十世紀六十年代馮諾依曼體系下的計算機問世以來，人類的工業(yè)進程向著自動化、智能化大步前進。在美國、聯(lián)邦德國（今日德國）、日本等西方國家近幾十年來的不斷探索和改進，代表了人類在機器人領(lǐng)域的技術(shù)最高水平，其中德國西門子公司、美國通用電氣、日本精工愛普生株式會社等公司研制的工業(yè)級機器人已經(jīng)可以完成包括精密儀器生產(chǎn)加工、復(fù)雜地表環(huán)境下的勘探及運輸、深海等高壓強環(huán)境下回收飛機沉船殘骸等在內(nèi)人類無法完成的工作。

（二）國內(nèi)工業(yè)級機器人的發(fā)展歷程

我國的工業(yè)級機器人產(chǎn)業(yè)，相對西方國家而言起步較晚，且技術(shù)積累比較薄弱。在二十世紀八十年代改革開放以后，通過引進西方發(fā)達國家的企業(yè)生產(chǎn)線的方式，間接促進了我國機器人產(chǎn)業(yè)的進步，經(jīng)過前后兩代人的努力奮斗，我國的機器人產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展。不但功能齊全，種類繁多，價格也更加親民。如今，除了工業(yè)級機器人已經(jīng)在各種生產(chǎn)線、潛艇、航天飛機等特種環(huán)境下替代人工作業(yè)，各類家庭機器人已經(jīng)走進千家萬戶，成為人們?nèi)粘Ｉ畹暮冒閭H。盡管如此，也不得不承認，我國機器人產(chǎn)業(yè)，特別是工業(yè)級機器人的相關(guān)技術(shù)想要達到世界領(lǐng)先水平，尚需時日。

二、工業(yè)機器人的組成和相關(guān)技術(shù)

（一）機械驅(qū)動相關(guān)技術(shù)

對于工業(yè)級機器人而言，機械部分及其驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成了它的骨骼和心臟。作為向機器人提供動力的機械裝置，根據(jù)采用的原理不同，主要分為氣壓傳動式、液壓傳動式、機械傳動式、電氣傳動式四大類別。其中氣壓傳動、液壓傳動、電氣傳動是工業(yè)級機器人最常見的三種應(yīng)用技術(shù)。

采用液壓傳動技術(shù)的機器人具有載重能力強的特點，但是由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，也具有結(jié)構(gòu)笨重，容易出現(xiàn)漏液、漏壓等故障，且液壓部件價格普遍較高，更換部件需要先卸壓，放油才能繼續(xù)。由于液壓傳動技術(shù)存在以上缺點，所以較少被采用，一般僅在有載重需求等特殊場合應(yīng)用。

相對于笨重的液壓傳動技術(shù)，氣壓傳動技術(shù)則更加輕便，靈活，且維修簡單，價格便宜。但由于氣壓部件結(jié)構(gòu)強度不高，因此其作業(yè)精度誤差較大。一般應(yīng)用于吸盤、氣旋抓手等低負荷的末端驅(qū)動。

電力-電氣驅(qū)動技術(shù)是當今工業(yè)級機器人驅(qū)動技術(shù)的主流。其通過高低電平信號的識別，完成機械的驅(qū)動，相較于氣壓、液壓等物理反饋驅(qū)動技術(shù)，電信號傳輸?shù)尿?qū)動技術(shù)具有更加靈活多變的操作，不僅反應(yīng)速度更加靈敏，其可傳遞的信息也更豐富。通過進步電機、星型變速箱與電信號驅(qū)動模式相配套，機器人可以用更小的體積和重量，實現(xiàn)與傳統(tǒng)驅(qū)動相同的功能。

（二）環(huán)境感知相關(guān)技術(shù)

機器人對外界環(huán)境的感知，離不開各類傳感器。如同人類的皮膚、眼睛、耳朵等器官。比如通過攝像頭來識別圖像信息，通過溫度傳感器識別環(huán)境溫度，通過紅外傳感器識別障礙物速度、體積、距離等。所以，很大程度上，機器人的環(huán)境感知技術(shù)，取決于傳感器的靈敏度和其中央處理器的處理速度。當今技術(shù)條件下，傳感器的工作原理依然基于溫度、紅外等敏感材料將其采集到的物理量通過量化變?yōu)殡娦盘柊l(fā)送給中央處理器。隨著電子信息技術(shù)水平的不斷提高，傳感器和中央處理器的技術(shù)也將逐步實現(xiàn)智能化、通用化。

（三）人機交互相關(guān)技術(shù)

人機交互主要是為了向機器人傳達指令、收集機器人所攜帶各類傳感系統(tǒng)采集到的信息、并監(jiān)控機器人各個部件和系統(tǒng)的運行狀態(tài)等。一般情況下通過給中央處理器集成一個RJ45接口或者串口等通用接口的有線通信單元來實現(xiàn)，特殊情況下，還需要集成無線通信單元來完成人機交互功能。隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的來臨，機器與機器之間通信需求也越來越多，因此人-機、機-機交流導(dǎo)致需求的帶寬也更大，傳統(tǒng)IPv4的劃分地址的方式也無法滿足更多的通信單元。傳統(tǒng)的通信模式將成為物聯(lián)網(wǎng)蜂群交互的瓶頸。從需求的角度來講，人機交互技術(shù)正處在技術(shù)性革命的前夜。

三、工業(yè)級機器人在生產(chǎn)方面的典型應(yīng)用

（一）機械臂

機械臂是工業(yè)級機器人最常見的一種，它具有動作敏捷，精度高，結(jié)構(gòu)強度高，編程靈活等特點被廣泛應(yīng)用與汽車生產(chǎn)線、海底工程建設(shè)、各類臨床手術(shù)等情況。本質(zhì)上說，機械臂實際上是一種被強化了手臂，弱化了其他器官的機器人，其手臂的關(guān)節(jié)甚至達到數(shù)百個之多。每個關(guān)節(jié)通過液壓傳動和電傳動互相配合，通過將每個動作分解量化為各個關(guān)節(jié)的軸承轉(zhuǎn)動角度以及傳動裝置的矢量力，并將其按照間隔時間完成編組，以完成目標動作。

（二）精密加工機器人

從事精密加工的機器人包括各類電路板的刻畫、大型金屬部件的鍛造、各部件組合拼裝等工作。相對于機械臂的“四肢發(fā)達，頭腦簡單”，從事精密加工機器人則在機械臂的基礎(chǔ)上，多了一雙“眼睛”多了一根“腦筋”來觀察和思考如何完成指定動作。部件設(shè)計人員將設(shè)計好的文件輸入給機器人，機器人則需要眼睛來觀察部件三維尺寸，自行編程完成部件的加工工作。

（三）特殊環(huán)境下運輸機器人

機器人的另一個典型應(yīng)用就是在一些特殊環(huán)境代替人類作一些相對簡單的工作，主要包括強輻射、有毒有害、真空缺氧、極端天氣、高溫高壓等環(huán)境下的搬運工作。例如海底光纜敷設(shè)和熔接、沉船打撈，國際空間站的設(shè)備維修、地下礦物的開采和鉆探等工作，都有運輸機器人的身影。相對于機械臂的而言，運輸機器人的手臂關(guān)節(jié)只有5-10個左右，因此它可以完成的動作比機械臂少很多，但是由于運輸機器人的工作環(huán)境比較特殊，憑借著一身“金鐘罩”“鐵布衫”的外家功夫，在運行狀態(tài)可靠性方面，有著過人之處。比如說從事水下作業(yè)的機器人外殼耐壓可達10MPa、從事極地科考的機器人在零下70攝氏度的低溫下仍然可以正常運行。

四、結(jié)束語

通過簡要分析了工業(yè)機器人所應(yīng)用到的一些技術(shù)，分析了工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)方面的典型應(yīng)用以及未來機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。希望可以為我國創(chuàng)建自主機器人知識產(chǎn)權(quán)和打破外國壟斷提供競爭機會的方面有所裨益。

參考文獻

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