重載工業機器人研究現狀

孫 維，張詠行，趙永杰*，盧新建

（1.汕頭大學工學院機械電子工程系，廣東 汕頭 515063 2.廣東省智行機器人科技有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引 言

“工業機器人”一詞于1960 年由《美國金屬市場報》率先提出，經美國機器人協會定義為“用來進行搬運機械部件或工件的、可編程序的多功能操作器，或通過改變程序可以完成各種工作的特殊機械裝置[1].”工業機器人能代替人工在高危惡劣的環境下工作，具有工作效率高、精度高、穩定性好等優勢，在傳統制造業中發揮著至關重要的作用，目前廣泛應用于機械加工、汽車零部件制造、食品加工、電子電氣、物流等不同行業[2].

隨著機器人技術的不斷成熟，機器人末端負載能力不斷提升，重載工業機器人在各個領域里逐漸嶄露頭角.根據工業機器人末端的負載能力，通?？梢园压I機器人分為輕載和重載兩類，重載工業機器人的末端具有較大的有效負載能力，一般在100 kg 以上，負載/自重比在1∶2 到1∶8 之間[3].現階段，世界范圍內比較具有代表性的4 家重載工業機器人生產廠商分別是德國KUKA，瑞典ABB，日本FANUC，意大利COMAU，這4 家生產公司占據世界范圍內重載工業機器人總裝機容量的80%以上.圖1 為COMAU 的NH4 機器人，最大負載為200 kg[3]，圖2 為KUKA 的KR-1000 TITAN 機器人[4]，最大負載為1 000 kg，圖3 為ABB 的IRB6660FX 機器人，最大負載為500 kg[5]，圖4 為FANUC 的M-2000i 機器人[6]，最大負載為1 350 kg.目前，重載工業機器人已經在鑄造、汽車制造、冶金等重工業行業有著廣泛的應用.

近些年，自動化產業發展迅速，自動化生產線對機器人的負載能力提出了更高要求，工業領域對重載機器人的需求量逐步加大.目前，我國制造業的轉型升級正在加速推進，為提高企業競爭力，推動產業發展，作為高端技術裝備的重載工業機器人擁有十分廣闊的應用前景.

圖1 COMAU NH4 200kg[3]

圖2 KUKA TITAN 1000kg[4]

圖3 ABB IRB6660FX 500kg[5]

圖4 FANUC M-2000i 1350kg[6]

1 重載工業機器人機械結構與驅動系統

1.1 機械結構

從機械拓撲結構角度，重載工業機器人的結構主要有三種形式，串聯型、并聯型和混聯型.需要說明的是，工業上已經應用較多的AGV 小車和智能汽車屬于移動式機器人，本文只對固定基座式重載工業機器人進行綜述.下面對以上3 種主要結構形式進行簡單的分析.

1）串聯型重載工業機器人：在重載工業領域，串聯型機器人應用較為廣泛，串聯型重載工業機器人又分為直角坐標式和旋轉關節式.

如圖5 所示，直角坐標式機器人的結構形式有龍門式、懸臂式和垂掛式3 種[7].該結構形式的機器人運動自由度成空間直角關系，一般是軌道門式，即末端臂按照門上給定的軌道實現在工作空間內的運動，主要完成沿著坐標軸方向的線性作業，能夠準確的到達工作范圍內的任意一點，具有結構解耦、操作簡單、控制方便、負載大等優點，通常應用在水電站、船舶制造、其他大型材料物品或儀器的搬運以及機械加工等領域.

圖5 直角坐標式機器人結構[7]

圖6 為旋轉關節式重載工業機器人的結構形式[8]，結構具有多個回轉關節，常見的旋轉關節式機器人一般有4-6 個旋轉軸，具有較多的自由度，通過編程控制實現工作空間內任意軌跡的工作，一般用于很多重載應用場合的機械自動化作業，如碼垛、雕刻等.

圖6 旋轉關節式機器人結構[8]

2）并聯型重載工業機器人：并聯式重載工業機器人一般由靜平臺、動平臺以及連接靜平臺和動平臺的運動支鏈組成.該類機器人一般采用并行方式驅動，具有兩個或兩個以上自由度的閉環機構，理論上，并聯式結構具備更強的承載能力.鑒于并聯型機器人機械結構穩定性好，承載能力強，現有的并聯式重載工業機器人主要應用于運動仿真、機械加工等領域.圖7 所示為一種基于2UPR-2RPU 機構的重載澆注機器人的不同姿態，末端可負載澆包300 kg[9].

圖7 2UPR-2RPU 重載澆注機器人[9]

3）混聯型重載工業機器人：混聯型重載工業機器人兼具串聯機器人的結構簡單、工作空間大和并聯機器人的高剛度、高精度等優點[10-11]，擴大了機器人在工業生產中的應用范圍.圖8 是一種基于2-RPU&UPR 并聯機構構造的一種新型五軸混聯機器人機構模型[12]，圖9 是Tricept 混聯機構，可用于重載焊接、裝配等場合.

圖8 一種新型五軸混聯機器人模型[12]

圖9 Tricept 混聯機構

1.2 驅動系統

重載工業機器人通常采用電機驅動或液壓驅動方式提供較大的力和力矩以實現的末端大負載要求，驅動系統的工作原理特點如表1 所示.下面結合應用場合對這兩種驅動系統進行簡單介紹.

1）電機驅動：重載工業機器人通過大功率電機產生較大的力和力矩，直接或間接地驅動機器人各個關節運動，從而實現機器人末端執行器的各種運動.為保證重載工業機器人的穩定性和可靠性，驅動電機要求功率大、起動轉矩較大、慣量小、調速范圍寬且平滑，根據不同控制需求可以選擇步進電機、直流伺服電機（DC）、交流伺服電機（AC）、直線電機等.HW-PJ-1 型機器人的每個關節都由一臺步進電機獨立驅動[13]，具有較好的動態性能，FANUC 焊接機器人使用交流伺服電機進行驅動[14]，啟動轉矩大.

表1 驅動系統工作原理及特點

考慮到超大轉矩電機尚未普及，成本過高等因素，在一些負載非常大的工況下，單個電機難以滿足負載要求，在工業機器人上經常會使用雙電機同步驅動單關節的方式，來獲得更大的力和力矩.圖10 是高峰教授等人提出的一種新型冗余驅動六自由度并聯地震模擬臺[15]，該機構借助機械結構實現兩個電機的同步傳動，可代替單個大負載電機工作.

圖10 六自由度地震模擬臺[15]

2）液壓驅動：液壓驅動轉矩-慣性比大，單位質量輸出的功率大，可以用體積小、重量輕的驅動器產生較大的力和力矩，能在大負載工況下實現快速響應.液壓驅動系統主要組成元件有液壓源、傳感器、控制器、驅動器、伺服閥等，由這些元件構成的反饋控制系統驅動負載.

重載工業機器人中廣泛采用液壓驅動這種大力矩、高精度的驅動方式實現大負載工作.如圖11 所示為中信重工提出的一種液壓驅動高精度重載機器人[16]，該機器人總重約29 t，最長可伸展23 m，可通過遙控實現對磨機襯板7 個自由度的取卸和夾裝，能適應大跨度、高靈活性的重載作業.

圖11 液壓驅動重載機械手結構圖[16]

2 重載工業機器人應用

2.1 搬運碼垛

近些年，企業生產力水平提高，物料搬運領域對負載和效率的要求也隨之提高，因此，對重載工業機器人這種大負載自動化裝備的需求亦逐漸加大.

國外重載工業機器人在高速搬運碼垛領域應用相對成熟.1988 年成立的瑞典的ABB 公司是目前全世界范圍內最大的自動化公司之一，圖12 所示為其研究生產的全球最快的搬運碼垛機器人IRB 460 機器人[17]，在110 kg 負載的情況下末端運行速度可達每小時2 040 次，定位精度可達±0.2mm，軌跡跟蹤精度可達±0.1 mm.圖13 所示的日本FANUC 公司生產的M-410iB/140H 機器人[18]最大有效負載可以達到140 kg，并且運行速度可達每小時1 900 次，重復定位精度可達±0.2 mm.圖14 所示的M-410iA/160 機器人[19]同樣處于行業領先地位，在最大有效負載160 kg 的情況下工作速度可達每小時1 700 次，重復定位精度可達±0.5 mm.

國內對機器人的研究起步較晚，重載工業機器人應用水平與發達國家的先進水平存在一定差距，但經過長時間努力研究發展，2000 年以后，國內先后涌現出多家從事重載工業機器人生產的企業，重載工業機器人在高速搬運碼垛領域應用水平也越來越高，如圖15 所示為新松公司生產的一系列重載工業機器人[20].

圖12 IRB 460[17]

圖13 M-410iB/140H[18]

圖14 M-410iA/160[19]

圖15 新松重載工業機器人[20]

2.2 機械加工

在大型零件的機械加工過程中，存在安全性低和加工環境惡劣等問題，因此，通常會使用機器人代替人工進行機械加工.從機器人的定義來講，數控機床也屬于工業機器人的一種，數控機床一般采用通用或專用數字程序控制實現自動化，具有高加工精度、高加工效率的特點，能針對尺寸規格大、質量大的工件，具有超強的切削能力，工業上通常使用多軸聯動數控加工中心對一些大型零部件進行機加工.

重載工業機器人在焊接、切割等領域已有優異表現，機器人已經能成熟的應用于焊接領域，自動化焊接的質量和效率也越來越高.20 世紀90 年代，國內外已經利用工業機器人實現汽車、船舶、橋梁等的焊接[21]，一些特種焊接也常常應用重載工業機器人來完成[22]，如鑄鐵焊接、薄鋁焊接，異種金屬焊接、水下焊接等.自攪拌摩擦焊技術（FSW）[23]提出以后，國外就已經開始嘗試把重載工業機器人應用于攪拌摩擦焊接系統.在20 世紀90 年代，瑞士ABB 公司基于IRB 6400 型機器人研發了如圖16 所示的Tower Automotive 攪拌摩擦焊系統[24].為提高攪拌摩擦焊機器人的剛性，國外研究人員基于Tricept 機器人的結構研發了如圖17 所示的GKSS FSW 機器人.到了21 世紀，FSW 機器人的負載能力越來越大，如圖18 所示的基于ABB 公司IRB 7600 機器人研發的攪拌摩擦焊機器人末端有效負載可達500 kg，可完成6 mm 以內的焊接作業.隨后，日本KAWASAKI，德國KUKA 等公司也相繼開發了摩擦焊接機器人[25].隨著工業水平的進步，企業對焊接的板材厚度提出了更高的要求，串聯結構的FSW 機器人在精度、剛度方面已不能滿足需求.結合并聯機構高剛度、高精度的優點，如圖19 所示的三軸Tripod（a）和六軸Hexapod（b）攪拌摩擦焊并聯機器相繼問世.我國對攪拌摩擦焊的研究起步較晚，FSW 機器人技術與國外相比有一定差距.北京賽福斯特公司是我國首家專業化攪拌摩擦焊技術公司[26]，于2002 年成立，并相繼研發了如圖20 所示的多種機床型FSW 機器人和串聯型FSW 機器人.此外，還有多家企業、高校先后對FSW 機器人進行研究，并已投入實際應用.

重載工業機器人廣泛應用于機械加工、汽車制造加工、船舶焊接等機械加工領域，在挖掘機、碎石機、粉碎機等大型設備和飛機、裝甲車等特種設備的機械加工方面也有著較高的效率[27].

圖16 TA FSW 機器人[24]

圖17 GKSS FSW 機器人

圖18 IRB 7600 FSW 機器人[25]

圖19 攪拌摩擦焊并聯機器人[25]

圖20 北京賽福斯特公司研發的機床型（左）和串聯型（右）FSW 機器人

2.3 工業生產制造

在工業生產制造方面，鑄造生產是獲得機械產品毛坯的主要方法[28]，是機械制造業的重要基礎，鑄造行業具有良好發展前景[29].在大型鑄件生產過程中，惡劣的車間環境和繁重的體力勞動迫使企業對重載工業機器人的需求越來越大.國外方面，重載工業機器人已經廣泛應用于鑄造行業，用重載工業機器人完成大型鑄件的生產，提高鑄件的質量和生產效率，實現鑄造生產自動化.Ronger 等[30]在壓力鑄造生產中應用機器人工作站，提高鑄造生產率、優化鑄件質量.Brain W 等[31]指出鑄造自動化已成為鑄造生產企業設定的新標準.William Pflug 等[32]提出重載工業機器人在復雜環境下應用的重要性.美國Unimatoin 公司生產的專用鑄造機器人可用于取件、噴涂和檢測等.ABB 公司推出用于后處理的壓鑄機器人和用于預加工鋁鑄件的鑄造機器人[33].美國制造周刊[34]介紹了鑄造搬運機器人用來提高鑄件質量和生產效率.如圖21 所示，德國KUKA 公司研制了KR 1000 titan F 機器人，該機器人結構緊湊、能負載950 kg 的重物，已被應用于鑄造行業.

我國的鑄造行業發展史從上個世紀60 年代開始的，對鑄造機器人的應用較晚，最先把鑄造機器人應用于自動化生產線的是廣西玉柴機器集團有限公司，提高了鑄件質量和生產效率，減少了鑄造污染，如圖22 為廣西玉柴下芯機器人[35].繼而浙江萬豐科技開發有限公司研發出串聯鑄造機器人[36]，并應用于鎂鋁合金鑄造的澆注作業.中國重汽濟南鑄鍛中心[37]把如圖23 所示的重載工業機器人用于缸蓋制芯生產線中的制芯、修芯、組芯、浸涂工序.

圖21 KUKA KR 1000 titan F 機器人

圖22 廣西玉柴下芯機器人[35]

圖23 重載工業機器人

2.4 其他應用場合

考慮到機器人高機動性和靈活性，重載工業機器人常用于進行全方位、多姿態的雕刻加工.瑞典的J.Andersson，G.Johansson 等[38]學者于上世紀90 年代末首先將工業機器人用于木材雕刻領域.隨后，J.Andersson 建立了木材雕刻加工控制的模型[39].香港大學的Chen YH 和Hu YN 研究了曲面雕刻加工，并對工業機器人用于曲面雕刻的粗、精加工分別進行了分析[40-41].我國華中科技大學的劉蒙、劉延林[42]對雕刻機器人也進行了研究，分析了銑床用于雕刻加工的缺點，結合工業機器人靈活性高和負載大的優勢，提出了把機器人用于雕刻加工的方案.工業機器人在雕刻加工領域的應用越來越成熟，可以通過增加末端負載能力來適應多種雕刻材料的加工.目前，工業機器人已經應用于石材雕刻加工[43]，可以利用重載工業機器人對堅硬的花崗巖、大理石等進行雕刻加工.

運動仿真平臺也是并聯式重載工業機器人的一個重要應用領域.目前，運動仿真平臺已經廣泛應用于航空航天設備、水下艦船、坦克、汽車等裝備的性能測試以及駕駛員測試訓練等方面.國內外有多家企業基于并聯式重載工業機器人的運動仿真平臺進行生產研發，較為著名的有加拿大的CAE 公司、美國MOOG公司、法國CKAS 公司等一些國外公司，以及北京藍天航空科技有限公司、武漢穆特科技有限公司、北京星光凱明動感仿真中心等.圖24 是Gough-Steward運動模擬裝備[44-45]，動平臺可以實現6 個自由度的大負載運動.

圖24 Gough-Steward 運動模擬裝備[45]

3 發展趨勢

在機器人的技術層面上，國內外學者進行了一系列重載工業機器人運動學、動力學、軌跡規劃以及運動控制等方面的研究，并研究開發了各種機器人傳感器，如光敏傳感器、霍爾傳感器等，同時還進行了機器人自動診斷技術、多傳感器綜合運用技術、離線編程技術等研究，為重載工業機器人的廣泛應用打下了堅實的基礎.重載機器人在技術研究的過程中，仍然面臨著一些技術挑戰.

1）機械結構設計：隨著科技水平的進步和企業自動化生產線的升級發展，重載工業機器人在各個領域的應用越來越廣泛，企業對機器人各方面性能和指標的要求也越來越高，重載工業機器人在結構方面需要有進一步的優化，以便適應越來越高的社會生產需求.

a.輕量化.傳統的重載工業機器人體積大、質量大、能耗大、負載/自重比較低，在進行結構設計時，往往希望在保證負載不變的情況下減小機器人的質量，從而減小慣量，達到提高工作穩定性、減少能耗的目的，實現重載工業機器人的輕量化與節能化.

b.高剛度、高精度.為了提高重載工業機器人的可靠性、延長機器人的使用壽命，通常需要對機器人的剛度和精度進行分析研究.目前提高機器人的剛性較為普遍的方法是采用平行四邊形結構，但會增加機器人結構的復雜性.同時，工業機器人在大負載工作時的精度較低.因此，如何進一步優化重載工業機器人的剛度和精度，是當前的研究熱點.

c.高速重載.從重載工業機器人結構不平衡性的角度考慮，在重載作業的過程中很難實現高速運動，為了減少振動帶來的不良影響，通常只能使其保持中低速運行.隨著自動化生產水平的不斷提高，重載工業機器人的工作速度已經達不到現在的自動化生產需求，在自動化生產線上達不到預期的生產速度.為此，亟需研究一種高速重載且響應快的工業機器人.

2）運動控制技術：由于高負載的特性，重載工業機器人運動控制在技術上面臨著更大的挑戰。

a.智能控制.由于重載工業機器人構型上的差異，導致在算法編程以及軟件開發上的邏輯結構不同，從而導致控制算法單一，機器人智能化水平不夠.現階段需要提高智能控制技術的開發，來適應各種應用場合與結構形式的重載工業機器人，提高重載工業機器人的智能化水平.

b.軌跡規劃.為了保證重載工業機器人的高效性和節能性，從軌跡規劃的能耗和路徑角度考慮，往往需要采用優化算法.目前，不同的優化算法都存在各自的特點，在實際應用過程中需要根據具體的應用場合進行選擇，未來對于最優軌跡還有待進一步研究開發.

3）關鍵零部件：重載工業機器人關鍵零部件的研究制造能力有待發展和創新，這些零部件技術上的突破也是重載工業機器人產業化發展的一大重點.

a.大轉矩驅動.針對重載工業機器人的大負載工況，對于驅動器轉矩的要求也非常之高.由于驅動器的驅動力和驅動轉矩約束，重載工業機器人的負載能力難以突破，限制了重載工業機器人的發展.因此，需要在驅動器方面進一步研究開發，提高驅動轉矩.

b.高性能減速器.減速器作為重載工業機器人核心零部件之一，它的性能在一定程度上決定了機器人的性能.隨著不斷提高的社會生產水平，需要結構簡單緊湊、傳遞功率大、噪聲低、傳動平穩的高性能精密減速器來滿足重載工業機器人的發展需求.

c.高效控制器.控制器是重載工業機器人的大腦，它直接決定了機器人性能的優劣.目前，機器人控制器大多依賴進口，面臨著控制器各異，可移植性差，軟件開發效率低、性能不足等問題.而隨著微電子技術的快速發展，微處理器的性能越來越高.高性能的微處理器使得開發高效、高性能的工業機器人控制器成為可能.

4 結 論

本文介紹了重載工業機器人的幾種驅動類型，對比了各種驅動的工作原理和特點，描述它們在重載工業機器人中的應用情況.綜合國內外重載工業機器人在搬運碼垛、焊接切割、鑄造、雕刻等各個領域的應用，論述重載工業機器人能夠適應大負載、大跨度作業的應用需求，具有多樣的功能和穩定可靠的性能.結合重載工業機器人應用中存在的問題，展望了重載工業機器人在結構、控制以及關鍵零部件方面的發展趨勢，提出重載工業機器人整體朝著輕量化、節能化、高效化和智能化的方向發展，具有十分廣闊的應用前景.