基于系統動力學的工業機器人產業發展路徑研究

王尊

摘要：工業機器人產業作為新興產業的代表，是實現制造強國戰略的關鍵環節，是帶動中國經濟發展的新引擎，具有高風險、高投入、高產值等特點，在新時期，其產業發展也呈現出新的規律，受到了我國政府和專家學者的關注。研究機器人產業發展的基本特征、內涵、要素、結構以及作用路徑，有助于揭示機器人產業發展的最優路徑。

關鍵詞：系統動力學;工業機器人;產業發展路徑

1系統動力學簡介分析

（簡稱SD—systemdynamics）的出現于1956年，創始人為美國麻省理工學院（MIT）的福瑞斯特（J.W.Forrester）教授。系統動力學（systemdynamics）運用“凡系統必有結構，系統結構決定系統功能”的系統科學思想，根據系統內部組成要素互為因果的反饋特點，從系統的內部結構來尋找問題發生的根源，而不是用外部的干擾或隨機事件來說明系統的行為性質。系統動力學對問題的理解，是基于系統行為與內在機制間的相互緊密的依賴關系，并且透過數學模型的建立與操弄的過程而獲得的，逐步發掘出產生變化形態的因、果關系，系統動力學稱之為結構。

2系統動力學工業機器人模擬仿真研究

工業機器人動力學可以分為動力學正問題與逆問題兩大部分.動力學正問題即為在已經得知機器人執行器的驅動力的情況下來計算關節移動、速度與加速度等數據;動力學逆問題即為在已經得知機器人關節位移、速度與加速度的情況來計算機器人執行器的驅動力.主要對動力學逆問題進行研究.一般工業機器人動力學研究方式包括牛頓-歐拉法、高斯法等，不同的方法擁有不同的特點與優勢.現針對拉格朗日法進行探析。

任何機械系統中下列等式成立：

在式（1）中，L為拉格朗日函數，K為系統總動能，P為系統總勢能.

系統動力學狀態的拉格朗日方程為：

在（2）中，L即為拉格朗日函數，n為機器人連桿數量，qi為廣義坐標，q·為廣義速度.工業機器人動力學方程的計算步驟如下：第一，計算求解某一連桿質點的速度;第二，計算求解各個連桿的動能與總動能;第三，計算求解各個連桿的位能與總位能;第四，建立機器人拉格朗日方程;第五，計算求知得出動力學方程.現羅列機器人總動能、機器人系統總位能公式。

為從上述公式可以看出，工業機器人的動力學方程十分復雜，如果想通過人工計算來獲得機器人在空間位置中運動關節的力矩分布或計算工業機器人某一條路徑上的力矩難度很高，利用仿真軟件來對其進行仿真計算則相對更加簡便。在眾多虛擬樣機仿真軟件當中，ADAMS是其中較為杰出的一種。

在使用過程中首先要建立機械系統動力學模型;該軟件采用拉格朗日法來建立動力學方程;在經過各種計算與分析后，得出位移、速度等各種指標曲線;ADAMS能夠對系統性能進行預測，進行峰值載荷求解等.傳統工業機器人動力開發周期長，節奏緩慢，投入成本高，產品質量難以得到顯著提升.而使用ADAMS軟件則可以對機器人在各種工作狀態下的運動進行進行模擬仿真，以便第一時間完整全面地掌握機器人的各項指標信息，以便找出隱藏的問題進行修改，一直到獲得安全可靠的設計方案。

因此，在進行樣機的設計開發過程中為了實現最佳的效果則可以利用計算機仿真技術ADAMS來進行處理，其可以通過持續的虛擬樣機試驗來獲得安全可靠的設計方案，以降低開發設計成本，減少開發時間.建立虛擬樣機模型首先要建立機器人虛擬模型，然后將模型導入ADAMS當中，進而在ADAMS環境中進行建模.建模過程如下：

第一，設置工作環境;第二，給機器人的部件進行命名與定義，并且確定其質量信息;第三，施加荷載，機器人肘部上裝設了送絲部件，質量大約為6kg，因此使用ADAMS中的單向力荷載在機器人肘部上位置加60N負載.機器人末端裝設了焊槍，質量為3kg，因此可以在機器人末端施工30N載荷模擬負載;第四，在機器人關節角度裝設傳感器裝置，利用sensor來設置其轉動范圍與距離;第五，驗證模型，對建立的模型進行驗證，核對其正確性，是否存在冗余約束.

3基于系統動力學的工業機器人產業發展路徑研究

機器人產業發展所受到的影響因素主要有人力、經費、創新環境和科技等，然而一些研究指出，時間跨度如果較短，那么對機器人發展產生顯著影響的要素就是企業創新活動。所以，在本次研究中，可以將創新要素當成本系統的關鍵驅動，并可以據此對該產業差異性的創新環境所對應的產業發展變化展開相應的模擬分析。在完成上述工作之后，還需要借助動力學方法，對系統內部諸多變量及其不同子系統之間的因果關系進行定性分析。這也可以利用VENSIM軟件系統繪制相關變量的反饋機制，并構建相應的模型結構。

機器人產業發展水平主要體現在產品銷售收入，目前，機器人產業又分為三種，第一種是機器人系統集成，第二種是機器人本體，第三種是機器人關鍵零部件。機器人系統集成是為最終用戶提供機器人系統解決方案，通過利用已有機器人本體，為不同行業用戶提供集成服務，位于產業鏈的下游應用端。目前，其發展已經到了一個“分水嶺”，有逐步向機器人本體領域延伸的趨勢。對機器人產業發展進行系統分類梳理，可以避免產業一刀切，有助于研究機器人產業發展的不同階段、不同路徑。

在產業發展初期，國家產業政策在全方位支持機器人系統集成、機器人本體和關鍵零部件產業發展的同時，應優先重點支持機器人系統集成產業發展，同時重點布局機器人本體和關鍵零部件研發。在產業發展中期及以后較長時間，建議機器人系統集成產業發展交給市場，國家產業政策應重點支持機器人本體和關鍵零部件研發和產業發展，特別是“十三五”后期，應更加聚焦基礎零部件、基礎制造工藝和基礎材料等基礎產業研發，為制造強國建設奠定堅實基礎。

4結語

系統動力學應用范圍日益擴大，幾乎遍及各個領域，逐漸形成了比較成熟的新學科——系統動力學。機器人的應用大力推動了世界工業的發展.近幾年來，機器人研究領域對機器人的動力、控制、技術等方面的研究取得了眾多的令人矚目的成果.相信在未來伴隨著計算機技術、智能化控制技術的發展，機器人技術領域將會擁有巨大的發展空間，實現質的飛躍。

參考文獻：

[1]陶靜宜，沈梅林.工業機器人的應用現狀及發展趨勢[J].農村經濟與科技，2017（8）：297.

[2]魏爽.工業機器人的技術發展趨勢及產業應用現狀[J].環球市場，2016（28）：64.

（作者單位：ABB（中國）有限公司遼寧分公司）