工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

仲雪偉，周佳偉，王東麗

（沈陽(yáng)工學(xué)院，遼寧 撫順 113122）

工業(yè)機(jī)器人包含各種各樣先進(jìn)的技術(shù)，在生產(chǎn)領(lǐng)域中具有非常廣泛的發(fā)展前景。工業(yè)機(jī)器人制造時(shí)，要融入多項(xiàng)學(xué)科知識(shí)，既要考慮生產(chǎn)工業(yè)的需求，融入先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，又要融入機(jī)電技術(shù)與電氣技術(shù)。隨著人們對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的要求日益提升，傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域需融入先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因此為提高生產(chǎn)效率，使生產(chǎn)邁向標(biāo)準(zhǔn)化方向，要加強(qiáng)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)。

1 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展概述

1.1 早期發(fā)展情況

工業(yè)機(jī)器人概念于20 世紀(jì)30 年代被提出——《麥卡諾》雜志刊登了一款搬運(yùn)機(jī)器人模型，該模型由電動(dòng)機(jī)和機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，可以搬運(yùn)一定質(zhì)量的貨物。在20 世紀(jì)50 年代，Unimation 公司研制出全世界首款數(shù)字化可編程的工業(yè)機(jī)器人，將其命名為Unimat。該款工業(yè)機(jī)器人使用液壓驅(qū)動(dòng)，以示教再現(xiàn)形式生成程序，其定位精度達(dá)到0.000 254cm，被用于開(kāi)展工件搬運(yùn)工作，得到了GKN、日本川崎重工等企業(yè)的廣泛使用[1]。隨著科技水平的不斷提高，工業(yè)機(jī)器人的使用功能日益豐富，如1969 年研制的全電動(dòng)6 軸鉸接機(jī)器人“斯坦福機(jī)械臂”，其可以對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行靈活調(diào)整。1973 年研制出的世界首款搭載微處理器的IRB 6工業(yè)機(jī)器人，被瑞典Mag-nusson 公司大規(guī)模采購(gòu)并被用于磨拋加工襯管彎頭。之后，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域被拓寬至汽車制造、冶金、金屬筑造等行業(yè)領(lǐng)域，替代人工完成復(fù)雜作業(yè)。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)最早于20 世紀(jì)70 年代開(kāi)展工業(yè)機(jī)器人研發(fā)工作，前期處于自行摸索階段，受到工藝技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)限制并未取得顯著成果。從80 年代起，隨著相關(guān)政策的傾斜，我國(guó)進(jìn)一步加大對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)力度，提出“863”“九·五”等技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，并取得了重大技術(shù)突破[2]。截至目前，我國(guó)已建立起完善產(chǎn)業(yè)鏈，在沈陽(yáng)、昆山、上海、徐州等城市建立工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)基地，能批量化生產(chǎn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機(jī)器人。

1.3 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

隨著生產(chǎn)工藝的不斷發(fā)展，人們?cè)诖蠓岣吖I(yè)生產(chǎn)效率及質(zhì)量的同時(shí)，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的使用功能與性能也提出了更為嚴(yán)格的要求，早期所研制的工業(yè)機(jī)器人難以滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)需求。在這一時(shí)代背景下，相關(guān)企業(yè)紛紛加大對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)力度，將高精度化、智能化、自動(dòng)化作為工業(yè)機(jī)器人的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1.3.1 一體化

將工業(yè)機(jī)器人制造技術(shù)范圍涵蓋精密化、智能化、柔性化等方面，將多項(xiàng)使用功能集成為一體，致力于全面提高工業(yè)機(jī)器人品質(zhì)、產(chǎn)量并減少成本。

1.3.2 智能化

運(yùn)用人工智能技術(shù)構(gòu)建專家知識(shí)庫(kù)，要求工業(yè)機(jī)器人模擬人類思維方式來(lái)解決工業(yè)生產(chǎn)期間出現(xiàn)的問(wèn)題，在無(wú)人工干預(yù)前提下自動(dòng)做出并實(shí)施正確決策，如自動(dòng)設(shè)定和優(yōu)化軌跡路徑，滿足精細(xì)化加工和柔性生產(chǎn)需求。

1.3.3 全自動(dòng)化

在生產(chǎn)線上配置多種類工業(yè)機(jī)器人和配套自動(dòng)化設(shè)備，由工業(yè)機(jī)器人替代各人工崗位，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)目標(biāo)。同時(shí)，憑借工業(yè)機(jī)器人較高的智能化程度以及機(jī)器人控制與通信技術(shù)的創(chuàng)新優(yōu)化，將工業(yè)機(jī)器人個(gè)體控制模式轉(zhuǎn)換為相互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同控制模式。

2 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)展

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

將機(jī)械結(jié)構(gòu)作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，可以將工業(yè)機(jī)器人分為并聯(lián)機(jī)器人以及串聯(lián)機(jī)器人兩大類。串聯(lián)機(jī)器人使用串聯(lián)機(jī)械機(jī)構(gòu)，配置電機(jī)與減速器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)作為驅(qū)動(dòng)力作用點(diǎn)，在單個(gè)軸運(yùn)行過(guò)程中并不會(huì)對(duì)其他軸坐標(biāo)原點(diǎn)造成影響；并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)則由2 個(gè)及以上獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈加以連接，結(jié)構(gòu)具有2 個(gè)及以上的自由度，以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)。相比較而言，串聯(lián)機(jī)器人的位置正解操作較為簡(jiǎn)單，但位置反解較為困難；而并聯(lián)機(jī)器人的反解簡(jiǎn)單但正解困難，具有微動(dòng)精度高、剛度大、運(yùn)動(dòng)負(fù)荷小等優(yōu)勢(shì)[3]。

2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2.2.1 液壓驅(qū)動(dòng)

液壓驅(qū)動(dòng)方式主要被用于早期研制的工業(yè)機(jī)器人，如Unimate 機(jī)器人，其具有低速不穩(wěn)定、容易泄壓、產(chǎn)生運(yùn)行噪聲等缺點(diǎn)，且功率單位換算復(fù)雜，當(dāng)前僅在少量大型重載工業(yè)機(jī)器人和并聯(lián)加工機(jī)器人中得以應(yīng)用，如我國(guó)青島華東工程機(jī)械公司研制的全液壓重載機(jī)器人。為突破液壓驅(qū)動(dòng)方式的應(yīng)用局限性，美國(guó)波士頓動(dòng)力公司在研制的BigDog 四足機(jī)器人中，選擇在結(jié)構(gòu)中設(shè)置1 個(gè)變量活塞泵，在發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下對(duì)16 個(gè)液壓執(zhí)行器輸出油壓，將系統(tǒng)油路并聯(lián)的16 個(gè)子液壓執(zhí)行器響應(yīng)頻率控制在500Hz，以此滿足機(jī)器人關(guān)節(jié)快速定位需求，并配置高密度驅(qū)動(dòng)裝置和高性能伺服裝置，維持機(jī)器人力和扭矩的平穩(wěn)輸出，從而克服沖擊荷載、機(jī)械部位形變對(duì)機(jī)器人造成的影響[4]。

2.2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

對(duì)于驅(qū)動(dòng)方式，不同電機(jī)種類的適用范圍有所不同。例如，直流伺服電機(jī)主要被用于高精度要求的工業(yè)機(jī)器人配置，采取閉環(huán)控制方式；直線電機(jī)被用于超高速或超低速的工業(yè)機(jī)器人，具有高加速度、無(wú)空回、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、磨損小的優(yōu)勢(shì)，且主要被用于并聯(lián)機(jī)器人中，有效滿足了并聯(lián)機(jī)器人的直線驅(qū)動(dòng)需求。

2.2.3 氣壓驅(qū)動(dòng)

與液壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式相比，氣壓驅(qū)動(dòng)有著維修簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)速度快、成本低廉的優(yōu)勢(shì)。但從工業(yè)機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，氣壓系統(tǒng)的工作壓強(qiáng)有待提升，機(jī)器人難以在短時(shí)間內(nèi)做到精準(zhǔn)定位，致使氣壓驅(qū)動(dòng)方式的應(yīng)用范圍較為單一，主要被用作機(jī)器人某端執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)方式，負(fù)責(zé)開(kāi)展中小負(fù)荷工件抓取等簡(jiǎn)單工作。

2.3 感知系統(tǒng)

在工業(yè)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)中，感知系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)其所處環(huán)境情況和內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行感知，將所采集的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行分析處理，生成具體的參數(shù)信息，如相關(guān)機(jī)械量、力矩、位移量、加速度等。從技術(shù)研發(fā)情況來(lái)看，多數(shù)工業(yè)機(jī)器人均采取視覺(jué)伺服技術(shù)，基于圖像或是其所處位置的視覺(jué)伺服，將視覺(jué)信號(hào)作為反饋信號(hào)，全面感知機(jī)器人內(nèi)部狀態(tài)與外部環(huán)境，根據(jù)感知情況調(diào)整工業(yè)機(jī)器人的姿態(tài)及位置。例如，在工業(yè)機(jī)器人中搭載攝像機(jī)，在所獲取圖像資料的基礎(chǔ)上采集有效的感知參數(shù)，確定末端執(zhí)行器姿態(tài)和位置間的映射關(guān)系，將位置姿態(tài)誤差值作為決策依據(jù)，機(jī)器人持續(xù)計(jì)算三維位置姿態(tài)信息，調(diào)整各關(guān)節(jié)姿態(tài)參數(shù)和位置，實(shí)現(xiàn)末端控制器的閉環(huán)控制。

2.4 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)的作用在于，根據(jù)已知信息與現(xiàn)場(chǎng)情況合理規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑，保證運(yùn)動(dòng)路徑和各類障礙物間的安全間距，在軌跡規(guī)劃中添加時(shí)間序列信息，將加速度平方相對(duì)于運(yùn)動(dòng)時(shí)間的積分作為目標(biāo)函數(shù)，確保工業(yè)機(jī)器人可以在預(yù)定時(shí)間內(nèi)完成作業(yè)任務(wù)，且各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)光滑。目前，大部分工業(yè)機(jī)器人均采取示教技術(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，工作人員在操作空間內(nèi)進(jìn)行示教展示，并對(duì)示教結(jié)果進(jìn)行記錄。如此，機(jī)器人在運(yùn)行期間可以直接從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取示教結(jié)果，按順序開(kāi)展對(duì)應(yīng)動(dòng)作即可。

3 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的具體應(yīng)用

3.1搬運(yùn)機(jī)器人

在工業(yè)生產(chǎn)中，搬運(yùn)機(jī)器人主要負(fù)責(zé)替代人工搬運(yùn)生產(chǎn)原材料與產(chǎn)品，在生產(chǎn)線中構(gòu)建高效的物流線，具有搬運(yùn)效率高、可在狹窄復(fù)雜環(huán)境工作、搬運(yùn)速度快、高精度拾放的優(yōu)勢(shì)。例如，ABB 公司所研制的IRB7600 六軸機(jī)器人的極限承載力達(dá)到650kg，被用于開(kāi)展重型零部件起吊與車身轉(zhuǎn)動(dòng)等作業(yè)；日本川崎重工研制的MX700N 六軸機(jī)器人采取垂直多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，極限搬運(yùn)重量高達(dá)700kg，單次可搬運(yùn)大量工件，且該款機(jī)器人的下半部轉(zhuǎn)動(dòng)半徑和影響范圍較小，具備在狹窄空間開(kāi)展搬運(yùn)作業(yè)的條件。

3.2 打磨拋光機(jī)器人

打磨拋光機(jī)器人被用于替代人工開(kāi)展工件精密加工和打磨拋光作業(yè)，有效減少了人為因素對(duì)工件加工精度和成品質(zhì)量造成的影響，且打磨拋光機(jī)器人可切實(shí)滿足不同形狀機(jī)械零件的加工需求。例如，可選擇采取機(jī)械人夾持被加工工件緩慢貼近砂帶等加工工具的打磨拋光方式，也可采取機(jī)器人夾持加工工具緩慢貼近機(jī)械零件的打磨拋光方式。

3.3 縫紉機(jī)器人

在傳統(tǒng)縫紉生產(chǎn)模式中，縫紉過(guò)程較為復(fù)雜精密，對(duì)工作人員的專業(yè)素養(yǎng)有著極高要求，需要企業(yè)投入大量的人力資源，導(dǎo)致縫紉成本居高不下。應(yīng)用新型縫紉機(jī)器人的過(guò)程中，所配置工業(yè)機(jī)器人具有精準(zhǔn)定位、環(huán)境感知等功能，可以在極短時(shí)間內(nèi)識(shí)別縫紉位置，控制末端執(zhí)行器完成移動(dòng)布料等作業(yè)，完成自動(dòng)化生產(chǎn)目標(biāo)。縫紉機(jī)器人如圖1 所示。此外，隨著科技水平的不斷提高，3D 打印技術(shù)在縫紉機(jī)器人方面得到廣泛應(yīng)用。例如，我國(guó)中船重工716 所聯(lián)合寧波慈星公司研制的3D 縫紉機(jī)器人，在汽車內(nèi)飾生產(chǎn)領(lǐng)域得到應(yīng)用普及，可以對(duì)汽車內(nèi)飾皮革開(kāi)展空間自動(dòng)化縫紉作業(yè)，取得了良好的縫合效果。

圖1 縫紉機(jī)器人

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，當(dāng)前我國(guó)已成為全球最大的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)，且制造業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人呈現(xiàn)出極為旺盛的應(yīng)用需求。在這一時(shí)代背景下，相關(guān)企業(yè)必須加大對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)力度，克服工業(yè)機(jī)器人在發(fā)展期間暴露出的各項(xiàng)技術(shù)難題，推動(dòng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的擬人化、智能化、自動(dòng)化與一體化發(fā)展，以此改變工業(yè)生產(chǎn)方式，使工業(yè)機(jī)器人可為工業(yè)生產(chǎn)提供更多保障，為企業(yè)帶來(lái)無(wú)限發(fā)展空間。