淺談工業機器人的發展趨勢

劉雋宏

桂林理工大學機械與控制工程學院，廣西桂林，541006

0 引言

我國工業發展面臨著與全球市場接軌，并積極參與全球分工的重要挑戰，要實現中國高端工業的競爭優勢，就必須實現數字化，在主要工業生產領域全面實施智慧制造模式，而推進工業機器人的研制與制造，并將之運用到工業的生產實踐中，是通過實施智慧制造模式使中國由工業大國邁向工業強國的關鍵手段與路徑。為了適應現代科技的發展，滿足人民群眾生活不斷增長的物質需求，適應多樣化、個性化以及向更大更寬的應用領域發展，工業機器人的研究和應用正在朝著模塊化、可重構化、PC化、開放化、網絡化、數字化、系統化、智能化趨勢發展[1]。

1 結構的模塊化和可重構化

傳統的工業機器人系統都是按照一定的工業使用范疇來發展的，由于工業應用任務明確，一般可包括焊接加工機器人、移動機器人、噴漆機器人、擦膠機器人、組裝機器人、碼垛機器人、分割機器人等，但由于市場與全球化的競爭日益加劇，需要工業機器人系統在使用范疇上更加廣泛，而僅僅能夠滿足一定的有限范圍的工業機器人的基本構型已無法適應市場經濟的需求，所以有必要發展可重構工業機器人系統，以滿足科技發展對各種各樣工作任務機器人的需求。它是由一組具備各種性能特點和各個大小尺寸且可互換的機械模塊構成，可以根據各種各樣的工作條件而被裝配成各種各樣大小不同構形的機器人。

模塊一詞也是一種設計用語，是經過格式化整理的模塊，是指一個已經組裝好的硬件功能單元，能夠與其余元件同時使用、合并或替換，是可以獨自命名或獨自完成某種功用的程序語言的集合體（即程式代碼和各種數據構成的集合體）。它有兩種基本特征：外觀特性與內在特性。外部特性是指模塊完成與外界之間的連接（即任何模塊完成或程序調用該模塊完成的方法，包含有進入輸出參數、引入的全局變量）和模塊完成的各種功用；內在特性是指模塊完成的內在環境具備的特性（即該模塊完成局部數據信息和程式代碼）。模塊化機器人針對其使用領域、工件特征和性質，以及功能本身的特點應具備以下特征：各個功能模塊都應是單獨的，或者自組裝的；是可以快速連結到任何其他的模塊單元，而不管其類型怎樣；是最小重力和最小慣性的，在運動學和動力學上都具備獨特性。因此它是一種系統，是由一個模塊組成的[2]。

目前對機械模塊的分類，大致是從基本單元、末端件、連桿、關節等方面來劃分的。模塊通常是自封閉的，硬件部分包括感應器、傳動設備、感應器端口、CPU、驅動器、剎車器、電機增強器和通信端口等。而模塊的電器部分設計也要符合模塊化要求的設計原理，要有具有基本功能的母版和特殊功用的子版，還必須設計一種高度集成的快速相互耦合接口，以利于模塊內部和模塊之間的高速互連。模塊應該能夠實現某一特定功能，有自封裝的功能，并具備驅動能力，實現一定的運動與動作，以便于不同模塊之間能配合工作，還應該具備通信能力、數據處理能力。

模塊化機器人是由一組不同功能的組件構成的，它使用不同的通用化、標準化模塊裝配成不同模塊化的機器人形，用一種最優的裝配構形來實現給定的功能，使模塊化機器人構形的最基本設計目的得到了表達。在研制模型硬件的同時也需要發展實時控制應用，以滿足機器人使用范圍的迅速變化，必須要實現模型應用軟件的研制和這些功能根據硬件構形和功能任務自動整合并運用于機器人之中。

工業機器人控制系統通過架構的模塊化，大大增強了工業控制系統的安全性、易操控性和維修性，同時使用者也可以很簡單地拆散或者組裝不同模塊，組合成不同的工業機器人構形以適用于一定的工作條件，這便是工業機器人的可重構化。

2 控制技術的PC化、開放化和網絡化

控制技術，是指根據現代科學技術的發展，利用現代管理、儀器儀表、電子計算機以及其他信息，對生產流程所實行的監測、管理、優化、調整、監控和決策，以實現提高質量、降低資源消耗、實現產量目標、保證安全性等目的的先進綜合型控制技術，主要分為制造自動化系統應用軟件、硬件和系統三大部分。近年來，由于制造業電子計算機的發展，由工業PC、I/O裝置、監測裝置、監控網絡等構成的工業PC—based的制造業智能化體系應用于制造業實踐中，使低成本制造業的智能化目標得以實現。許多公司在采用了工業生產PC所構建的控制器后效益很好，但工業生產PC在高檔電子設備中的運用越來越多，數據信息繁雜且工業設備集成度高，觀其發展，控制器將來很可能會出現在工業生產PC與PLC系統中，這種技術融合的現象也開始出現[3]。

PC化和開放化將是PLC系統未來發展的重點方向，近年來，隨著微型PLC的研制成功，以及軟件PLC（soft PLC）控制系統的功能逐步完善與發展，配備了軟件PLC組態軟件和PC—based控制器功能的設備也將越來越多。隨著Ethernet技術的發展，PLC規模擴大，為更多的PLC設備提供了Ethernet端口，因此PLC將向開放式控制系統方面發展，尤其是基于工業PC的控制系統。

控制技術的開放化，主要目的是克服封閉控制系統主要功能和適應變換頻率較高的工作需求之間的沖突，并由此形成了一種控制系統網絡平臺。這種控制系統網絡平臺是一種可重構的、功能統一的、提高了數控系統柔性的平臺。控制系統構建在一種開放性的網絡平臺上，具有模塊化的組織架構，以便滿足能快速應對用戶各種變化的使用要求，并按照需求進行選擇與整合，從而改變并拓展了控制系統的功用。構成控制系統的各個主要功能系統也能夠與來自各種各樣的設備供應商彼此整合。開放化控制器的研發能夠在系統的運行平臺上直接面對終端用戶，從而形成了系列化，并能把終端用戶的特定應用整合到控制器中，實現了各種開放性的控制器。它包括：系統互換性、可伸縮性、可移植性、可互操作性。開放化控制器結構并非既有控制結構的簡單集成，而是在博采眾長的基礎上，反映控制器結構開發的成果進行開發。

在一些工業機器人控制系統中，有很多不同的信號、測試儀、PLC、讀卡器、電腦等技術設備，利用上述技術設備所提供的通信接口，通過相互連接組成了一種綜合控制網絡系統，與無線局域網技術設備之間通過隔離式信號轉換器，使工業設備的串口信息和無線局域網及以太網絡信息互相轉化，從而擴大了工業設備的互聯能力。近年來，由于信息、網絡通信技術、計算機等現代化信息技術的發展，通過將計算機與網絡技術、無線信息、傳感器技術等三者融合，導致了網絡化智能傳感器的誕生，同時由于這些智能傳感器技術在工業生產裝置中大量運用，使得在工業裝置工作時，現場的數據都可以利用無線鏈路在互聯網上共享、發布、傳輸。這種無線局域網技術大大豐富了工業控制網的通信能力和特性，也有效地克服了在工廠一些環境下有線上網的缺點，可以為廠房內各類智能裝置、智能化設施之間的通信提供高帶寬的無線網絡數據鏈路和靈活多樣的網絡拓撲架構。該控制器能夠便捷地連接所有類型計算機的特殊網絡系統，管理者利用計算機網絡對設備實施全面的監視與控制。將控制器連接工廠局域網后，管理者將能夠使用管理電腦，利用互聯網直接了解各種有關加工廠的工況與工作流程的信息數據，并及時發布各類命令，以保證生產目標的達成，還可通過互聯網接受各種工作任務和商家的技術服務[4]。

3 伺服驅動器技術的數字化與分散化

工業生產機器人系統共有四大部件，依次是機械本體、伺服系統、加減速器和控制器。其中，工業機器人電動伺服系統的基本構造由三條循環進行控制，即電壓環、轉速環、位置環。伺服系統由伺服電機、伺服驅動器、指令機構等三個部分所組成，其執行部分就是伺服電機，依靠它來進行運動，其電機的速度隨著控制器信號的改變而發生變化，并能實現不斷改變。更好地滿足生產實踐應用需要，要求伺服電機必須體型要小、質量要小、軸向長度要短，并能在短時間內經受數倍過載，經受得起苛刻的十分繁瑣的正反方向加減工作。伺服驅動器是伺服電機的高功率電源，是可使用各類電機所形成的動力和扭矩，通過直接或間接地驅使機器人本身從而實現自動化機器人系統的各項運動的機構，具備轉矩轉動慣量比高、無電刷無換向火花等優勢。伺服驅動器利用接收到的通信信號控制輸出端旋轉角度，為自動化機器人系統的各個關節形成相對精確的傳遞動力，來完成相對精確的運動控制。指令機構是發脈沖或者給速度用于配合伺服驅動器工作。伺服管理系統又名隨動管理系統，是指一種精確的追蹤或復現某種工作過程的反饋控制管理系統，是專指被控量（操作系統的輸入輸出量）是機械位移或移動速率、加速率的直接反饋管理系統，其功能是使輸入輸出的機械位移（或旋轉）精確地追蹤入口的移動（或旋轉），伺服系統的結構組成和其他形式的反饋控制系統沒有原則上的區別。伺服驅動器則能夠利用人工設置的其內部功能參數，完成相對位移調節、轉速限制、扭矩調節等各種功能。

隨著現代相關科技的發展，使用新型高速微處理器和專用數字信號處理器（DSP）的伺服裝置控制單元將全面取代全部由傳統模擬元器件所組成的伺服裝置控制單元，進而通過將伺服裝置驅動系統完全數字化的方法以實現。完全數字化的實現，使原來的硬件伺服控制系統變為了應用軟件伺服控制系統，進而使在伺服驅動系統中大量運用現代控制技術中的高級算法技術（如；優化管理、人工智能、模糊管理、神經元網絡技術等）變為了可能。

隨著現代工業的生產實踐中出現了大慣量、大功率裝備的出現，采用多個電機同時驅動的方法已經代替單電機驅動，成為當今伺服系統控制研究領域的難點、熱點及發展方向，并且已經在工業軋鋼系統、艦炮控制系統、雷達伺服系統得到了成功應用。相較于單電機驅動系統，多電機驅動系統能夠很大程度上增強系統的過載能力和整體的驅動能力，極大降低對每個驅動電機功率等性能的要求，消除制造成本和技術限制。同時，多個電機驅動系統的聯動控制還可以提高復雜系統的控制精度、加快系統的響應速度。

4 多傳感器融合技術的實用化

傳感器，是指一類可以滿足對信號的收集、傳遞、處理、儲存、顯示、記憶、控制等基本要求的測量設備。它能感覺到被測量的信息內容，并可把所感覺到的信號數據，按一定規律轉化作為電信號或其所要求形態的信號輸入輸出，這是完成控制和自行測量中最關鍵的主要環節，是不可缺的。在現代工業特別是自動化制造過程中，要監測和管理在工業生產過程中的所有參數，使機器設備在正常狀況或良好狀態下工作，圓滿達到工作目標，就需要應用各種智能傳感器。可以說，眾多功能優良傳感器是中國現代化工業的重要基石，已經滲透到了工業生產、宇宙研究、海洋監測、環保、資源研究、醫療診斷等人們生活的各個領域[5]。

工業機器人要完成復雜工作，需要許多種類和不同型號的感應器共存于一個機器人的傳感體系中，而各個感應器所收集的數據在時限、空間和表達方式上也不盡相同。因此如果對各個不同感應器所收集的數據分別進行處理和分析，就常常會導致數據的丟失錯誤和判斷的失敗。要防止和改變這一現象，就必須引進多種數據整合方法，將處在相同條件下的多種傳感器數據按照相應的方法和策略加以整合而不能簡單地合并，從而得到系統的一致性的數據解釋。多傳感器的信息融合技術指機器人運用對不同信息有效地統一的使用方式，即采用對不同感應器及其所檢測數據的適當支配和使用，把多種感應器之間在空間和時間上的相互作用和冗余信息按照同一個優化原則結合在一起，從而形成對所監測環境的一致性理解和評價。信息融合的目標是透過從各感應器中分散檢測的數據、運用對數據的優化組合，得出更多的可用數據。其終極目的是透過運用多種感應器間共享或聯合操作的技術優勢，增強整套感應器體系的穩定性。

隨著現代信息技術在工業機器人領域的廣泛應用，工業機器人正不斷地向著自動化、多功能化以及高性能、自檢測、自維修趨勢方向發展，感應器功能也日益強大。組裝和連接機器人運用了與視野、力覺、移動、高速、低速等感應器，遙測自動化機器人運用了觸摸、力覺、視野、音覺等感應，來實現對環境、模型和決策監控。

5 工作條件設置的優化，生產作業的柔性化和管理系統的聯網和智能化

工業機器人所具的各項工作功能基本上是由工業機器人部門、感應器部門、操控部門的組合而確定的，但是，工業機器人的各項工作能力基本上還取決于與外界條件的連接與協調能力，即工業機器人與外界條件的互動能力，一般分為硬環境與軟環境。與硬環境的互動，一般是與外界器件間的信息交流、對工作域的障礙和自由度空間的定義、對作業目標的定義等；與軟環境的互動，一般是與生產單元控制計算機所帶來的控制數據的交流。為了使工業機器人順利、高效、精確地實現既定的各項工作目標，還需要充分利用各種先進的現代科學實用技術，并借助計算機技術，進行各項工作設計的動態分析與模擬，以加強對工業機器人的崗位條件的優化設計。工業機器人在作業時應合理運用科學的現代控制理論和智能傳感器技術，以實現工業機器人作業對周圍環境的適應性和高度柔性，同時降低了作業人員參與的崗位復雜度。

隨著信息技術、計算機技術、網絡通信技術、傳感器技術等現代化高科技技術的發展和成熟，工業機器人由一個獨立的個體機器人向幾個、幾十個甚至上百個工業機器人群體發展，由一個單獨獨立的機器人個體系統向多個機器人群體組成的群體系統發展，使智能遙控型工廠成為現實，它實現了遠距離的智能生產操作、工作維護，以及實時生產監控。現如今，工業機器人的自動化程度也愈來愈高，系統集成愈來愈高越來越小，體系結構也愈來愈靈活，并朝著工業一體化方向發展。

6 結語

縱觀當前國內外的工業機器人研發與使用狀況，工業機器人架構正不斷走向模塊化與可重構化發展，控制正向PC化、開放化與互聯網方向發展，伺服驅動器技術向著數字化和分散性強方向發展，多傳感器融合技術朝著應用性強方向發展，工作環境設計朝著最優化和作業環境的柔性型及其控制系統的聯網和智能的大趨勢發展，以適應現代工業對工業機器人多樣化、個性化的需求，向更大、更寬的應用領域發展。