工业机器人技术的发展与应用

工业机器人包含各种各样先进的技术，在生产领域中具有非常广泛的发展前景。工业机器人制造时，要融入多项学科知识，既要考虑生产工业的需求，融入先进的计算机技术，又要融入机电技术与电气技术。随着人们对工业生产的要求日益提升，传统的工业领域需融入先进的网络技术，因此为提高生产效率，使生产迈向标准化方向，要加强对工业机器人的研究和开发。

1 工业机器人技术的发展概述

1.1 早期发展情况

工业机器人概念于 20 世纪 30 年代被提出——《麦卡诺》杂志刊登了一款搬运机器人模型，该模型由电动机和机械结构组成，可以搬运一定质量的货物。在 20 世纪 50 年代，Unimation 公司研制出全世界首款数字化可编程的工业机器人，将其命名为 Unimat。该款工业机器人使用液压驱动，以示教再现形式生成程序，其定位精度达到 0.000 254cm，被用于开展工件搬运工作，得到了 GKN、日本川崎重工等企业的广泛使用 [1]。

随着科技水平的不断提高，工业机器人的使用功能日益丰富，如 1969 年研制的全电动 6 轴铰接机器人“斯坦福机械臂”，其可以对机械臂运动路径进行灵活调整。1973 年研制出的世界首款搭载微处理器的 IRB 6工业机器人，被瑞典 Mag-nusson 公司大规模采购并被用于磨抛加工衬管弯头。之后，工业机器人应用领域被拓宽至汽车制造、冶金、金属筑造等行业领域，替代人工完成复杂作业。

1.2 国内发展现状

我国最早于 20 世纪 70 年代开展工业机器人研发工作，前期处于自行摸索阶段，受到工艺技术和经验限制并未取得显著成果。从 80 年代起，随着相关政策的倾斜，我国进一步加大对工业机器人技术的研发力度，提出“863”“九·五”等技术发展计划，并取得了重大技术突破 [2]。截至目前，我国已建立起完善产业链，在沈阳、昆山、上海、徐州等城市建立工业机器人产业基地，能批量化生产具有自主知识产权的工业机器人。

1.3 未来发展趋势

随着生产工艺的不断发展，人们在大幅提高工业生产效率及质量的同时，对工业机器人的使用功能与性能也提出了更为严格的要求，早期所研制的工业机器人难以满足实际工业生产需求。在这一时代背景下，相关企业纷纷加大对工业机器人技术的研发力度，将高精度化、智能化、自动化作为工业机器人的未来发展趋势。

1.3.1 一体化

将工业机器人制造技术范围涵盖精密化、智能化、柔性化等方面，将多项使用功能集成为一体，致力于全面提高工业机器人品质、产量并减少成本。

1.3.2 智能化

运用人工智能技术构建专家知识库，要求工业机器人模拟人类思维方式来解决工业生产期间出现的问题，在无人工干预前提下自动做出并实施正确决策，如自动设定和优化轨迹路径，满足精细化加工和柔性生产需求。

1.3.3 全自动化

在生产线上配置多种类工业机器人和配套自动化设备，由工业机器人替代各人工岗位，实现全自动化生产目标。同时，凭借工业机器人较高的智能化程度以及机器人控制与通信技术的创新优化，将工业机器人个体控制模式转换为相互联网的协同控制模式。

2 工业机器人技术的进展

2.1 机械结构

将机械结构作为划分标准，可以将工业机器人分为并联机器人以及串联机器人两大类。串联机器人使用串联机械机构，配置电机与减速器进行驱动，将旋转关节作为驱动力作用点，在单个轴运行过程中并不会对其他轴坐标原点造成影响；并联机器人的机械结构则由 2 个及以上独立的运动链加以连接，结构具有 2 个及以上的自由度，以并联方式驱动。

相比较而言，串联机器人的位置正解操作较为简单，但位置反解较为困难；而并联机器人的反解简单但正解困难，具有微动精度高、刚度大、运动负荷小等优势 [3]。

2.2 驱动系统

2.2.1 液压驱动

液压驱动方式主要被用于早期研制的工业机器人，如Unimate 机器人，其具有低速不稳定、容易泄压、产生运行噪声等缺点，且功率单位换算复杂，当前仅在少量大型重载工业机器人和并联加工机器人中得以应用，如我国青岛华东工程机械公司研制的全液压重载机器人。为突破液压驱动方式的应用局限性，美国波士顿动力公司在研制的BigDog 四足机器人中，选择在结构中设置 1 个变量活塞泵，在发动机驱动下对 16 个液压执行器输出油压，将系统油路并联的 16 个子液压执行器响应频率控制在 500Hz，以此满足机器人关节快速定位需求，并配置高密度驱动装置和高性能伺服装置，维持机器人力和扭矩的平稳输出，从而克服冲击荷载、机械部位形变对机器人造成的影响 [4]。

2.2.2 电机驱动

对于驱动方式，不同电机种类的适用范围有所不同。例如，直流伺服电机主要被用于高精度要求的工业机器人配置，采取闭环控制方式；直线电机被用于超高速或超低速的工业机器人，具有高加速度、无空回、结构简单、磨损小的优势，且主要被用于并联机器人中，有效满足了并联机器人的直线驱动需求。

2.2.3 气压驱动

与液压驱动和电机驱动方式相比，气压驱动有着维修简单、驱动速度快、成本低廉的优势。但从工业机器人实际运行情况来看，气压系统的工作压强有待提升，机器人难以在短时间内做到精准定位，致使气压驱动方式的应用范围较为单一，主要被用作机器人某端执行器的驱动方式，负责开展中小负荷工件抓取等简单工作。

2.3 感知系统

在工业机器人整体结构中，感知系统负责对其所处环境情况和内部状态进行感知，将所采集的现场信号转换为可识别的数字信号并进行分析处理，生成具体的参数信息，如相关机械量、力矩、位移量、加速度等。从技术研发情况来看，多数工业机器人均采取视觉伺服技术，基于图像或是其所处位置的视觉伺服，将视觉信号作为反馈信号，全面感知机器人内部状态与外部环境，根据感知情况调整工业机器人的姿态及位置。例如，在工业机器人中搭载摄像机，在所获取图像资料的基础上采集有效的感知参数，确定末端执行器姿态和位置间的映射关系，将位置姿态误差值作为决策依据，机器人持续计算三维位置姿态信息，调整各关节姿态参数和位置，实现末端控制器的闭环控制。

2.4 运动规划

工业机器人运动规划系统的作用在于，根据已知信息与现场情况合理规划机器人的运动路径，保证运动路径和各类障碍物间的安全间距，在轨迹规划中添加时间序列信息，将加速度平方相对于运动时间的积分作为目标函数，确保工业机器人可以在预定时间内完成作业任务，且各关节运动光滑。目前，大部分工业机器人均采取示教技术进行运动规划，工作人员在操作空间内进行示教展示，并对示教结果进行记录。如此，机器人在运行期间可以直接从数据库中调取示教结果，按顺序开展对应动作即可。

3 工业机器人技术的具体应用

3.1 搬运机器人

在工业生产中，搬运机器人主要负责替代人工搬运生产原材料与产品，在生产线中构建高效的物流线，具有搬运效率高、可在狭窄复杂环境工作、搬运速度快、高精度拾放的优势。例如，ABB 公司所研制的 IRB7600 六轴机器人的极限承载力达到 650kg，被用于开展重型零部件起吊与车身转动等作业；日本川崎重工研制的 MX700N 六轴机器人采取垂直多关节结构，极限搬运重量高达 700kg，单次可搬运大量工件，且该款机器人的下半部转动半径和影响范围较小，具备在狭窄空间开展搬运作业的条件。

3.2 打磨抛光机器人

打磨抛光机器人被用于替代人工开展工件精密加工和打磨抛光作业，有效减少了人为因素对工件加工精度和成品质量造成的影响，且打磨抛光机器人可切实满足不同形状机械零件的加工需求。例如，可选择采取机械人夹持被加工工件缓慢贴近砂带等加工工具的打磨抛光方式，也可采取机器人夹持加工工具缓慢贴近机械零件的打磨抛光方式。

3.3 缝纫机器人

在传统缝纫生产模式中，缝纫过程较为复杂精密，对工作人员的专业素养有着极高要求，需要企业投入大量的人力资源，导致缝纫成本居高不下。应用新型缝纫机器人的过程中，所配置工业机器人具有精准定位、环境感知等功能，可以在极短时间内识别缝纫位置，控制末端执行器完成移动布料等作业，完成自动化生产目标。缝纫机器人如图 1 所示。此外，随着科技水平的不断提高，3D 打印技术在缝纫机器人方面得到广泛应用。例如，我国中船重工716 所联合宁波慈星公司研制的 3D 缝纫机器人，在汽车内饰生产领域得到应用普及，可以对汽车内饰皮革开展空间自动化缝纫作业，取得了良好的缝合效果。

4 结束语

综上所述，当前我国已成为全球最大的工业机器人市场，且制造业对工业机器人呈现出极为旺盛的应用需求。在这一时代背景下，相关企业必须加大对工业机器人技术的研发力度，克服工业机器人在发展期间暴露出的各项技术难题，推动工业机器人技术的拟人化、智能化、自动化与一体化发展，以此改变工业生产方式，使工业机器人可为工业生产提供更多保障，为企业带来无限发展空间。

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