機(jī)器人工程專業(yè)導(dǎo)論 課件 第5章 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用及研究熱點

5.1概述

5.2工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成及典型應(yīng)用

5.3工業(yè)機(jī)器人的研究熱點問題

5.4中國機(jī)器人的發(fā)展規(guī)劃5.1概述5.1.1工業(yè)機(jī)器人的定義機(jī)器人的研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。下面來看不同組織對其的定義。美國機(jī)器人協(xié)會(RIA)：工業(yè)機(jī)器人是“一種用于移動各種材料﹑零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過程序動作來執(zhí)行各種任務(wù)，并具有編程能力的多功能操作機(jī)(Manipulator)”。日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(JIRA)：工業(yè)機(jī)器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行裝置的、能夠完成各種移動來代替人類勞動的通用機(jī)器。國際機(jī)器人聯(lián)合會(IFR)：工業(yè)機(jī)器人是一種自動控制的、可重復(fù)編程的(至少具有三個可重復(fù)編程軸)、具有多種用途的操作機(jī)(ISO8373)。中國科學(xué)家對機(jī)器人的定義是：工業(yè)機(jī)器人是一種自動化的機(jī)器，具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機(jī)器。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)：工業(yè)機(jī)器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機(jī)，這種操作機(jī)具有幾個軸，能夠借助可編程操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行各種任務(wù)。由以上定義不難發(fā)現(xiàn)，工業(yè)機(jī)器人具有四個顯著特點：①具有特定的機(jī)械機(jī)構(gòu)，其動作具有類似于人或其他生物的某些器官的功能；②具有通用性，可完成多種工作、任務(wù)，可靈活改變動作程序；③具有不同程度的智能；④具有獨(dú)立性，完整的機(jī)器人系統(tǒng)在工作中可以不依賴人的干預(yù)。5.1.2機(jī)器人與國家戰(zhàn)略布局1.機(jī)器人與國家戰(zhàn)略首先，來看看各國在機(jī)器人與國家戰(zhàn)略上有哪些動態(tài)。(1)美國近幾年，一直在強(qiáng)調(diào)制造業(yè)的回歸，其核心支撐通常被認(rèn)為有兩個，一個是機(jī)器人，另一個是人工智能。從2012年開始，美國制造業(yè)回歸就以數(shù)字化技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)為支撐。到了2013年，美國又提出了一個機(jī)器人的發(fā)展路線圖，要把互聯(lián)網(wǎng)融入機(jī)器人的生產(chǎn)過程中，這是美國在機(jī)器人領(lǐng)域的一個新的發(fā)展思路。直到2016年10月份，美國又提出了一個新的人工智能研究與發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃。所以，從機(jī)器人到物聯(lián)網(wǎng)再到人工智能，美國制造業(yè)回歸的路線圖很清晰。(2)歐洲最典型的制造業(yè)發(fā)達(dá)國家是德國，其于2011年在全球范圍內(nèi)率先提出了“工業(yè)4.0”概念。我們知道，工業(yè)4.0的核心思想其實就是以互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)相互支撐，形成一種新的制造手段，德國以此來重新引領(lǐng)制造業(yè)發(fā)展。法國提出了新的機(jī)器人行動計劃，包括鼓勵企業(yè)應(yīng)用機(jī)器人、開展國際合作、制定標(biāo)準(zhǔn)以及科研機(jī)構(gòu)的建設(shè)。同時，英國也提出一個機(jī)器人自主系統(tǒng)的戰(zhàn)略計劃。(3)日本也提出要進(jìn)行機(jī)器人的革命，并設(shè)立了三大目標(biāo)：一是成為整個世界的機(jī)器人創(chuàng)新基地；二是成為世界最大的機(jī)器人應(yīng)用國家；三是邁向世界機(jī)器人領(lǐng)先的新時代。眾所周知，日本一直位于世界制造強(qiáng)國前列，在機(jī)器人服務(wù)領(lǐng)域做了許多支撐性的工作。日本有一個重要的行動計劃，主要是設(shè)立機(jī)器人革命促進(jìn)委員會，這個委員會旗下包括許多機(jī)器人的發(fā)展機(jī)構(gòu)和機(jī)器人大賽舉辦機(jī)構(gòu)，將從各個層面來促進(jìn)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)不是某一個國家的問題，已然成為了一個國際問題。全球這么多國家都將機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作為一種國家戰(zhàn)略，這說明機(jī)器人將是未來發(fā)展的一種趨勢。既然是一種趨勢，那么機(jī)器人產(chǎn)業(yè)就要實現(xiàn)快速的發(fā)展，而這個發(fā)展的過程一定是對整個工業(yè)的挑戰(zhàn)。這是一場新工業(yè)革命，從成本、技術(shù)進(jìn)步、用戶個性化的定制，生產(chǎn)方式、生產(chǎn)工具等都要進(jìn)行一次大的變革?？梢哉f，機(jī)器人正在改變?nèi)祟惿a(chǎn)的方式。今天，新一代的機(jī)器人已經(jīng)滲透到人類生活的各個領(lǐng)域。在這個大的背景下，我國提出“中國制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃，旨在把我國建設(shè)成為世界制造強(qiáng)國。同時，“中國制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃也是我國在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命上的重大挑戰(zhàn)。一方面，整個世界制造業(yè)的變革倒逼著我們要創(chuàng)新制造模式。因此，我國提出了五大重點工程作為強(qiáng)基根本，包括建設(shè)工程、智能制造工程、工業(yè)強(qiáng)基工程、綠色制造工程和高端裝備創(chuàng)新工程。在這五大工程的基礎(chǔ)上，又細(xì)分了十大重點領(lǐng)域，其中，第二大領(lǐng)域就是機(jī)器人和高端數(shù)字機(jī)床產(chǎn)業(yè)，這說明我國把機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域放在一個非常關(guān)鍵的位置。另一方面，我國規(guī)劃了一張清晰的有關(guān)未來機(jī)器人發(fā)展的路線圖，包括關(guān)鍵技術(shù)、零部件、整個應(yīng)用示范平臺建設(shè)等。所以，“中國制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃既有宏觀的目標(biāo)，又有清晰的脈絡(luò)，儼然成為我國制造業(yè)在未來制勝的“法寶”。2.中國機(jī)器人的重大戰(zhàn)略布局現(xiàn)在，我國已經(jīng)把在機(jī)器人領(lǐng)域的布局是當(dāng)做一個我國制造業(yè)崛起的重要平臺去發(fā)展。目前，我國在機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展已經(jīng)完全形成一個較為完善的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)體系，技術(shù)創(chuàng)新能力和國際競爭能力明顯增強(qiáng)，產(chǎn)品性能和質(zhì)量達(dá)到國際同類水平，關(guān)鍵零部件取得重大突破，基本滿足市場需求。1)我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的區(qū)域布局通過近幾年的競爭和發(fā)展，我國形成了五大自然的機(jī)器人分布區(qū)域，包括東北、華北、華南以及西南地區(qū)，并且各自形成了一定的區(qū)域優(yōu)勢。2)我國在機(jī)器人創(chuàng)新領(lǐng)域的布局目前，我國正在加速推進(jìn)機(jī)器人創(chuàng)新中心的建設(shè)。創(chuàng)新中心的建設(shè)目標(biāo)實際上是機(jī)器人的一個關(guān)鍵的共性技術(shù)，包括人才、平臺、資源整合、推廣服務(wù)等。作為一個公共的創(chuàng)新平臺，一定要打通創(chuàng)新的過程，逐級而上。創(chuàng)新的過程必須以市場需求、技術(shù)發(fā)展為導(dǎo)向，實現(xiàn)市場、技術(shù)的雙層驅(qū)動。另外，還需要將產(chǎn)、學(xué)、研體系真正地融會貫通，打通整個創(chuàng)新路線。創(chuàng)新還需要整個機(jī)器人行業(yè)提供強(qiáng)有力的支撐。3)我國機(jī)器人領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)制定我國成立了機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化的總體組，其任務(wù)是搶先一步抓住機(jī)遇，在面向全球巨大的機(jī)器人市場和我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展上，實行標(biāo)準(zhǔn)化先行。其目的是從標(biāo)準(zhǔn)的制定、產(chǎn)業(yè)的保護(hù)等幾個方面來率先推動我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。4)我國機(jī)器人檢驗、檢測和評定以及機(jī)器人產(chǎn)品認(rèn)證的建設(shè)現(xiàn)在，我國正在加快機(jī)器人檢驗、檢測和評定中心的建設(shè)，目前已在上海設(shè)立了機(jī)器人檢驗、檢測和評定中心，另外在沈陽、廣州都設(shè)立了分中心，以及機(jī)器人國評中心，重點完成機(jī)器人的檢測、認(rèn)證、技術(shù)支持、咨詢培訓(xùn)等方面的全方位服務(wù)。檢驗、檢測方面包括工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、特種機(jī)器人等整機(jī)的檢測，還建立了機(jī)器人零部件的各種測試和檢驗平臺。產(chǎn)品認(rèn)證方面包括產(chǎn)品的檢驗、檢測認(rèn)證、認(rèn)證過程、標(biāo)準(zhǔn)制定、信息咨詢等相關(guān)服務(wù)。5)我國機(jī)器人的基礎(chǔ)研發(fā)布局國家基金委、科技部、工信部等有關(guān)部門正在加快前沿創(chuàng)新的方式、方法。國家基金委設(shè)立了機(jī)器人的專項研究領(lǐng)域，包括在剛?cè)嵝詸C(jī)器人的運(yùn)動特征與可控性、人機(jī)環(huán)境的多模態(tài)、感知與自然交互、機(jī)器人群體智能與操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架等基礎(chǔ)性領(lǐng)域進(jìn)行布局。科技部則是在機(jī)器人的前沿技術(shù)、關(guān)鍵共性技術(shù)、新的機(jī)器人平臺等方面進(jìn)行布局。另外，工信部更多是從制造工程的建設(shè)入手，推廣機(jī)器人的示范應(yīng)用，包括人機(jī)協(xié)調(diào)、自然交互、機(jī)器人自主學(xué)習(xí)等。除此之外，中國科學(xué)院成立了機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院，依托自動化所的基礎(chǔ)優(yōu)勢，以全新的理念面向機(jī)器人、智能制造開展工作。另外，中國科學(xué)院把下屬的單位、研究機(jī)構(gòu)充分整合起來，設(shè)立了中國科學(xué)院智能制造與創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，通過各單位的力量，共同研究機(jī)器人、人工智能、信息技術(shù)等關(guān)鍵性的支撐技術(shù)?？梢钥吹?，我國在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展上從各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)全面展開工作，在各個細(xì)分領(lǐng)域都筑起了堅實的堡壘。同時，也將這些堡壘連接在一起，編織成我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一張戰(zhàn)略大網(wǎng)，為我國在未來國際機(jī)器人市場占據(jù)了戰(zhàn)略優(yōu)勢地位。5.1.3工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展前景及趨勢1.發(fā)展前景在發(fā)達(dá)國家，工業(yè)機(jī)器人自動化已成為自動化裝備的主流及未來的發(fā)展方向。全球諸多國家近半個世紀(jì)的工業(yè)機(jī)器人的使用實踐表明，工業(yè)機(jī)器人的普及是實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，提高社會生產(chǎn)效率，推動企業(yè)和社會生產(chǎn)力發(fā)展的有效手段。機(jī)器人技術(shù)是具有前瞻性、戰(zhàn)略性的高技術(shù)領(lǐng)域。國際電氣與電子工程師學(xué)會IEEE的科學(xué)家在對未來科技發(fā)展方向進(jìn)行預(yù)測中提出了4個重點發(fā)展方向，機(jī)器人技術(shù)就是其中之一。1990年10月，國際機(jī)器人工業(yè)人士在丹麥?zhǔn)锥几绫竟匍_了一次工業(yè)機(jī)器人國際標(biāo)準(zhǔn)大會，并在這次大會上通過了一個文件，把工業(yè)機(jī)器人分為四種類型：①順序型。這類機(jī)器人擁有規(guī)定的程序動作控制系統(tǒng)；②沿軌跡作業(yè)型。這類機(jī)器人能夠執(zhí)行某種移動作業(yè)；③遠(yuǎn)距作業(yè)型。比如在月球上自動工作的機(jī)器人；④智能型。這類機(jī)器人具有感知、適應(yīng)及思維和人機(jī)通信機(jī)能。日本工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)早在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)普及了第一和第二類工業(yè)機(jī)器人，并達(dá)到了其工業(yè)機(jī)器人發(fā)展史的鼎盛時期，而今已在發(fā)展第三、四類工業(yè)機(jī)器人的道路上取得了舉世矚目的成就。日本下一代機(jī)器人發(fā)展重點包括低成本技術(shù)、高速化技術(shù)、小型和輕量化技術(shù)、提高可靠性技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)、高精度化技術(shù)、視覺和觸覺等傳感器技術(shù)等。根據(jù)日本政府2007年制訂的一份計劃來看，日本2050年工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到1.4兆日元，將擁有百萬工業(yè)機(jī)器人。按照一個工業(yè)機(jī)器人等價于10個勞動力的標(biāo)準(zhǔn)，百萬工業(yè)機(jī)器人相當(dāng)于千萬勞動力，是當(dāng)前日本全部勞動人口的15%。我國工業(yè)機(jī)器人起步于20世紀(jì)70年代初，其發(fā)展過程大致可分為三個階段：20世紀(jì)70年代的萌芽期，20世紀(jì)80年代的開發(fā)期，20世紀(jì)90年代的實用化期。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初具規(guī)模。當(dāng)前我國已生產(chǎn)出部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出弧焊、點焊、碼垛、裝配、搬運(yùn)、注塑、沖壓、噴漆等工業(yè)機(jī)器人。一批國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人已應(yīng)用于國內(nèi)諸多企業(yè)的生產(chǎn)線上；一批機(jī)器人技術(shù)的研究人才也涌現(xiàn)出來。一些相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)已掌握了工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的優(yōu)化設(shè)計制造技術(shù)：工業(yè)機(jī)器人控制、驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)；機(jī)器人軟件的設(shè)計和編程技術(shù)；運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)；弧焊、點焊及大型機(jī)器人自動生產(chǎn)線與周邊配套設(shè)備的開發(fā)和制備技術(shù)等。某些關(guān)鍵技術(shù)已達(dá)到或接近世界水平。隨著中國人力成本不斷上漲，以及特殊行業(yè)的惡劣作業(yè)環(huán)境，工業(yè)領(lǐng)域“機(jī)器換人”將是必然趨勢，因此工業(yè)機(jī)器人市場發(fā)展前景廣闊。2.發(fā)展趨勢通過持續(xù)創(chuàng)新、深化應(yīng)用，我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)良好的發(fā)展勢頭。產(chǎn)業(yè)規(guī)?？焖僭鲩L，年均復(fù)合增長率約15%，2020年機(jī)器人產(chǎn)業(yè)營業(yè)收入突破1000億元，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量達(dá)21.2萬臺(套)。技術(shù)水平持續(xù)提升，運(yùn)動控制、高性能伺服驅(qū)動、高精密減速器等關(guān)鍵技術(shù)和部件加快突破，整機(jī)功能和性能顯著增強(qiáng)。多品種、少批量、個性化是未來制造業(yè)的新型模式，帶來的效應(yīng)是工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)由傳統(tǒng)的單純追求生產(chǎn)效率向追求柔性與效率均衡發(fā)展。從近幾年推出的產(chǎn)品來看，工業(yè)機(jī)器人正向智能化、模塊化、系統(tǒng)化和人機(jī)交互協(xié)作方向發(fā)展，其主要趨勢有以下幾個方面。1)工業(yè)機(jī)器人的智能化“智能”特征表現(xiàn)為具有與外部世界(對象、環(huán)境和人)相適應(yīng)、相協(xié)調(diào)的工作機(jī)能，從控制方式看是以一種“認(rèn)知—適應(yīng)”的方式自律地進(jìn)行操作。智能機(jī)器人不僅具有感覺能力，而且具有獨(dú)立判斷和行動的能力，還具有記憶、推理和決策能力，因而能完成更加復(fù)雜的動作。通過智能化，可以提升工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行力，為工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展創(chuàng)造有利的條件。2)多機(jī)器人協(xié)同控制由于工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，協(xié)調(diào)化發(fā)展也越來越迫切。在大型生產(chǎn)線上，需要較多機(jī)器人共同完成工作，因此，機(jī)器人的控制與設(shè)計不再是單純的自身控制問題，不僅需要協(xié)調(diào)工作，還需要互相配合，應(yīng)根據(jù)工藝要求設(shè)計運(yùn)動機(jī)構(gòu)，開發(fā)滿足工藝要求的新型傳感器，研究多傳感器信息融合與配置技術(shù)，支持以人為本的生產(chǎn)系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)中的機(jī)器人群體協(xié)調(diào)功能、群體智能和多機(jī)通信協(xié)議，開發(fā)能理解人的意志的“同事機(jī)器人”。3)工業(yè)機(jī)器人的微型化工業(yè)機(jī)器人的微型化是一種未來的發(fā)展趨勢，是21世紀(jì)的尖端技術(shù)之一。近些年，技術(shù)不斷發(fā)展，我國已經(jīng)開發(fā)出了手指大小的微型機(jī)器人，此類機(jī)器人在生產(chǎn)生活中發(fā)揮了重要的作用，尤其是在醫(yī)療領(lǐng)域與軍事領(lǐng)域，占據(jù)了不可替代的重要位置。微型機(jī)器人的應(yīng)用十分廣泛，隨著科技的快速發(fā)展，預(yù)計在未來可以發(fā)展出毫米級的微型移動機(jī)器人，可以發(fā)揮更加重要的作用，不僅可以進(jìn)行精密機(jī)械加工，還可以在現(xiàn)代光學(xué)儀器、現(xiàn)代生物工程、醫(yī)學(xué)工程與遺傳工程等方面產(chǎn)生重要的影響，促進(jìn)社會的進(jìn)步與發(fā)展。4)工業(yè)機(jī)器人的模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化實現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化是提高工業(yè)機(jī)器人工作效率與質(zhì)量的關(guān)鍵，在工業(yè)機(jī)器人發(fā)展過程中，高性能部件的設(shè)計已經(jīng)朝著模塊化發(fā)展，軟件編程也朝著模塊化發(fā)展，可見，模塊化是機(jī)器人發(fā)展的主要方向。另一方面，標(biāo)準(zhǔn)化也是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的另一主要方向，是一份艱巨而重要的任務(wù)。實現(xiàn)機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，可以實現(xiàn)不同廠家機(jī)器人之間零部件與通信的互換，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)工業(yè)機(jī)器人的快速發(fā)展，達(dá)到理想的發(fā)展效果，實現(xiàn)未來工業(yè)機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)化、智能化與模塊化。5.2工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成及典型應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人主要由機(jī)械部分、傳感部分、控制部分三大部分組成，這三大部分可分成驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機(jī)器人—環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)六個子系統(tǒng)，如圖5-1所示。1.機(jī)械部分機(jī)械部分也稱為機(jī)器人的本體，主要分為兩個子系統(tǒng)：驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。1)驅(qū)動系統(tǒng)要使機(jī)器人運(yùn)行起來，就需要在各個關(guān)節(jié)安裝傳動裝置，用以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作，這就是驅(qū)動系統(tǒng)。它的作用是提供機(jī)器人各部分、各關(guān)節(jié)動作的原動力。驅(qū)動系統(tǒng)的傳動部分可以是液壓傳動系統(tǒng)、電動傳動系統(tǒng)、氣動傳動系統(tǒng)，或者是幾種系統(tǒng)結(jié)合起來的綜合傳動系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)可以與機(jī)械系統(tǒng)直接相連，也可通過同步帶、鏈條、齒輪、諧波傳動裝置等與機(jī)械系統(tǒng)間接相連。目前，除個別運(yùn)動精度不高、重負(fù)載或有防爆要求的機(jī)器人采用液壓、氣壓驅(qū)動外，工業(yè)機(jī)器人大多采用電氣驅(qū)動，主要有步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)兩類，交流伺服電機(jī)應(yīng)用最廣，且驅(qū)動器布置大都采用一個關(guān)節(jié)一個驅(qū)動器，其實物如圖5-2和圖5-3所示。2)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)又稱為操作機(jī)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，是機(jī)器人的主要承載體，它由一系列連桿、關(guān)節(jié)等組成，通常包括機(jī)身、手臂、關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器，具有多自由度，如圖5-4所示。(1)機(jī)身。如同機(jī)床的床身結(jié)構(gòu)一樣，機(jī)器人的機(jī)身構(gòu)成了機(jī)器人的基礎(chǔ)支撐，有的機(jī)身底部安裝有機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，構(gòu)成行走機(jī)器人；有的機(jī)身可以繞軸線回轉(zhuǎn)，構(gòu)成機(jī)器人的“腰”；若機(jī)身不具備行走及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，則構(gòu)成單機(jī)器人臂。(2)手臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成，用于完成各種簡單或復(fù)雜的動作。(3)關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)通常分為滑動關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，以實現(xiàn)機(jī)身、手臂、末端執(zhí)行器之間的相對運(yùn)動。(4)末端執(zhí)行器。末端執(zhí)行器是直接裝在手腕上的一個重要部件，它通常模擬的是人的手掌和手指，可以是兩手指或多手指的手爪末端操作器，有時也可以是各種作業(yè)工具，如焊槍、噴漆槍等。2.控制部分控制部分相當(dāng)于機(jī)器人的大腦，可以直接或者通過人工對機(jī)器人的動作進(jìn)行控制?？刂撇糠忠部梢苑譃閮蓚€子系統(tǒng)：人機(jī)交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。1)人機(jī)交互系統(tǒng)人機(jī)交互系統(tǒng)是使操作人員參與機(jī)器人控制并與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系的裝置。簡單來說該系統(tǒng)可以分為兩大部分：指令給定系統(tǒng)和信息顯示裝置。2)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序及從傳感器反饋回來的信號，控制機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的動作。若機(jī)器人不具備信息反饋特征，則該控制系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)；若具備信息反饋特征，則該控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)控制原理可分為程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)三種?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)控制運(yùn)動的形式可分為點位控制系統(tǒng)和連續(xù)軌跡控制系統(tǒng)。3.傳感部分傳感部分相當(dāng)于人類的五官，機(jī)器人可以通過傳感部分來感覺機(jī)器人自身和外部環(huán)境狀況，幫助機(jī)器人工作得更加精確。這部分主要分為兩個子系統(tǒng)：感受(傳感)系統(tǒng)和機(jī)器人—環(huán)境交互系統(tǒng)。1)感受(傳感)系統(tǒng)感受系統(tǒng)通常由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成，用于獲取機(jī)器人內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。智能傳感器可以提高機(jī)器人的機(jī)動性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。對于一些特殊的信息，傳感器的靈敏度甚至可以超越人類的感受系統(tǒng)，比人類的感受系統(tǒng)更有效率。2)機(jī)器人—環(huán)境交互系統(tǒng)機(jī)器人—環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人往往與外部設(shè)備集成為一個功能單元。也可以是多臺機(jī)器人、多臺機(jī)床設(shè)備或者多個零件存儲裝置集成為一個能執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。5.2.2工業(yè)機(jī)器人典型應(yīng)用1.搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)機(jī)器人具有通用性強(qiáng)、工作穩(wěn)定的優(yōu)點，且操作簡便、功能豐富，逐漸向第三代智能機(jī)器人發(fā)展，其主要優(yōu)點如下：(1)動作穩(wěn)定，提高搬運(yùn)準(zhǔn)確性；(2)提高生產(chǎn)效率，解放繁重體力勞動，實現(xiàn)“無人”或“少人”生產(chǎn)；(3)改善工人勞作條件，擺脫有毒、有害環(huán)境；(4)柔性高、適應(yīng)性強(qiáng)，可實現(xiàn)對多形狀、不規(guī)則物料的搬運(yùn)；(5)定位準(zhǔn)確，保證批量一致性；(6)降低制造成本，提高生產(chǎn)效益。搬運(yùn)機(jī)器人是一個完整系統(tǒng)。以關(guān)節(jié)式搬運(yùn)機(jī)器人為例，其工作站主要由操作機(jī)、機(jī)器人控制柜、搬運(yùn)系統(tǒng)(氣體發(fā)生裝置、真空發(fā)生裝置和手爪等)和示教器等組成，如圖5-5所示。2.焊接機(jī)器人焊接機(jī)器人作為當(dāng)前廣泛使用的先進(jìn)自動化焊接設(shè)備，具有通用性強(qiáng)、工作穩(wěn)定的優(yōu)點，并且操作簡便、功能豐富，越來越受人們的重視。世界各國生產(chǎn)的焊接機(jī)器人基本上都屬于關(guān)節(jié)型機(jī)器人，絕大部分有6個軸，目前焊接機(jī)器人應(yīng)用中比較普遍的主要有三種：點焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人和激光焊接機(jī)器人，如圖5-6所示。3.涂裝機(jī)器人涂裝機(jī)器人與普通工業(yè)機(jī)器人相比，其操作機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的差別除了球型手腕與非球型手腕外，主要是防爆、油漆及空氣管路和噴槍的布置導(dǎo)致的差異，其特點如下：(1)一般手臂工作范圍寬大，進(jìn)行涂裝作業(yè)時可以靈活避障；(2)手腕一般有2~3個自由度，輕巧快速，適合內(nèi)部、狹窄的空間，及對復(fù)雜工件的涂裝；(3)較先進(jìn)的涂裝機(jī)器人采用中空手臂和柔性中空手腕；(4)一般在水平手臂搭載噴漆工藝系統(tǒng)，從而縮短清洗、換色時間，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約涂料及清洗液。典型的涂裝機(jī)器人工作站主要由涂裝機(jī)器人、機(jī)器人控制柜、供漆系統(tǒng)、自動噴槍/旋杯、示教盒、防爆吹掃系統(tǒng)等組成，如圖5-11所示。5.3工業(yè)機(jī)器人的研究熱點問題1.核心零部件性能優(yōu)化工業(yè)機(jī)器人上的核心零部件包括精密減速器、伺服電機(jī)與驅(qū)動、控制器、專用傳感器等。國內(nèi)已經(jīng)有很多企業(yè)在從事相關(guān)方面的工作，但還是存在許多問題，如減速器性能如何提升；傳統(tǒng)的伺服電機(jī)生產(chǎn)沒有問題，問題在于我國在驅(qū)動算法方面與國外的差距較大；控制器方面也急需解決軟件算法問題。2.工業(yè)機(jī)器人整機(jī)性能測試與評估、安全及可靠保障目前，我國的標(biāo)準(zhǔn)還是多年前制定的，現(xiàn)在急需研究工業(yè)機(jī)器人多種參數(shù)的測量方法，建立工業(yè)機(jī)器人整機(jī)評估模型；建立工業(yè)機(jī)器人可靠性工作基本規(guī)范，評估建模方法、指標(biāo)預(yù)測和分配、元器件和整機(jī)的可靠性測試、破壞性測試以及加速測試方法等關(guān)鍵技術(shù)。3.工業(yè)機(jī)器人的軟能力建設(shè)工業(yè)機(jī)器人包括硬能力和軟能力。硬能力，即核心零部件的能力；軟能力，則可定義為通過信息技術(shù)融合能夠?qū)崿F(xiàn)的能力，包括智能控制技術(shù)、人工智能技術(shù)等。軟能力是我國工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域最大的短板，目前大量依靠進(jìn)口，包括機(jī)器人操作系統(tǒng)、面向工業(yè)機(jī)器人設(shè)計與仿真、生產(chǎn)線的工藝規(guī)劃、離線編程軟件調(diào)度軟件、機(jī)器人監(jiān)控與故障診斷軟件及工業(yè)機(jī)器人核心工藝軟件等。4.工業(yè)機(jī)器人智能作業(yè)技術(shù)如何突破工件特種識別測量、自主作業(yè)軌跡規(guī)劃、動態(tài)跟蹤、離/在線力位混合控制規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)是目前需要解決的問題，所以應(yīng)該構(gòu)建智能工藝專家系統(tǒng)。其中，集成應(yīng)用是工業(yè)機(jī)器人非常重要的核心技術(shù)，如果沒有集成，應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人將無法實現(xiàn)。5.易用性問題易用性問題包括工業(yè)機(jī)器人如何高效示教及人—機(jī)器人技能傳遞技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)有人在探索新型編程示教應(yīng)用模式，如圖形編程等。未來更重要的是如何利用新一代信息技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)手段，研究基于自然交換與自主學(xué)習(xí)的人—機(jī)器人高效技能傳授，不斷深化學(xué)習(xí)，這與人工智能密切相關(guān)。6.新型工業(yè)機(jī)器人技術(shù)新型工業(yè)機(jī)器人與傳統(tǒng)機(jī)器人不同，其體量不大，但利潤相對較高，而且在中國有很好的市場和產(chǎn)業(yè)鏈，這給我國工業(yè)機(jī)器人發(fā)展帶來了很好的機(jī)會。所以我國需要針對制造領(lǐng)域特殊需求，探索有別于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人構(gòu)型的新型工業(yè)機(jī)器人技術(shù)。7.靈巧作業(yè)工具技術(shù)靈巧作業(yè)工具技術(shù)是指快速工具更換技術(shù)或靈巧作業(yè)工具及柔性作業(yè)工具技術(shù)。其下一步發(fā)展是教會機(jī)器人使用工具，像人類一樣，通過使用工具實現(xiàn)能力的提高和延伸。8.云端工藝服務(wù)及作業(yè)學(xué)習(xí)技術(shù)云端工藝服務(wù)及作業(yè)學(xué)習(xí)技術(shù)包括基于云計算和大數(shù)據(jù)的知識建模、作業(yè)序列建模與理解等技術(shù)。通過探索工藝參數(shù)大數(shù)據(jù)收集、分析、挖掘和優(yōu)化方法，使機(jī)器人自主學(xué)習(xí)、提升技術(shù)，最終實現(xiàn)通過云端解決機(jī)器人的技術(shù)智能性并提升其作業(yè)能力。9.雙臂作業(yè)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)隨著作業(yè)任務(wù)越來越復(fù)雜，雙臂機(jī)器人得到了越來越廣泛的應(yīng)用。相比于單臂機(jī)器人，雙臂機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中可以做更復(fù)雜、更精準(zhǔn)的工作。雖然國外已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品，但雙臂機(jī)器人的協(xié)調(diào)操作控制尚未有一套完善的理論體系，如何真正應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)上還有待解決，所以在這一方面若我國加倍努力，還是有可能趕超國際水平的。10.人機(jī)協(xié)作型機(jī)器人技術(shù)就目前的技術(shù)來看，機(jī)器人完全替代人類作業(yè)還有很長的路要走，而下一步發(fā)展是需要將機(jī)器人的安全保護(hù)玻璃墻去掉，取而代之的是與人類緊密接觸，密切配合，所以突破人機(jī)安全共存、智能交互、協(xié)同作業(yè)等核心技術(shù)，研制新一代互助協(xié)作型工業(yè)機(jī)器人是大勢所趨。5.4中國機(jī)器人的發(fā)展規(guī)劃5.4.1指導(dǎo)思想以習(xí)近平新時代中國特色社會主義思想為指導(dǎo)，全面貫徹黨的十九大和十九屆二中、三中、四中、五中、六中全會精神，立足新發(fā)展階段，完整、準(zhǔn)確、全面貫徹新發(fā)展理念，構(gòu)建新發(fā)展格局，統(tǒng)籌發(fā)展和安全，以高端化智能化發(fā)展為導(dǎo)向，面向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和消費(fèi)升級需求，堅持“創(chuàng)新驅(qū)動、應(yīng)用牽引、基礎(chǔ)提升、融合發(fā)展”，著力突破核心技術(shù)，著力夯實產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，著力增強(qiáng)有效供給，著力拓展市場應(yīng)用，提升產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈穩(wěn)定性和競爭力，持續(xù)完善產(chǎn)業(yè)發(fā)展生態(tài)，推動機(jī)器人產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，為建設(shè)制造強(qiáng)國、健康中國，創(chuàng)造美好生活提供有力支撐。5.4.2發(fā)展目標(biāo)到2025年，我國成為全球機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新策源地、高端制造集聚地和集成應(yīng)用新高地。一批機(jī)器人核心技術(shù)和高端產(chǎn)品取得突破，整機(jī)綜合指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平，關(guān)鍵零部件性能和可靠性達(dá)到國際同類產(chǎn)品水平。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)營業(yè)收入年均增速超過20%。形成一批具有國際競爭力的領(lǐng)軍企業(yè)及一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、成長性好的專精特新“小巨人”企業(yè)，建成3～5個有國際影響力的產(chǎn)業(yè)集群。制造業(yè)機(jī)器人密度實現(xiàn)翻番。到2035年，我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)綜合實力達(dá)到國際領(lǐng)先水平，機(jī)器人成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生活、社會治理的重要組成。5.4.3主要任務(wù)1.提高產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力1)加強(qiáng)核心技術(shù)攻關(guān)聚焦國家戰(zhàn)略和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，突破機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)、操作系統(tǒng)等共性技術(shù)。把握機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢，研發(fā)仿生感知與認(rèn)知、生機(jī)電融合等前沿技術(shù)。推進(jìn)人工智能、5G、大數(shù)據(jù)、云計算等新技術(shù)融合應(yīng)用，提高機(jī)器人智能化和網(wǎng)絡(luò)化水平，強(qiáng)化功能安全、網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)安全。2)建立健全創(chuàng)新體系發(fā)揮機(jī)器人重點實驗室、工程(技術(shù))研究中心、創(chuàng)新中心等研發(fā)機(jī)構(gòu)的作用，加強(qiáng)前沿、共性技術(shù)研究，加快創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，構(gòu)建有效的產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新鏈。鼓勵骨干企業(yè)聯(lián)合開展機(jī)器人協(xié)同研發(fā)，推動軟硬件系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，提高新產(chǎn)品研發(fā)效率。支持企業(yè)加強(qiáng)技術(shù)中心建設(shè)，開展關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)開發(fā)。3)機(jī)器人核心技術(shù)攻關(guān)行動需要攻關(guān)的機(jī)器人核心技術(shù)主要包括以下兩種：(1)共性技術(shù)，包括機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)、機(jī)器人模塊化與重構(gòu)技術(shù)、機(jī)器人操作系統(tǒng)技術(shù)、機(jī)器人輕量化設(shè)計技術(shù)、信息感知與導(dǎo)航技術(shù)、多任務(wù)規(guī)劃與智能控制技術(shù)、人機(jī)交互與自主編程技術(shù)、機(jī)器人云—邊—端技術(shù)、機(jī)器人安全性與可靠性技術(shù)、快速標(biāo)定與精度維護(hù)技術(shù)、多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)技術(shù)、機(jī)器人自診斷技術(shù)等。(2)前沿技術(shù)，包括機(jī)器人仿生感知與認(rèn)知技術(shù)、電子皮膚技術(shù)、機(jī)器人生機(jī)電融合技術(shù)、人機(jī)自然交互技術(shù)、情感識別技術(shù)、技能學(xué)習(xí)與發(fā)育進(jìn)化技術(shù)、材料結(jié)構(gòu)功能一體化技術(shù)、微納操作技術(shù)、軟體機(jī)器人技術(shù)、機(jī)器人集群技術(shù)等。2.夯實產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)1)補(bǔ)齊產(chǎn)業(yè)發(fā)展短板推動用產(chǎn)、學(xué)、研聯(lián)合攻關(guān)，補(bǔ)齊專用材料、核心元器件、加工工藝等短板，提升機(jī)器人關(guān)鍵零部件的功能、性能和可靠性；開發(fā)機(jī)器人控制軟件、核心算法等，提高機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能和智能化水平。2)加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)建立全國機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化組織，更好地發(fā)揮國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新基地(機(jī)器人)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新作用，持續(xù)推進(jìn)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化工作；健全機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系，加快急需標(biāo)準(zhǔn)研究制定，開展機(jī)器人功能、性能、安全等標(biāo)準(zhǔn)的制、修訂，加強(qiáng)科技成果向標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用推廣；積極參與國際標(biāo)準(zhǔn)化工作。3)提升檢測認(rèn)證能力鼓勵企業(yè)加強(qiáng)試驗驗證能力建設(shè)，強(qiáng)化產(chǎn)品檢測，提高質(zhì)量與可靠性；增強(qiáng)機(jī)器人檢測與評定中心檢測能力，滿足企業(yè)檢測認(rèn)證服務(wù)需求；推進(jìn)中國機(jī)器人認(rèn)證體系建設(shè)。4)機(jī)器人關(guān)鍵基礎(chǔ)提升行動機(jī)器人關(guān)鍵基礎(chǔ)提升行動主要包括以下幾點：(1)高性能減速器。研發(fā)RV減速器和諧波減速器的先進(jìn)制造技術(shù)和工藝，提高減速器的精度保持性(壽命)、可靠性，降低噪音，實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。研究新型高性能精密齒輪傳動裝置的基礎(chǔ)理論，突破精密/超精密制造技術(shù)、裝配工藝，研制新型高性能精密減速器。(2)高性能伺服驅(qū)動系統(tǒng)。優(yōu)化高性能伺服驅(qū)動控制、伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、自整定等技術(shù)，研制高精度、高功率密度的機(jī)器人專用伺服電機(jī)及高性能電機(jī)制動器等核心部件。(3)智能控制器。研發(fā)具有高實時性、高可靠性、多處理器并行工作或多核處理器的控制器硬件系統(tǒng)，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化。突破多關(guān)節(jié)高精度運(yùn)動解算、運(yùn)動控制及智能運(yùn)動規(guī)劃算法，提升控制系統(tǒng)的智能化水平及安全性、可靠性和易用性。(4)智能一體化關(guān)節(jié)。研制機(jī)構(gòu)/驅(qū)動/感知/控制一體化、模塊化機(jī)器人關(guān)節(jié)，研發(fā)伺服電機(jī)驅(qū)動，高精度諧波傳動動態(tài)補(bǔ)償，復(fù)合型傳感器高精度實時數(shù)據(jù)融合，模塊化、一體化集成等技術(shù)，實現(xiàn)高速實時通信、關(guān)節(jié)力/力矩保護(hù)等功能。(5)新型傳感器。研制三維視覺傳感器、六維力傳感器和關(guān)節(jié)力矩傳感器等力覺傳感器，單線和多線激光雷達(dá)，智能聽覺傳感器以及高精度編碼器等產(chǎn)品，滿足機(jī)器人智能化發(fā)展需求。(6)智能末端執(zhí)行器。研制能夠?qū)崿F(xiàn)智能抓取、柔性裝配、快速更換等功能的智能靈巧作業(yè)末端執(zhí)行器，滿足機(jī)器人多樣化操作需求。3.增加高端產(chǎn)品供給面向制造業(yè)、采礦業(yè)、建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)等行業(yè)，以及家庭服務(wù)、公共服務(wù)、醫(yī)療健康、養(yǎng)老助殘、特殊環(huán)境作業(yè)等領(lǐng)域需求，集聚優(yōu)勢資源，重點推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、特種機(jī)器人重點產(chǎn)品的研制及應(yīng)用，拓展機(jī)器人產(chǎn)品系列，提升性能、質(zhì)量和安全性，推動產(chǎn)品高端化智能化發(fā)展。機(jī)器人創(chuàng)新產(chǎn)品發(fā)展行動主要包括以下幾種：(1)工業(yè)機(jī)器人。研制面向汽車、航空航天、軌道交通等領(lǐng)域的高精度、高可靠性的焊接機(jī)器人；面向半導(dǎo)體行業(yè)的自動搬運(yùn)、智能移動與