工業(yè)機(jī)器人調(diào)研報(bào)告

一、工業(yè)機(jī)器人的概念機(jī)器人是靠本身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)多個(gè)功效的一種機(jī)器。聯(lián)合國原則化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會給機(jī)器人下的定義:“一種可編程和多功效的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而含有可用電腦變化和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)?！惫I(yè)機(jī)器人是面對工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器人，它是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，是靠本身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)多個(gè)功效的一種機(jī)器。工業(yè)機(jī)器人能夠接受人類指揮，也能夠按照預(yù)先編排的程序運(yùn)行，當(dāng)代的工業(yè)機(jī)器人還能夠根據(jù)人工智能技術(shù)制訂的原則大綱行動(dòng)。工業(yè)機(jī)器人由主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個(gè)基本部分構(gòu)成。主體即機(jī)座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，涉及臂部、腕部和手部，有的機(jī)器人尚有行走機(jī)構(gòu).大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人有3~6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，其中腕部普通有1～3個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)涉及動(dòng)力裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu),用以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生對應(yīng)的動(dòng)作；控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號,并進(jìn)行控制。二、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展史及優(yōu)點(diǎn)工業(yè)機(jī)器人誕生于20世紀(jì)60年代，在20世紀(jì)90年代得到快速發(fā)展，是最先產(chǎn)業(yè)化的機(jī)器人技術(shù)。它是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍、應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。自從20世紀(jì)60年代初人類制造出第一臺工業(yè)機(jī)器人后來，機(jī)器人就顯示出了極強(qiáng)的生命力。通過四十年的快速發(fā)展，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家中，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車及汽車零部件制造業(yè)、機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等諸多領(lǐng)域中。作為先進(jìn)制造業(yè)中不可替代的重要裝備和手段，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為衡量一種國家制造業(yè)水平和科技水平的重要標(biāo)志。工業(yè)機(jī)器人是當(dāng)代制造業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)備，它屬于自動(dòng)化制造系統(tǒng)的物理層次。機(jī)器人的過去、現(xiàn)在和將來都與制造業(yè)發(fā)展親密有關(guān)。使用工業(yè)機(jī)器人能夠減少廢品率和產(chǎn)品成本,提高了機(jī)床的運(yùn)用率，減少了工人誤操作帶來的殘次零件風(fēng)險(xiǎn)等,其帶來的一系列效益也是十分明顯的,例如減少人工用量、減少機(jī)床損耗、加緊技術(shù)創(chuàng)新速度、提高公司競爭力等。機(jī)器人含有執(zhí)行多個(gè)任務(wù)特別是高危任務(wù)的能力，平均故障間隔期達(dá)60000小時(shí)以上,比傳統(tǒng)的自動(dòng)化工藝更加先進(jìn)。采用工業(yè)機(jī)器人有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）改善勞動(dòng)條件，逐步提高生產(chǎn)效率；（2）更強(qiáng)與可控的生產(chǎn)能力,加緊產(chǎn)品更新?lián)Q代；（3)提高零件的解決能力與產(chǎn)品質(zhì)量；（4）消除枯燥無味的工作，節(jié)省勞動(dòng)力；（5）提供更安全的工作環(huán)境，減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,減少勞動(dòng)風(fēng)險(xiǎn);（6）減少工藝過程中的工作量及減少停產(chǎn)時(shí)間和庫存；（7）提高公司競爭力。三、工業(yè)機(jī)器人的分類工業(yè)機(jī)器人按臂部的運(yùn)動(dòng)形式分為四種.直角坐標(biāo)型的臂部可沿三個(gè)直角坐標(biāo)移動(dòng)；圓柱坐標(biāo)型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動(dòng)作；球坐標(biāo)型的臂部能回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮；關(guān)節(jié)型的臂部有多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。工業(yè)機(jī)器人按執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的控制機(jī)能，又可分點(diǎn)位型和持續(xù)軌跡型。點(diǎn)位型控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)由一點(diǎn)到另一點(diǎn)的精擬定位，合用于機(jī)床上下料、點(diǎn)焊和普通搬運(yùn)、裝卸等作業(yè);持續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按給定軌跡運(yùn)動(dòng),合用于持續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。工業(yè)機(jī)器人按程序輸入方式分辨有編程輸入型和示教輸入型兩類。編程輸入型是將計(jì)算機(jī)上已編好的作業(yè)程序文獻(xiàn)，通過RS232串口或者以太網(wǎng)等通信方式傳送到機(jī)器人控制柜.四、工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)20世紀(jì)80年代以來，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)逐步成熟，并很快得到推廣，現(xiàn)在已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。在工業(yè)機(jī)器人逐步得到推廣和普及的過程中，下面三個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)步起著非常重要的作用。（1）驅(qū)動(dòng)方式的變化采用液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人逐步被伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人所取代，其在響應(yīng)速度、精度、靈活性等方面都有很大提高,成為工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的主流。(2）信息解決速度的提高隨著信息技術(shù)的不停發(fā)展，CPU的計(jì)算能力有了很大提高，機(jī)器人控制器的性能也有了很大提高。機(jī)器人控制器性能的提高也進(jìn)一步增進(jìn)了工業(yè)機(jī)器人本身性能的提高，并擴(kuò)大了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范疇。（3）傳感器技術(shù)的發(fā)展近年來，隨著信息解決技術(shù)和傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，觸覺、力覺、視覺等外部傳感器已經(jīng)在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。多個(gè)新型傳感器的使用不僅提高了工業(yè)機(jī)器人的智能程度，也進(jìn)一步拓寬了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范疇.工業(yè)機(jī)器人最明顯的特點(diǎn)有下列幾個(gè)：（1）可編程。生產(chǎn)自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展是柔性啟動(dòng)化。工業(yè)機(jī)器人可隨其工作環(huán)境變化的需要而再編程,因此它在小批量多品種含有均衡高效率的柔性制造過程中能發(fā)揮較好的功用，是柔性制造系統(tǒng)中的一種重要構(gòu)成部分。（2）擬人化.工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械構(gòu)造上有類似人的行走、腰轉(zhuǎn)、大臂、小臂、手腕、手爪等部分,在控制上有電腦。另外,智能化工業(yè)機(jī)器人尚有許多類似人類的“生物傳感器”,如皮膚型接觸傳感器、力傳感器、負(fù)載傳感器、視覺傳感器、聲覺傳感器、語言功效等。傳感器提高了工業(yè)機(jī)器人對周邊環(huán)境的自適應(yīng)能力。（3)通用性。除了專門設(shè)計(jì)的專用的工業(yè)機(jī)器人外，普通工業(yè)機(jī)器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)時(shí)含有較好的通用性。例如，更換工業(yè)機(jī)器人手部末端操作器(手爪、工具等)便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)。（4）工業(yè)機(jī)器技術(shù)涉及的學(xué)科相稱廣泛，歸納起來是機(jī)械學(xué)和微電子學(xué)的結(jié)合-機(jī)電一體化技術(shù)。第三代智能機(jī)器人不僅含有獲取外部環(huán)境信息的多個(gè)傳感器，并且還含有記憶能力、語言理解能力、圖像識別能力、推理判斷能力等人工智能，這些都是微電子技術(shù)的應(yīng)用,特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用親密有關(guān)。因此，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展必將帶動(dòng)其它技術(shù)的發(fā)展,機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平也能夠驗(yàn)證一種國家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展水平.五、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷程在國外，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟,已經(jīng)成為一種原則設(shè)備被工業(yè)界廣泛應(yīng)用。國際上工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)中,出名的公司有瑞典的ABBRobotics,日本的FANUC、Yaskawa,德國的KUKARoboterGmbH，美國的AdeptTechnology、AmericanRobot、EmersonIndustrialAutomation，意大利的COMAU，英國的AutoTechRobotics,加拿大的JedInternationalRobotics，以色列的RobogroupTek公司，這些公司已經(jīng)成為其所在地區(qū)的支柱性公司。在國內(nèi),工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)剛剛起步，但增加的勢頭非常強(qiáng)勁,如中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化所投資組建的新松機(jī)器人公司，年利潤增加在40％左右。但是相對于全球機(jī)器人產(chǎn)業(yè)來說，我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)差距還是非常大的。以年為例：來自我國權(quán)威部門的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（參閱表)顯示，全年我國進(jìn)口工業(yè)機(jī)器人數(shù)量超出1萬臺，累計(jì)3.2億美元；其中，外商獨(dú)資公司，累計(jì)進(jìn)口工業(yè)機(jī)器人6669臺，近1.6億美元，占進(jìn)口額的50%，這從側(cè)面反映出外資字公司仍然處在制造業(yè)高端的主力位置。和進(jìn)口產(chǎn)品相比，我國出口的工業(yè)機(jī)器人則顯得微弱。年出口460余臺，僅1000萬美元［②］。兩組數(shù)據(jù)比較：數(shù)量相差22倍，銷售業(yè)績相差30倍。我國的工業(yè)機(jī)器人研究開始于20世紀(jì)70年代，大致可分為4個(gè)階段,即理論研究階段、樣機(jī)研發(fā)階段、示范應(yīng)用階段和初步產(chǎn)業(yè)化階段。前期理論研究開始于20世紀(jì)70年代至80年代早期,研究單位分布在國內(nèi)部分高校。這一階段由于當(dāng)時(shí)國家經(jīng)濟(jì)條件等因素的制約,重要從事工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)理論的研究，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)等方面獲得了一定的進(jìn)展，為后續(xù)工業(yè)機(jī)器人的研究奠定了基礎(chǔ)。進(jìn)入20世紀(jì)80年代中期，隨著工業(yè)發(fā)達(dá)國家開始大量應(yīng)用和普及工業(yè)機(jī)器人，我國工業(yè)機(jī)器人的研究得到政府的重視和支持。國家組織了對工業(yè)機(jī)器人需求行業(yè)的調(diào)研，投入大量的資金開展工業(yè)機(jī)器人的研究，進(jìn)入了樣機(jī)開發(fā)階段。20世紀(jì)90年代為工業(yè)機(jī)器人示范應(yīng)用階段。為增進(jìn)高技術(shù)發(fā)展與國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場的親密銜接，擬定了特種機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用工程并重、以應(yīng)用帶動(dòng)核心技術(shù)和基礎(chǔ)研究的發(fā)展方針。這一階段共研制出平面關(guān)節(jié)型裝配機(jī)器人、直角坐標(biāo)機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人及自動(dòng)引導(dǎo)車等7種工業(yè)機(jī)器人系列產(chǎn)品，102種特種機(jī)器人，實(shí)施了100余項(xiàng)機(jī)器人應(yīng)用工程。其中58項(xiàng)核心技術(shù)和應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)研究成果達(dá)成國際先進(jìn)水平，先后獲得國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)2l項(xiàng)，省部級科技進(jìn)步獎(jiǎng)116項(xiàng)，發(fā)明專利38項(xiàng)，實(shí)用新型專利125項(xiàng)。同時(shí)為了增進(jìn)國產(chǎn)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化，90年代末，建立了9個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地和7個(gè)科研基地,涉及沈陽自動(dòng)化研究所的新松機(jī)器人公司、哈爾濱博實(shí)自動(dòng)化設(shè)備有限責(zé)任公司、北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所機(jī)器人開發(fā)中心等，為發(fā)展我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)奠定了基礎(chǔ)。進(jìn)入21世紀(jì)，國家中長久科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要突出增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力這一條根本，著力營造有助于自主創(chuàng)新的政策環(huán)境，加緊增進(jìn)公司成為創(chuàng)新主體,大力倡導(dǎo)公司為主體，產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合.國內(nèi)一大批公司或自主研制或與科研院所合作,進(jìn)入工業(yè)機(jī)器人研制和生產(chǎn)行列，我國工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入了初步產(chǎn)業(yè)化階段。我國有組織有計(jì)劃地發(fā)展機(jī)器人事業(yè)，應(yīng)當(dāng)說是從“七五”期間的科研攻關(guān)及實(shí)施“863計(jì)劃”開始的，通過十幾年來的研制、生產(chǎn)、應(yīng)用，從縱向看，有了長足的進(jìn)步?，F(xiàn)在在某些機(jī)種方面，如噴涂機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、裝配機(jī)器人、特種機(jī)器人（水下、爬壁、管道、遙控等機(jī)器人），基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，解決了控制，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配備、軟件的設(shè)計(jì)和編制等核心技術(shù)，還掌握了自動(dòng)化噴漆線、弧焊自動(dòng)線(工作站)及其周邊配套設(shè)備的全線自動(dòng)通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù)；在基礎(chǔ)元件方面，諧波減速器、機(jī)器人焊接電源、焊縫自動(dòng)跟蹤裝置也有了突破；于此同時(shí)造就了一支含有一定水平的技術(shù)隊(duì)伍。無疑，從技術(shù)方面來說，我國的機(jī)器人技術(shù)在世界機(jī)器人界已有一席之地，奠定了獨(dú)立自主發(fā)展中國機(jī)器人事業(yè)的基礎(chǔ)。但整體來說，由于我國機(jī)器人廠商起步比較晚、研發(fā)實(shí)力相對落后、規(guī)模較小、存在大量低水平的簡樸重復(fù)開發(fā)、沒有強(qiáng)有力的協(xié)調(diào)部門，現(xiàn)在國內(nèi)機(jī)器人領(lǐng)域公司尚未能形成統(tǒng)一的產(chǎn)業(yè)模式和整體規(guī)劃，不能實(shí)現(xiàn)多個(gè)功效構(gòu)件之間的可重用與互置換，沒有形成與信息產(chǎn)品相類似的專業(yè)化配套與產(chǎn)業(yè)鏈分工，不能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化級別的規(guī)模生產(chǎn)，制造成本高昂，諸多核心部件都依賴進(jìn)口,產(chǎn)品整體技術(shù)含量較低、價(jià)格便宜、利潤大多也被國外配件供貨廠商所獲取。照此發(fā)展下去，我們或許會像以往那樣依靠便宜的人工成本和極低的利潤率，在中低端產(chǎn)品中獲取較快的發(fā)展和較大的市場份額,但最后還是擺脫不了“世界組裝車間”的命運(yùn)。由于核心技術(shù)沒有獲得突破,國內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展抗風(fēng)險(xiǎn)能力極差，從久遠(yuǎn)來看不利于中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的久遠(yuǎn)發(fā)展.另外，在高端的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品研發(fā)方面,我國有關(guān)配套部件相對落后，而零部件進(jìn)口方面由于受到國外政治因素制約，因高精尖核心部件含有“軍事敏感”技術(shù)，造成無法引進(jìn)，我國在高端機(jī)器人產(chǎn)品方面的研制和生產(chǎn)碰到極大妨礙。因此，能夠形成統(tǒng)一的行業(yè)發(fā)展的整體思路、產(chǎn)業(yè)布局、技術(shù)原則,并在此基礎(chǔ)上在核心部件和技術(shù)方面能夠有所突破,成為行業(yè)發(fā)展的重中之重。六、工業(yè)機(jī)器人將來的趨勢從近幾年國外出名公司推出和正在研制的產(chǎn)品來看，新一代工業(yè)機(jī)器人正在向智能化、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化、人性化、編程圖形化發(fā)展。（1）構(gòu)造的模塊化、可重構(gòu)化。研究機(jī)構(gòu)、控制與感知的可重構(gòu)技術(shù),通過快速重構(gòu)生成適應(yīng)新環(huán)境、新任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng),體現(xiàn)出良好的作業(yè)柔性。（2)控制系統(tǒng)的開放化、網(wǎng)絡(luò)化。研究控制系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、互操作性、可移植性、可裁減性，機(jī)器人由獨(dú)立系統(tǒng)向群體系統(tǒng)發(fā)展。（3）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)字化、分散化。通過分布式控制、遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)場控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的運(yùn)動(dòng)控制。（4）多傳感器融合的實(shí)用化。協(xié)同感知系統(tǒng)的實(shí)用化及高效可行(特別是針對非線性、非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的現(xiàn)實(shí)信息）的多傳感器融合算法。（5）機(jī)器人作業(yè)的人性化、集成化.研究以人為核心的作業(yè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)過程中機(jī)器人群體協(xié)調(diào)、群智能和人機(jī)和諧共存。(6）人機(jī)交互的圖形化、三維全息化。全浸入式圖形化環(huán)境、三維全息環(huán)境建模、真三維虛擬現(xiàn)實(shí)裝置以及力、溫度、振動(dòng)等多物理作用效應(yīng)人機(jī)交互裝置。美國、歐洲、日本等國分別在將來工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)中強(qiáng)調(diào)了新型人機(jī)合作的重要性。奧巴馬宣布美國國家機(jī)器人計(jì)劃：發(fā)明可與人類操作員親密配合的下一代機(jī)器人,使機(jī)器人更聰穎、更安全，作為人類合作者（Co—robot），使工廠工人有能力完畢難以實(shí)現(xiàn)的核心任務(wù)。歐洲提出了將來十年建設(shè)“歐洲機(jī)器人技術(shù)平臺EUROP”的戰(zhàn)略規(guī)劃,力圖構(gòu)造出產(chǎn)業(yè)工人的Co-Worker，以圖重振歐洲制造業(yè)。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與人共用工具、設(shè)備及工作空間，以助手等更為自然的方式為人類提供服務(wù)等功效。達(dá)成機(jī)器人與人類生活行為環(huán)境以及人類本身和諧共處的目的。這需要解決多個(gè)核心問題，涉及：機(jī)器人本質(zhì)安全問題，保障機(jī)器人與人、環(huán)境間的絕對安全共處;任務(wù)環(huán)境的自主適應(yīng)問題，自主適應(yīng)