工業(yè)機器人調(diào)研報告

一、工業(yè)機器人的概念機器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)多種功能的一種機器。聯(lián)合國原則化組織采納了美國機器人協(xié)會給機器人下的定義:“一種可編程和多功能的操作機；或是為了執(zhí)行不一樣的任務(wù)而具有可用電腦變化和可編程動作的專門系統(tǒng)?！惫I(yè)機器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器人，它是自動執(zhí)行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)多種功能的一種機器。工業(yè)機器人可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運行，現(xiàn)代的工業(yè)機器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則大綱行動。工業(yè)機器人由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分構(gòu)成。主體即機座和執(zhí)行機構(gòu)，包括臂部、腕部和手部，有的機器人尚有行走機構(gòu).大多數(shù)工業(yè)機器人有3~6個運動自由度，其中腕部一般有1～3個運動自由度；驅(qū)動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構(gòu),用以使執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生對應(yīng)的動作；控制系統(tǒng)是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令信號,并進行控制。二、工業(yè)機器人的發(fā)展史及長處工業(yè)機器人誕生于20世紀(jì)60年代，在20世紀(jì)90年代得到迅速發(fā)展，是最先產(chǎn)業(yè)化的機器人技術(shù)。它是綜合了計算機、控制論、機構(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)，是現(xiàn)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)機器人后來，機器人就顯示出了極強的生命力。通過四十年的迅速發(fā)展，在工業(yè)發(fā)達國家中，工業(yè)機器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車及汽車零部件制造業(yè)、機械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家俱制造業(yè)等諸多領(lǐng)域中。作為先進制造業(yè)中不可替代的重要裝備和手段，工業(yè)機器人已經(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)機器人是現(xiàn)代制造業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)備，它屬于自動化制造系統(tǒng)的物理層次。機器人的過去、目前和未來都與制造業(yè)發(fā)展親密有關(guān)。使用工業(yè)機器人可以減少廢品率和產(chǎn)品成本,提高了機床的運用率，減少了工人誤操作帶來的殘次零件風(fēng)險等,其帶來的一系列效益也是十分明顯的,例如減少人工用量、減少機床損耗、加緊技術(shù)創(chuàng)新速度、提高企業(yè)競爭力等。機器人具有執(zhí)行多種任務(wù)尤其是高危任務(wù)的能力，平均故障間隔期達60000小時以上,比老式的自動化工藝愈加先進。采用工業(yè)機器人有如下長處：（1）改善勞動條件，逐漸提高生產(chǎn)效率；（2）更強與可控的生產(chǎn)能力,加緊產(chǎn)品更新?lián)Q代；（3)提高零件的處理能力與產(chǎn)品質(zhì)量；（4）消除枯燥無味的工作，節(jié)省勞動力；（5）提供更安全的工作環(huán)境，減少工人的勞動強度,減少勞動風(fēng)險;（6）減少工藝過程中的工作量及減少停產(chǎn)時間和庫存；（7）提高企業(yè)競爭力。三、工業(yè)機器人的分類工業(yè)機器人按臂部的運動形式分為四種.直角坐標(biāo)型的臂部可沿三個直角坐標(biāo)移動；圓柱坐標(biāo)型的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動作；球坐標(biāo)型的臂部能回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮；關(guān)節(jié)型的臂部有多種轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。工業(yè)機器人按執(zhí)行機構(gòu)運動的控制機能，又可分點位型和持續(xù)軌跡型。點位型控制執(zhí)行機構(gòu)由一點到另一點的精確定位，合用于機床上下料、點焊和一般搬運、裝卸等作業(yè);持續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機構(gòu)按給定軌跡運動,合用于持續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。工業(yè)機器人按程序輸入方式辨別有編程輸入型和示教輸入型兩類。編程輸入型是將計算機上已編好的作業(yè)程序文獻，通過RS232串口或者以太網(wǎng)等通信方式傳送到機器人控制柜.四、工業(yè)機器人的特點20世紀(jì)80年代以來，工業(yè)機器人技術(shù)逐漸成熟，并很快得到推廣，目前已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。在工業(yè)機器人逐漸得到推廣和普及的過程中，下面三個方面的技術(shù)進步起著非常重要的作用。（1）驅(qū)動方式的變化采用液壓驅(qū)動的機器人逐漸被伺服電動機驅(qū)動的機器人所取代，其在響應(yīng)速度、精度、靈活性等方面均有很大提高,成為工業(yè)機器人驅(qū)動方式的主流。(2）信息處理速度的提高伴隨信息技術(shù)的不停發(fā)展，CPU的計算能力有了很大提高，機器人控制器的性能也有了很大提高。機器人控制器性能的提高也深入增進了工業(yè)機器人自身性能的提高，并擴大了工業(yè)機器人的應(yīng)用范圍。（3）傳感器技術(shù)的發(fā)展近年來，伴隨信息處理技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，觸覺、力覺、視覺等外部傳感器已經(jīng)在工業(yè)機器人中得到廣泛應(yīng)用。多種新型傳感器的使用不僅提高了工業(yè)機器人的智能程度，也深入拓寬了工業(yè)機器人的應(yīng)用范圍.工業(yè)機器人最明顯的特點有如下幾種：（1）可編程。生產(chǎn)自動化的深入發(fā)展是柔性啟動化。工業(yè)機器人可隨其工作環(huán)境變化的需要而再編程,因此它在小批量多品種具有均衡高效率的柔性制造過程中能發(fā)揮很好的功用，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)機器人在機械構(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。此外,智能化工業(yè)機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、負載傳感器、視覺傳感器、聲覺傳感器、語言功能等。傳感器提高了工業(yè)機器人對周圍環(huán)境的自適應(yīng)能力。（3)通用性。除了專門設(shè)計的專用的工業(yè)機器人外，一般工業(yè)機器人在執(zhí)行不一樣的作業(yè)任務(wù)時具有很好的通用性。例如，更換工業(yè)機器人手部末端操作器(手爪、工具等)便可執(zhí)行不一樣的作業(yè)任務(wù)。（4）工業(yè)機器技術(shù)波及的學(xué)科相稱廣泛，歸納起來是機械學(xué)和微電子學(xué)的結(jié)合-機電一體化技術(shù)。第三代智能機器人不僅具有獲取外部環(huán)境信息的多種傳感器，并且還具有記憶能力、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,尤其是計算機技術(shù)的應(yīng)用親密有關(guān)。因此，機器人技術(shù)的發(fā)展必將帶動其他技術(shù)的發(fā)展,機器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平也可以驗證一種國家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展水平.五、工業(yè)機器人的發(fā)展歷程在國外，工業(yè)機器人技術(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)機器人產(chǎn)業(yè)中,著名的企業(yè)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企業(yè)，這些企業(yè)已經(jīng)成為其所在地區(qū)的支柱性企業(yè)。在國內(nèi),工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)剛剛起步，但增長的勢頭非常強勁,如中國科學(xué)院沈陽自動化所投資組建的新松機器人企業(yè)，年利潤增長在40％左右。不過相對于全球機器人產(chǎn)業(yè)來說，我國機器人產(chǎn)業(yè)差距還是非常大的。以年為例：來自我國權(quán)威部門的記錄數(shù)據(jù)（參閱表)顯示，整年我國進口工業(yè)機器人數(shù)量超過1萬臺，合計3.2億美元；其中，外商獨資企業(yè)，合計進口工業(yè)機器人6669臺，近1.6億美元，占進口額的50%，這從側(cè)面反應(yīng)出外資字企業(yè)仍然處在制造業(yè)高端的主力位置。和進口產(chǎn)品相比，我國出口的工業(yè)機器人則顯得微弱。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)機器人研究開始于20世紀(jì)70年代，大體可分為4個階段,即理論研究階段、樣機研發(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年代初期,研究單位分布在國內(nèi)部分高校。這一階段由于當(dāng)時國家經(jīng)濟條件等原因的制約,重要從事工業(yè)機器人基礎(chǔ)理論的研究，在機器人運動學(xué)、機構(gòu)學(xué)等方面獲得了一定的進展，為后續(xù)工業(yè)機器人的研究奠定了基礎(chǔ)。進入20世紀(jì)80年代中期，伴隨工業(yè)發(fā)達國家開始大量應(yīng)用和普及工業(yè)機器人，我國工業(yè)機器人的研究得到政府的重視和支持。國家組織了對工業(yè)機器人需求行業(yè)的調(diào)研，投入大量的資金開展工業(yè)機器人的研究，進入了樣機開發(fā)階段。20世紀(jì)90年代為工業(yè)機器人示范應(yīng)用階段。為增進高技術(shù)發(fā)展與國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場的親密銜接，確定了特種機器人與工業(yè)機器人及其應(yīng)用工程并重、以應(yīng)用帶動關(guān)鍵技術(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)型裝配機器人、直角坐標(biāo)機器人、弧焊機器人、點焊機器人及自動引導(dǎo)車等7種工業(yè)機器人系列產(chǎn)品，102種特種機器人，實行了100余項機器人應(yīng)用工程。其中58項關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)研究成果到達國際先進水平，先后獲得國家科技進步獎2l項，省部級科技進步獎116項，發(fā)明專利38項，實用新型專利125項。同步為了增進國產(chǎn)機器人的產(chǎn)業(yè)化，90年代末，建立了9個機器人產(chǎn)業(yè)化基地和7個科研基地,包括沈陽自動化研究所的新松機器人企業(yè)、哈爾濱博實自動化設(shè)備有限責(zé)任企業(yè)、北京機械工業(yè)自動化研究所機器人開發(fā)中心等，為發(fā)展我國機器人產(chǎn)業(yè)奠定了基礎(chǔ)。進入二十一世紀(jì)，國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要突出增強自主創(chuàng)新能力這一條主線，著力營造有助于自主創(chuàng)新的政策環(huán)境，加緊增進企業(yè)成為創(chuàng)新主體,大力倡導(dǎo)企業(yè)為主體，產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合.國內(nèi)一大批企業(yè)或自主研制或與科研院所合作,進入工業(yè)機器人研制和生產(chǎn)行列，我國工業(yè)機器人進入了初步產(chǎn)業(yè)化階段。我國有組織有計劃地發(fā)展機器人事業(yè)，應(yīng)當(dāng)說是從“七五”期間的科研攻關(guān)及實行“863計劃”開始的，通過十幾年來的研制、生產(chǎn)、應(yīng)用，從縱向看，有了長足的進步。目前在某些機種方面，如噴涂機器人、弧焊機器人、點焊機器人、搬運機器人、裝配機器人、特種機器人（水下、爬壁、管道、遙控等機器人），基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)，處理了控制，驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計和配置、軟件的設(shè)計和編制等關(guān)鍵技術(shù)，還掌握了自動化噴漆線、弧焊自動線(工作站)及其周圍配套設(shè)備的全線自動通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù)；在基礎(chǔ)元件方面，諧波減速器、機器人焊接電源、焊縫自動跟蹤裝置也有了突破；于此同步造就了一支具有一定水平的技術(shù)隊伍。無疑，從技術(shù)方面來說，我國的機器人技術(shù)在世界機器人界已經(jīng)有一席之地，奠定了獨立自主發(fā)展中國機器人事業(yè)的基礎(chǔ)。但整體來說，由于我國機器人廠商起步比較晚、研發(fā)實力相對落后、規(guī)模較小、存在大量低水平的簡樸反復(fù)開發(fā)、沒有強有力的協(xié)調(diào)部門，目前國內(nèi)機器人領(lǐng)域企業(yè)尚未能形成統(tǒng)一的產(chǎn)業(yè)模式和整體規(guī)劃，不能實現(xiàn)多種功能構(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，不能實現(xiàn)工業(yè)化級別的規(guī)模生產(chǎn)，制導(dǎo)致本高昂，諸多關(guān)鍵部件都依賴進口,產(chǎn)品整體技術(shù)含量較低、價格廉價、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托廉價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,但最終還是掙脫不了“世界組裝車間”的命運。由于關(guān)鍵技術(shù)沒有獲得突破,國內(nèi)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展抗風(fēng)險能力極差，從長遠來看不利于中國機器人產(chǎn)業(yè)的長遠發(fā)展.此外，在高端的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品研發(fā)方面,我國有關(guān)配套部件相對落后，而零部件進口方面由于受到國外政治原因制約，因高精尖關(guān)鍵部件具有“軍事敏感”技術(shù)，導(dǎo)致無法引進，我國在高端機器人產(chǎn)品方面的研制和生產(chǎn)碰到極大阻礙。因此，可以形成統(tǒng)一的行業(yè)發(fā)展的整體思緒、產(chǎn)業(yè)布局、技術(shù)原則,并在此基礎(chǔ)上在關(guān)鍵部件和技術(shù)方面可以有所突破,成為行業(yè)發(fā)展的重中之重。六、工業(yè)機器人未來的趨勢從近幾年國外著名企業(yè)推出和正在研制的產(chǎn)品來看，新一代工業(yè)機器人正在向智能化、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。研究機構(gòu)、控制與感知的可重構(gòu)技術(shù),通過迅速重構(gòu)生成適應(yīng)新環(huán)境、新任務(wù)的機器人系統(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)的可擴展性、互操作性、可移植性、可淘汰性，機器人由獨立系統(tǒng)向群體系統(tǒng)發(fā)展。（3）驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)字化、分散化。通過度布式控制、遠程聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)場控制，實現(xiàn)機器人驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的運動控制。（4）多傳感器融合的實用化。協(xié)同感知系統(tǒng)的實用化及高效可行(尤其是針對非線性、非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的現(xiàn)實信息）的多傳感器融合算法。（5）機器人作業(yè)的人性化、集成化.研究以人為關(guān)鍵的作業(yè)系統(tǒng)，實現(xiàn)作業(yè)過程中機器人群體協(xié)調(diào)、群智能和人機友好共存。(6）人機交互的圖形化、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)實裝置以及力、溫度、振動等多物理作用效應(yīng)人機交互裝置。美國、歐洲、日本等國分別在未來工業(yè)機器人的研發(fā)中強調(diào)了新型人機合作的重要性。奧巴馬宣布美國國家機器人計劃：發(fā)明可與人類操作員親密配合的下一代機器人,使機器人更聰穎、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現(xiàn)的關(guān)鍵任務(wù)。歐洲提出了未來十年建設(shè)“歐洲機器人技術(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)。實現(xiàn)機器人與人共用工具、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)等功能。到達機器人與人類生活行為環(huán)境以及人類自身友好共處的目的。這需要處理多種關(guān)鍵問題，包括：機器人本質(zhì)安全問題，保障機器人與人、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)個