小型工業機器人的設計狀況與前景

      工業機器人、機械手在先進制造技術領域中扮演著極其重要的角色，是近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備，是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環境中工作。工業機械手的是工業機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業任務， 在構造和性能上兼有人和機器各自的優點，尤其體現了人的智能和適應性。機械手作業的準確性和各種環境中完成作業的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發展前景。機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。

　　  1 國內外設計狀況

　　  1.1 機器人領域

　　  機器人技術與信息技術一樣，在強化產業競爭力方面是極為重要的戰略技術領域。機器人是先進制造技術和自動化裝備的典型代表， 是人造機器的“終極”形式。它涉及到機械、電子、自動控制、計算機、人工智能、傳感器、通訊與網絡等多個學科和領域，是多種高新技術發展成果的綜合集成，因此它的發展與眾多學科發展密切相關。一方面， 機器人在制造業應用的范圍越來越廣闊，其標準化、模塊化、網絡化和智能化的程度也越來越高，功能越來越強，并向著成套技術和裝備的方向發展;另一方面，機器人向著非制造業應用發展以及微小型方向發展，并將服務于人類活動的各個領域。總體趨勢是，從狹義的機器人概念向廣義的機器人技術概念轉移，從工業機器人產業向解決方案業務的機器人技術產業發展。機器人技術的內涵已變為“靈活應用機器人技術的、具有在實世界動作功能的智能化系統”。

　　  工業機器人由操作機(機械本體) 、控制器、伺服驅動系統和檢測傳感裝置構工成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩定、提高產品質量，提高生產效率， 改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用。

　　  機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動， 而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置， 既有人對環境狀態的快速反應和分析判斷能力， 又有機器可長時間持續工作、精確度高、抗惡劣環境的能力， 從某種意義上說它也是機器的進化過程產物， 它是工業以及非產業界的重要生產和服務性設備， 也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備.

　　  1.2 機械手領域

　　  工業機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備。工業機械手的是工業機器人的一個重要分支。它的特 點是可通過編程來完成各種預期的作業任務， 在構造和性能上 兼有人和機器各自的優點， 尤其體現了人的智能和適應性。機 械手作業的準確性和各種環境中完成作業的能力， 在國民經濟 各領域有著廣闊的發展前景。機械手技術涉及到力學、機械學、 電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科 學領域， 是一門跨學科綜合技術。

　　  2 工業機器人的研究趨勢

　　  目前， 國外機器人技術正在向智能機器和智能系統的方向發展， 其現狀及發展趨勢主要體現在以下幾個方面：

　　  (1) 工業機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠 性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97 年的6.5萬美元。

　　  (2)機械結構向模塊化、可重構化發展。例如關節模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統三位一體化;由關節模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人 產品問市。

　　  (3)工業機器人控制系統向基于PC機的開放型控制器方向發展，便于標準化、網絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構; 大大提高了系統的可靠性、易操作性和 可維修性。

      (4)虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業環境中的感覺來操縱機器人。

　　  (5)機器人化機械開始興起。從94年美國開發出“虛擬軸機床”以來， 這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一， 紛紛探索開拓其實際應用的領域。

　  　3 有關工業機械手的設計技術

　　  3.1 機器人機構技術

　　  目前已經開發出了多種類型機器人機構， 運動自由度從3自由度到7或8自由度不等，其結構有串聯、并聯及垂直關節和平面關節多種。目前研究重點是機器人新的結構、功能及可實現性，其目的是使機器功能更強、柔性更大、滿足不同目的的需求。另外研究機器人一些新的設計方法， 探索新的高強度輕質材料，進一步提高負載/自重比。同時機器人機構向著模塊化、可重構方向發展。

　  　3.2 機器人控制技術

　　  現已實現了機器人的全數字化控制，控制能力可達21軸的協調運動控制;基于傳感器的控制技術已取得了重大進展。目前重點研究開放式、模塊化控制系統，人機界面更加友好，具有良好的語言及圖形編輯界面。同時機器人的控制器的標準化和網絡化以及基于Pc機網絡式控制器已成為研究熱點。編程技術除進一步提高在線編程的可操作性之外， 離線編程的實用化將成為重點研究內容。

　　  3.3 數字伺服驅動技術

　　  機器人已經實現了全數字交流伺服驅動控制，絕對位置反饋。目前正研究利用計算機技術，探索高效的控制驅動算法，提高系統的響應速度 和控制精度;同時利用現場總線(PROFIBUS)技術，實現的分布式控制。

　　  3.4 多傳感系統技術

　　  為進一步提高機器人的智能和適應性， 多種傳感器的應用是其問題解決的關鍵。目前視覺傳感器、激光傳感器等已在機器人中成功應用。下一步的研究熱點集中在有效可行的(特別是在非線性及非平穩非正態分布的情形下)多傳感器融合算法， 以及解決傳感系統的實用化問題。

　　  3.5 機器人應用技術

　　  機器人應用技術主要包括機器人工作環境的優化設計和智能作業。優化設計主要利用各種先進的計算機手段， 實現設計的動態分析和仿真， 提高設計效率和優化。智能作業則是利用傳感器技術和控制方法， 實現機器人作業的高度柔性和對環境的適應性， 同時降低操作人員參與的復雜性。目前， 機器人的作業主要靠人的參與實現示教， 缺乏自我學習和自我完善的能力。這方面的研究工作剛剛開始。

　  　3.6 機器人網絡化技術

　　  網絡化使機器人由獨立的系統向群體系統發展， 使遠距離操作監控、維護及遙控腦型工廠成為可能， 這是機器人技術發展的一個里程碑。目前， 機器人僅僅實現了簡單的網絡通訊和控制， 網絡化機器人是目前機器人研究中的熱點之一。

　  　3.7 機器人靈巧化和智能化發展

　　  機器人結構越來越靈巧， 控制系統愈來愈小， 其智能也越來越高， 并正朝著一體化方向發展。 <Script type=text/javascript> function ImgZoom(Id)//重新設置圖片大小 防止撐破表格 { var w = $(Id).width; var m = 650; if(w < m){return;} else{ var h = $(Id).height; $(Id).height = parseInt(h*m/w); $(Id).width = m; } } window.onload = function() { var Imgs = $("content").getElementsByTagName("img"); var i=0; for(;i

　    3.8 工業機器人的技術發展趨勢

　　  機器人是最典型的機電一體化裝備，技術附加值很高，應用范圍很廣，作為先進制造業的支撐技術和信息化社會的新興產業，將對未來生產和社會發展起越來越重要的作用。從近幾年世界機器人推出的產品來看，工業機器人技術正在向智能機器和智能系統的方向發展，其發展趨勢主要為結構的模塊化和可重構化，控制技術的開放化、PC化和網絡化，伺服驅動技術的數字化和分散化，多傳感器融合技術的實用化，工作環境設計的優化和作業的柔性化，以及系統的網絡化和智能化等方面。

　  　4 新興技術在機器人上的應用

　　  4.1 微機在機器人上的應用

　　  微操作系統作為MEMS研究領域的一個重要分支受到各發達國家的高度重視， 紛紛投入大量資金進行微操作機器人系統的研究， 現已研制出多種各具特色的微操作機器人實驗樣機系統。大多數工業機器人是按照給定的程序做簡單重復的動作(如焊接、裝配、搬運等)， 不需要太強的智能。而對于微操作機器人來說，情況就有很大不同。因為被操作對象十分微小， 操作人員不可能十分清楚它們的精確位置， 況且外界環境的變化使得它們的相對位置不定，微觀世界里的物理法則及力學特性與宏觀世界也大相徑庭， 這就要求機器人有很強的自動識別能力和決策能力。

　　  4.2 藍牙在機器人上的應用

　　  機器人智能技術中最為重要的相關領域是機器人的多感覺系統和多傳感信息的集成與融合。藍牙技術是用于替代電纜或連線的短距離無線通信技術。機器人采集信號可以通過在智能機器人上安裝一個帶有藍牙模塊的探測器作為接收設備來完成各種不同通信協議之間的轉換和信息共享以及同外部通信之間的數據交換功能， 同時還負責對各個從設備的管理和控制。

　　  5 我國工業機器人的發展前景

　　  有人認為， 應用機器人只是為了節省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發展機器人不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會主義制度的優越性決定了機器人能夠充分發揮其長處。它不僅能為我國的經濟建設帶來高度的生產力和巨大的經濟效益，而且將為我國的宇宙開發、海洋開發、核能利用等新興領域的發展做出卓越的貢獻。

　  　我國機器人學研究起步較晚， 但進步較快， 已經在工業機器人、特種機器人和智能機器人各個方面區的了明顯的成就。近年來我國的機器人自動化技術也取得了長足的發展， 但是與世界發達國家相比， 還有一定的差距， 如可靠性低于國外產品;機器人應用工程起步較晚， 應用領域窄， 生產線系統技術與國外比有差距。我國目前從事機器人研發和應用工程的單位相對較少， 工業機器人的擁有量遠遠不能滿足需求量， 長期大量依靠從國外引進。

　　  我國的工業機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規劃技術， 生產了部分機器人關鍵元器件，開發出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業的近30條自動噴漆生產線(站)上獲得規模應用， 弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看， 我國的工業機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離， 如： 可靠性低于國外產品; 機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統技術與國外比有差距; 在應用規模上， 我國已安裝的國產工業機器人約200臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業。當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”， 品種規格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩定。因此迫切需要解決產業化前期的關鍵技術， 對產品進行全面規劃， 搞好系列化、通用化、模化設計， 積極推進產業化進程。