工業(yè)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及展望

周傳彪，周曉蓮

（達(dá)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川達(dá)州635001）

0 引言

國際機(jī)器人聯(lián)合會（International Federation of Robotics，IFR）將機(jī)器人定義為一種半自主或全自主工作的機(jī)器，可以做對人類有益的工作。適用在生產(chǎn)過程的稱之為工業(yè)機(jī)器人，適用在特殊環(huán)境的叫作專用機(jī)器人或特種機(jī)器人，適用在家庭或者直接服務(wù)人的稱之服務(wù)（家政）機(jī)器人。這種定義的廣義含義是機(jī)器人自動化機(jī)器，但不能理解為像人一樣的機(jī)器[1]。而國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）對機(jī)器人的定義為：機(jī)器人是一個自動、位置可控、可編程的多功能機(jī)械手，它具有幾個軸，可以通過編程操作來處理各種材料、零件、工具和專用設(shè)備，執(zhí)行各種任務(wù)。根據(jù)ISO給出的定義，工業(yè)機(jī)器人是工業(yè)中廣泛使用的多關(guān)節(jié)機(jī)器人或多自由度機(jī)器人，一臺可以自動執(zhí)行工作的機(jī)器，通過自身的動力和控制功能來實現(xiàn)機(jī)器的各種功能[2]。

隨著制造業(yè)對工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的擴(kuò)展，工業(yè)機(jī)器人亟需滿足高精度、高速度、重載荷、智能化等要求[3]，同時工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用從封閉的工作環(huán)境，單一的工作站延伸到機(jī)器人與人、機(jī)器人與機(jī)器人緊密協(xié)作的共同開放式工作環(huán)境，安全性問題和人機(jī)協(xié)作問題成為工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用研究的新熱點。本文通過查閱大量文獻(xiàn)簡述了工業(yè)機(jī)器人發(fā)展急需解決的一些關(guān)鍵部件和技術(shù)，并展望了未來機(jī)器人的特點，期望為工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展提供些參考作用。

1 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展史

現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展始于20世紀(jì)中葉，依靠計算機(jī)，自動化和核工業(yè)的快速發(fā)展。為了滿足大規(guī)模生產(chǎn)的迫切需求，并隨著計算機(jī)和自動化技術(shù)的發(fā)展，諸如原子能等核輻射環(huán)境中，迫切需要特殊機(jī)器人來取代人類操作和處理放射性物質(zhì)[4]。基于這種需求，1947年美國阿貢研究所開發(fā)了一種操作機(jī)械手，并于1948年開發(fā)出一種機(jī)械手，1954年，美國的Deval給出工業(yè)機(jī)器人的定義并獲得專利[5]。工業(yè)機(jī)器人的早期實用機(jī)型當(dāng)屬1962年美國的AMF公司開發(fā)的“UNIMATE”，其外形類似人的手臂，但控制方法與數(shù)控機(jī)床相似。1968年，麻省理工學(xué)院開發(fā)了一種能夠識別和定位簡單構(gòu)建塊的帶有視覺傳感器的機(jī)器人系統(tǒng)。1967年日本機(jī)器人研究協(xié)會成立，并召開了第一次機(jī)器人大會。1970年第一屆工業(yè)機(jī)器人國際會議在美國召開[6]，從那時起，工業(yè)機(jī)器人的研究得到快速深度發(fā)展。

2 國內(nèi)外發(fā)展情況

2.1 國外發(fā)展概況

全世界范圍來看，就市場規(guī)模而言，工業(yè)機(jī)器人約有四成在日本，就機(jī)器人技術(shù)而言，目前世界上最尖端的技術(shù)也在日本，可以說日本當(dāng)之無愧是“機(jī)器人大國”。特別是近幾年日本重新審視機(jī)器人產(chǎn)業(yè)政策，使其成為“世界技術(shù)創(chuàng)新中心”的支柱地位[7]。

美國是機(jī)器人的發(fā)源地，已躋身世界機(jī)器人強(qiáng)國之列。目前美國工業(yè)機(jī)器人供應(yīng)商主要有Adept Technology、American robot、Emerson Industrial Automation 等公司。

德國也在大力推動機(jī)器人技術(shù)發(fā)展，同時極大地開拓機(jī)器人應(yīng)用市場。目前德國工業(yè)機(jī)器人主要供應(yīng)商有 KUKA，CLOOS 等[8]。

法國一直較為注重工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，法國政府特別注重開展機(jī)器人的應(yīng)用研究，再加上工業(yè)界注重應(yīng)用開發(fā)，使得法國在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域擁有一定的地位。

英國從上世紀(jì)70年代末才開始推行支持機(jī)器人發(fā)展的政策，所以相對于其他歐美國家，起步較晚，再加上英國政府在推行時實施了些限制條件，因此英國的工業(yè)機(jī)器人工業(yè)地位在西歐很低。

此外，意大利、瑞士、西班牙、韓國、丹麥等國家因自身國內(nèi)工業(yè)發(fā)展的需要，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展也比較迅速。

2.2 國內(nèi)發(fā)展概況

20世紀(jì)70年代初中國開始著手工業(yè)機(jī)器人的研究。在起初的十年里，研究單位基本自主研發(fā)，速度緩慢。1985年以后，工業(yè)機(jī)器人開始被納入相關(guān)國家計劃，發(fā)展速度相對較快。尤其是中國政府在2015年推出“中國制造2025”戰(zhàn)略，中國的機(jī)器人技術(shù)取得了長足進(jìn)步。

近年來，中國日益完善的工業(yè)機(jī)器人自動化生產(chǎn)線，為用戶帶來了顯著的效益。機(jī)器人自動化生產(chǎn)線設(shè)備市場快速發(fā)展，國內(nèi)裝備制造業(yè)正處于從傳統(tǒng)裝備向先進(jìn)制造裝備過渡的時期。這為機(jī)器人自動化生產(chǎn)線研究開發(fā)企業(yè)帶來了巨大的商機(jī)。目前，上海、沈陽、北京、昆山、唐山、成都、徐州等工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)基地已基本建立，研發(fā)了一大批具有市場前景和自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機(jī)器人及其自動化生產(chǎn)線產(chǎn)品。

進(jìn)入“十三五”以來，廣州數(shù)控、沈陽新松、蘇州匯博、東莞起帆、上海沃迪、安徽埃夫特等本土工業(yè)機(jī)器人開始涌現(xiàn)，并形成初步產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，一些弧焊、點焊、裝配、搬運等工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)在多家企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)中獲得規(guī)模應(yīng)用，但在整個工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用比例較小，部分企業(yè)的工業(yè)機(jī)器人重點銷往教育領(lǐng)域。

3 應(yīng)用情況

在中國，工業(yè)機(jī)器人一半以上應(yīng)用于汽車制造業(yè)，少部分用于電子工業(yè)、金屬、化工、塑膠和食品。隨著技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也在快速擴(kuò)張。

目前工業(yè)機(jī)器人成品最多的是平面關(guān)節(jié)型四軸機(jī)器人，其次是串聯(lián)關(guān)節(jié)型六軸機(jī)器人，按照機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)不同，可以將其劃分為以下幾個應(yīng)用領(lǐng)域：

（1）焊、弧焊機(jī)器人。主要應(yīng)用于汽車制造中和建筑行業(yè)等領(lǐng)域的弧焊、點焊機(jī)器人，也是目前應(yīng)用最為廣泛的工業(yè)機(jī)器人之一。其可以降低工人的勞動力強(qiáng)度，穩(wěn)定提高焊件的焊接質(zhì)量，提高企業(yè)的生產(chǎn)率等優(yōu)點。

（2）噴涂機(jī)器人。噴涂機(jī)器人是1969年由挪威Trallfa公司發(fā)明，主要應(yīng)用于汽車、儀表、家電、建材等領(lǐng)域，具有工作空間大，柔性化程度高，提高了噴涂質(zhì)量和材料利用率，改善工人了工作環(huán)境等優(yōu)點。

（3）搬運機(jī)器人。搬運機(jī)器人最早是1960年由美國設(shè)計，主要應(yīng)用于機(jī)床上下料、自動裝配線、集成箱搬運、碼垛搬運等場合。隨著大量投入使用，可以提高生產(chǎn)率，降低工人勞動強(qiáng)度，改善工人工作環(huán)境，實現(xiàn)工廠自動化、無人化生產(chǎn)等優(yōu)點。

（4）裝配機(jī)器人。裝配機(jī)器人主要有PUMA機(jī)器人和SCARA機(jī)器人兩種，完成生產(chǎn)線上一些簡單的零件裝配或拆卸，主要應(yīng)用于家電、汽車零部件、計算機(jī)、玩具、機(jī)電產(chǎn)品等領(lǐng)域。與其他機(jī)器人相比具有精度高、工作空間小、柔順性好等特點。

（5）其他機(jī)器人。用于一些專用場合的機(jī)器人，如手機(jī)生產(chǎn)領(lǐng)域的激光塑料焊機(jī)機(jī)器人、高速四軸碼垛機(jī)器人，打磨拋光機(jī)器人等，以及在化工行業(yè)的潔凈機(jī)器人等。

4 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的核心技術(shù)和關(guān)鍵部件

目前，中國的科研人員已掌握了工業(yè)機(jī)器人的基本技術(shù)，但是創(chuàng)新能力較弱，核心技術(shù)和關(guān)鍵部鍵研發(fā)存在很大的不足，如高精度的減速器需要進(jìn)口，這影響了中國工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)總體發(fā)展。建議引用他人核心技術(shù)，研發(fā)自己的模塊化、可重構(gòu)工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，高速通信總線的高性能實時控制系統(tǒng)開放化、統(tǒng)一化，三維虛擬仿真和工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線集成化和一體化，復(fù)雜環(huán)境中的人機(jī)交互簡單化協(xié)同化，多傳感器融合技術(shù)的智能化等為技術(shù)目標(biāo)，注重應(yīng)用發(fā)展關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)。

4.1 工業(yè)機(jī)器人靈巧操作技術(shù)

工業(yè)機(jī)器人手臂在生產(chǎn)中模仿人手的靈巧性。通過核心技術(shù)研發(fā)，可以巧妙地完成許多復(fù)雜的作業(yè)。在工業(yè)機(jī)器人新機(jī)構(gòu)設(shè)計和高效驅(qū)動器方面，通過改良機(jī)械裝置和執(zhí)行器以提高工業(yè)機(jī)器人的精度、速度和其他性能[9]。此外，在人機(jī)交互環(huán)境中，工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動器和執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計，必須考慮工業(yè)機(jī)器人的安全性。新型機(jī)構(gòu)需要高強(qiáng)度的環(huán)保型自重/負(fù)載比的執(zhí)行器，安全的人與機(jī)交互系統(tǒng)，機(jī)器人與自然環(huán)境間交互機(jī)構(gòu)等。

4.2 工業(yè)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)

在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中實現(xiàn)安全的自主導(dǎo)航，對于復(fù)雜工作環(huán)境中移動機(jī)器人沒有固定導(dǎo)軌的情況下，需要工業(yè)機(jī)器人自主檢測周邊環(huán)境，自主避免障礙物，完成最優(yōu)路徑規(guī)劃。如裝配線上的搬運機(jī)器人、建筑裝備的工業(yè)機(jī)器人、高效運輸?shù)腁GV工業(yè)機(jī)器人等，需要深入研發(fā)技術(shù)攻關(guān)[10]。比較典型的應(yīng)用：無人駕駛汽車的自主導(dǎo)航，實現(xiàn)在有清晰照明和路標(biāo)的任何現(xiàn)代化城鎮(zhèn)道路上行駛，同時其安全性方面可以與有人駕駛車輛媲美[11]。

4.3 工業(yè)機(jī)器人多傳感器融合技術(shù)

未來的工業(yè)機(jī)器人將必須向智能化方向發(fā)展，這就需要提高工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的感知能力。通過感知機(jī)器人及周邊環(huán)境的信息，能夠快速檢測部件和產(chǎn)品組件的生產(chǎn)情況，并能通過非侵入式的生物傳感器來估測出操作工人的情緒和行為，來達(dá)到人機(jī)協(xié)同工作的目的，這些需要攻克高精度的非接觸覺、視覺等傳感器、生物傳感器和大數(shù)據(jù)信息處理方法，并能將多種傳感器集成化、智能化[12]。利用高精度傳感器構(gòu)建用于裝配和跟蹤進(jìn)度的物理模型，以減少生產(chǎn)過程中的不確定性。

對于工作流程復(fù)雜，工種較多的生產(chǎn)線需要的工業(yè)機(jī)器人具有一定的通用性，這就需要提高工業(yè)機(jī)器人的靈敏性和智能化程度，可在未知環(huán)境中工作，并且可與人協(xié)同工作，這就增加了工業(yè)機(jī)器人環(huán)境感知與自主導(dǎo)航的難度，如三維環(huán)境感知的自動化。

4.4 工業(yè)機(jī)器人的人機(jī)交互技術(shù)

在未來工業(yè)機(jī)器人的研究和開發(fā)中，新型人機(jī)協(xié)作越來越被重視。這就不得不研究完整的侵入式圖形環(huán)境、全息環(huán)境建模，三維虛擬現(xiàn)實設(shè)備，以及具有多種物理效應(yīng)（如力，溫度和振動）的人機(jī)交互設(shè)備。為了實現(xiàn)機(jī)器人與人以及機(jī)器人與環(huán)境之間協(xié)同工作，需要關(guān)鍵技術(shù)包括：機(jī)器人的內(nèi)在安全性、機(jī)器人與人、環(huán)境之間的絕對安全共存技術(shù)，目標(biāo)環(huán)境的自適應(yīng)技術(shù)，準(zhǔn)確選用執(zhí)行器來完成繁復(fù)的操作，人機(jī)高效協(xié)調(diào)問題，準(zhǔn)確掌握生產(chǎn)者需求并積極協(xié)助等技術(shù)。

在任務(wù)環(huán)境中，必須強(qiáng)調(diào)人機(jī)交互的安全性。按照需求設(shè)計的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)、相關(guān)產(chǎn)品和任務(wù)，必須確保人機(jī)交互的自然性，同時是安全的、高效益的。人機(jī)交互操作設(shè)計包括機(jī)器語言、語音、手勢和姿態(tài)、機(jī)器視覺、接觸覺和非觸覺技術(shù)等，這是機(jī)器人發(fā)展必然考慮的技術(shù)。目前工業(yè)機(jī)器人處于示教再現(xiàn)階段，這依賴于工人操作的熟悉程度，所以工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展必須容易示教，最好是“傻瓜式示教”。

4.5 工業(yè)機(jī)器人的高速實時開放式控制系統(tǒng)

在實時操作系統(tǒng)和高速總線的工業(yè)機(jī)器人開放式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過分散式控制方式，分布式軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計，達(dá)到機(jī)器人系統(tǒng)不同功能之間實時轉(zhuǎn)換，提高機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件體系的實時性。采用開放式軟硬件結(jié)構(gòu)，合理的模塊化設(shè)計，利用網(wǎng)絡(luò)通信功能，開發(fā)結(jié)構(gòu)開放、功能模塊化的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機(jī)器人使工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)與工廠自動化設(shè)備快速集成[13]。

5 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢

雖然工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成熟，但伴隨人類的需求增加和科技的進(jìn)步，人們對工業(yè)機(jī)器人的要求也會越來越高。預(yù)測未來工業(yè)機(jī)器人有如下特點:

（1）未來工業(yè)機(jī)器人除了使用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等信息反饋外，還要結(jié)合力或力矩、視覺以及非侵入式的生物傳感器等信息，使用多傳感器融合技術(shù)讓其在工況復(fù)雜的工業(yè)作業(yè)環(huán)境中得到更好的應(yīng)用。

（2）隨著人類需求的提高，需要增強(qiáng)工業(yè)機(jī)器人的通用性，開發(fā)出與人類雙臂類似的冗余自由度機(jī)器人，增強(qiáng)工業(yè)機(jī)器人的靈活性來完成一系列相似人的動作。

（3）隨著高性能、低成本總線技術(shù)的控制和驅(qū)動模式的提升，進(jìn)而提高控制系統(tǒng)的開放性和模塊化，形成一個統(tǒng)一的行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

（4）機(jī)器人和操作人員一起作業(yè)和多個機(jī)器人協(xié)調(diào)作業(yè)是我們面臨的一個問題，未來工業(yè)機(jī)器人在智能化和群體協(xié)調(diào)作業(yè)能力方面有待提高，以滿足生產(chǎn)線流水作業(yè)的需求。

（5）使用3D環(huán)境感知系統(tǒng)建立模擬仿真環(huán)境，研發(fā)工業(yè)機(jī)器人自動編程或離線編程技術(shù)，增強(qiáng)機(jī)器人與人之間的交互能力同時便于人類二次開發(fā)能力，達(dá)到機(jī)器人與人的更好融合或許是未來工業(yè)機(jī)器人的研究重點[14]。

6 結(jié)束語

我國正處于穩(wěn)健高速發(fā)展時期，國家注重發(fā)展高科技產(chǎn)業(yè)，加之勞動力的逐漸缺失，工業(yè)機(jī)器人正處于發(fā)展的良好時機(jī)。雖然中國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展還有很多不足，相信通過科研人員和相關(guān)企業(yè)的深入研究合作，能解決工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的一系列前沿核心技術(shù)，使我國工業(yè)機(jī)器人處于國際領(lǐng)先水平。