工業機器人技術及其典型應用分析

潘哲

摘 要：隨著我國工業門類的日益完善及自動化技術不斷進步，機器人作為一種新興事物逐漸從實驗室中走出來，慢慢應用到各類危險、繁重、環境惡劣的工作中，通過發展機器人工智能替代人力勞動已經成為一種趨勢。長期看來，機器人產業的發展將會為社會創造了大量剩余價值，因此有必要具體探討工業機器人技術和相關應用分析。

關鍵詞：人工智能;工業機器人產業;應用分析

一、國內外工業機器人的發展歷程

（一）國外工業級機器人的發展歷程

自從二十世紀六十年代馮諾依曼體系下的計算機問世以來，人類的工業進程向著自動化、智能化大步前進。在美國、聯邦德國（今日德國）、日本等西方國家近幾十年來的不斷探索和改進，代表了人類在機器人領域的技術最高水平，其中德國西門子公司、美國通用電氣、日本精工愛普生株式會社等公司研制的工業級機器人已經可以完成包括精密儀器生產加工、復雜地表環境下的勘探及運輸、深海等高壓強環境下回收飛機沉船殘骸等在內人類無法完成的工作。

（二）國內工業級機器人的發展歷程

我國的工業級機器人產業，相對西方國家而言起步較晚，且技術積累比較薄弱。在二十世紀八十年代改革開放以后，通過引進西方發達國家的企業生產線的方式，間接促進了我國機器人產業的進步，經過前后兩代人的努力奮斗，我國的機器人產業飛速發展。不但功能齊全，種類繁多，價格也更加親民。如今，除了工業級機器人已經在各種生產線、潛艇、航天飛機等特種環境下替代人工作業，各類家庭機器人已經走進千家萬戶，成為人們日常生活的好伴侶。盡管如此，也不得不承認，我國機器人產業，特別是工業級機器人的相關技術想要達到世界領先水平，尚需時日。

二、工業機器人的組成和相關技術

（一）機械驅動相關技術

對于工業級機器人而言，機械部分及其驅動系統構成了它的骨骼和心臟。作為向機器人提供動力的機械裝置，根據采用的原理不同，主要分為氣壓傳動式、液壓傳動式、機械傳動式、電氣傳動式四大類別。其中氣壓傳動、液壓傳動、電氣傳動是工業級機器人最常見的三種應用技術。

采用液壓傳動技術的機器人具有載重能力強的特點，但是由于其結構的特殊性，也具有結構笨重，容易出現漏液、漏壓等故障，且液壓部件價格普遍較高，更換部件需要先卸壓，放油才能繼續。由于液壓傳動技術存在以上缺點，所以較少被采用，一般僅在有載重需求等特殊場合應用。

相對于笨重的液壓傳動技術，氣壓傳動技術則更加輕便，靈活，且維修簡單，價格便宜。但由于氣壓部件結構強度不高，因此其作業精度誤差較大。一般應用于吸盤、氣旋抓手等低負荷的末端驅動。

電力-電氣驅動技術是當今工業級機器人驅動技術的主流。其通過高低電平信號的識別，完成機械的驅動，相較于氣壓、液壓等物理反饋驅動技術，電信號傳輸的驅動技術具有更加靈活多變的操作，不僅反應速度更加靈敏，其可傳遞的信息也更豐富。通過進步電機、星型變速箱與電信號驅動模式相配套，機器人可以用更小的體積和重量，實現與傳統驅動相同的功能。

（二）環境感知相關技術

機器人對外界環境的感知，離不開各類傳感器。如同人類的皮膚、眼睛、耳朵等器官。比如通過攝像頭來識別圖像信息，通過溫度傳感器識別環境溫度，通過紅外傳感器識別障礙物速度、體積、距離等。所以，很大程度上，機器人的環境感知技術，取決于傳感器的靈敏度和其中央處理器的處理速度。當今技術條件下，傳感器的工作原理依然基于溫度、紅外等敏感材料將其采集到的物理量通過量化變為電信號發送給中央處理器。隨著電子信息技術水平的不斷提高，傳感器和中央處理器的技術也將逐步實現智能化、通用化。

（三）人機交互相關技術

人機交互主要是為了向機器人傳達指令、收集機器人所攜帶各類傳感系統采集到的信息、并監控機器人各個部件和系統的運行狀態等。一般情況下通過給中央處理器集成一個RJ45接口或者串口等通用接口的有線通信單元來實現，特殊情況下，還需要集成無線通信單元來完成人機交互功能。隨著物聯網時代的來臨，機器與機器之間通信需求也越來越多，因此人-機、機-機交流導致需求的帶寬也更大，傳統IPv4的劃分地址的方式也無法滿足更多的通信單元。傳統的通信模式將成為物聯網蜂群交互的瓶頸。從需求的角度來講，人機交互技術正處在技術性革命的前夜。

三、工業級機器人在生產方面的典型應用

（一）機械臂

機械臂是工業級機器人最常見的一種，它具有動作敏捷，精度高，結構強度高，編程靈活等特點被廣泛應用與汽車生產線、海底工程建設、各類臨床手術等情況。本質上說，機械臂實際上是一種被強化了手臂，弱化了其他器官的機器人，其手臂的關節甚至達到數百個之多。每個關節通過液壓傳動和電傳動互相配合，通過將每個動作分解量化為各個關節的軸承轉動角度以及傳動裝置的矢量力，并將其按照間隔時間完成編組，以完成目標動作。

（二）精密加工機器人

從事精密加工的機器人包括各類電路板的刻畫、大型金屬部件的鍛造、各部件組合拼裝等工作。相對于機械臂的“四肢發達，頭腦簡單”，從事精密加工機器人則在機械臂的基礎上，多了一雙“眼睛”多了一根“腦筋”來觀察和思考如何完成指定動作。部件設計人員將設計好的文件輸入給機器人，機器人則需要眼睛來觀察部件三維尺寸，自行編程完成部件的加工工作。

（三）特殊環境下運輸機器人

機器人的另一個典型應用就是在一些特殊環境代替人類作一些相對簡單的工作，主要包括強輻射、有毒有害、真空缺氧、極端天氣、高溫高壓等環境下的搬運工作。例如海底光纜敷設和熔接、沉船打撈，國際空間站的設備維修、地下礦物的開采和鉆探等工作，都有運輸機器人的身影。相對于機械臂的而言，運輸機器人的手臂關節只有5-10個左右，因此它可以完成的動作比機械臂少很多，但是由于運輸機器人的工作環境比較特殊，憑借著一身“金鐘罩”“鐵布衫”的外家功夫，在運行狀態可靠性方面，有著過人之處。比如說從事水下作業的機器人外殼耐壓可達10MPa、從事極地科考的機器人在零下70攝氏度的低溫下仍然可以正常運行。

四、結束語

通過簡要分析了工業機器人所應用到的一些技術，分析了工業機器人產業方面的典型應用以及未來機器人產業的發展方向。希望可以為我國創建自主機器人知識產權和打破外國壟斷提供競爭機會的方面有所裨益。

參考文獻

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