工業機器人關鍵技術綜述

余天榮

摘 要 工業機器人既是先進制造業的關鍵支撐裝備，大力發展機器人產業，對于打造中國制造新優勢，推動工業轉型升級，加快制造強國建設具有重要意義。文章概述工業機器人關鍵技術的發展現狀，核心內容，以及未來的發展趨勢。

關鍵詞 工業機器人;關鍵技術;現狀;趨勢

1工業機器人關鍵技術發展現狀

機器人關鍵技術主要指的是四大核心零部件的技術：減速器、電機、伺服、系統。機器人的基礎技術與智能制造其他領域的技術有著諸多共性，發展國產機器人的關鍵技術對推動工業轉型升級，解決勞工荒、人工成本快速上漲等現實問題有重要的意義。

目前我國機器人技術已經取得了一定的進步，但與工業發達國家相比，還存在較大差距。主要表現在：關鍵技術起步晚，基礎弱;核心零部件依賴進口;核心技術創新能力薄弱等。核心零部件長期依賴進口的局面短期內依然難以改變，導致國內企業生產成本壓力大，也限制了國內機器人技術的發展和成長[1]。

2工業機器人關鍵技術

2.1 本體設計關鍵技術

（1）傳動結構設計

擬定總體方案，確定機器人的結構形式，并據此進行初步的傳動結構設計，零件結構設計，三維建模。要求設計者對機器人常見的結構形式，常見的傳動原理和傳動結構，減速器的類型和特點非常的熟悉和了解，要有較強的結構設計能力和經驗。

（2）減速器選型

要對減速器的結構類型，性能參數的含義有深刻理解，會對減速器進行選型和計算校核。要會對減速器進行檢測、測試，檢測的內容主要包括噪音、抖動、輸出扭矩、扭轉剛度、背隙、重復定位精度和定位精度等。

減速器的振動會引起機器人末端的抖動，降低機器人的軌跡精度。減速器振動有多種原因，其中共振是共性的問題，機器人企業必須掌握抑制或者避免出現共振的方法。

（3）電機選型

必須要對電機的工作特性非常了解，并會對電機扭矩、功率、慣量進行計算和校核。

（4）仿真分析

進行靜力學和動力學的仿真分析，對電機、減速器的選型校核，對本體零部件進行強度、剛度校核，降低本體重量，提高機器人工作效率，降低成本。對三維模型進行模態分析，計算出固有頻率，有助于進行共振抑制。

（5）可靠性設計

結構設計采用最簡化設計原則;本體鑄鐵件采用綜合性能較好的球墨鑄鐵材料，鑄鋁件采用流動性好的鑄造材料，采用金屬模鑄造;裝配要有詳細的裝配工藝指導書，裝配過程中有部件和單軸的測試;裝配完后要有整機性能測試和耐久拷機測試;提高整機的防護等級設計，提高電柜的抗干擾能力，以適用不同工作環境的使用。

2.2 電機伺服關鍵技術

（1）電機

①輕量化

對機器人來說，電機的尺寸和重量非常敏感，通過高磁性材料優化、一體化優化設計、加工裝配工藝優化等技術的研究，提高伺服電機的效率，減小電機空間尺寸和降低電機重量，是機器人電機的關鍵技術之一。

②高速

在減速比不能較大調整的情況，電機的最高轉速則直接影響著機器人的末端速度和工作節拍;而且速比太低會影響電機的慣量匹配，因此提高電機的最高轉速也是機器人電機的關鍵技術之一。

③直驅、中空

隨著協作機器人的不斷成熟和推廣，機器人結構的輕量化、緊湊化要求提高，發展高力矩直接驅動電機、盤式中空電機等機器人專用電機也是未來的趨勢。

（2）伺服

①快速響應，精確定位

伺服的響應時間直接影響到機器人的快速起停效果，影響機器人的工作效率和節拍。

②無傳感器方式實現彈性碰撞

安全性是衡量機器人性能的一個重要指標。加入力或力矩傳感器會使結構更復雜，成本更高，基于編碼器、電機電流耦合關系的無傳感彈性碰撞技術，可以在不改變本體結構，不增加本體成本的條件下，在一定程度上提高機器人的安全性。

③驅動多合一、驅控一體

驅動多合一，多核CPU多軸驅控一體化集成技術，提高系統性能，降低驅動體積與成本。

④在線自適應抖振抑制

工業機器人懸臂結構極易在多軸聯動、重載及快速起停時引起抖動。機器人本體剛度要與電機伺服剛度參數相匹配，剛度過高，會造成振動，剛度過低會造成起停反應緩慢。機器人在不同的位置和姿態，以及在不同的工裝負載下剛度都不一樣，很難通過提前設置伺服剛度值能滿足所有工況的需求。在線自適應抖振抑制技術，提出免參數調試的智能控制策略，同時兼顧剛度匹配、抖振抑制的需求，可以抑制機器人末端抖動，提高末端定位精度。

2.3 控制關鍵技術

（1）運動解算及軌跡規劃

運動求解，最佳路徑規劃，提高機器人的運動精度和工作效率。

（2）動力學補償

一般工業機器人是一個串聯懸臂式結構，剛性弱，運動復雜，容易發生變形和抖動，是一個需要運動學和動力學相結合的課題。為了改善機器人的動態性能和提高運動精度，機器人控制系統必須建立動力學模型，進行動力學補償。補償的內容主要包括重力補償、慣量補償、摩擦補償、耦合補償等。

（3）標定補償

機器人機械本體由于加工誤差和裝配誤差的原因，難以避免會和理論數學模型存在偏差，會降低機器人TCP精度和軌跡精度，如在焊接和離線編程使用時會受到嚴重影響。通過檢測和算法標定補償機器人的模型參數，可以較好地解決此問題。

（4）工藝包完善

控制系統要與實際工程應用相結合，系統除不斷升級，功能更加強大外，還要根據行業應用的需求不斷開發和完善工藝包，有利于積累行業工藝經驗，對客戶來說使用更方便，操作更簡單，效率更高[2]。

3工業機器人技術未來的發展趨勢

3.1 人機協作

隨著機器人從與人保持距離作業向與人自然交互并協同作業方面發展。拖動示教、人工教學技術的成熟，使得編程更簡單易用，降低了對操作人員的專業要求，熟練技工的工藝經驗更容易傳遞。

3.2 自主化

目前機器人從預編程、示教再現控制、直接控制、遙操作等被操縱作業模式向自主學習、自主作業方向發展。智能化機器人可根據工況或環境需求，自動設定和優化軌跡路徑、自動避開奇異點、進行干涉與碰撞的預判并避障等。

3.3 智能化、信息化、網絡化

越來越多的3D視覺、力傳感器會使用到機器人上，機器人將會變得越來越智能化。隨著傳感與識別系統、人工智能等技術進步，機器人從被單向控制向自己存儲、自己應用數據方向發展，逐漸信息化。隨著多機器人協同、控制、通信等技術進步，機器人從獨立個體向相互聯網、協同合作方向發展。

參考文獻

[1] 徐方.工業機器人產業現狀與發展[J].機器人技術與應用，2007， 30（05）：2-4.

[2] 吳振彪.工業機器人[M].武漢：華中理工大學出版社，2006：200.