工業機器人技術的發展與應用分析

喬寧寧

（山西工程科技職業大學，山西 晉中 030619）

0 引言

在我國社會經濟水平以及科學技術水平不斷提高的背景下，越來越多的新興科學技術應用于社會生產生活中。工業機器人技術是我國當前著重發展的一種新型科技，其融合了多行業領域知識科技，具有多種優勢優點，將其充分應用于我國工業生產中，能夠發揮出其功能與價值，推動我國工業持續健康發展。因此，文章對工業機器人技術的發展與應用進行分析研究，有著重要的價值和現實的意義[1]。

1 工業機器人技術發展現狀

1.1 工業機器人技術早期發展現狀

通常情況下，工業機器人這一概念最早出現于上世紀30年代，在此概念出現后，工業機器人技術長期處于緩慢發展的狀態，至上世紀50年代，Unimation研制了一款名為Unimat的工業機器人，這也是世界上第一款數字化可編程工業機器人，該機器人選擇了液壓驅動，并以示教再現方式來生成程序，其具有比較高的定位精度，能夠大大提高工件搬運效率。如今，隨著全球科學技術的發展，提高了對工業機器人的需求量，當前工業機器人已經能夠通過機械臂對其運動路徑進行靈活調整，實現多種行動與操作，在此情況下，極大地拓展了工業機器人的應用范圍，如在金屬筑造、冶金、汽車制造等領域中得到廣泛應用，并取得了比較理想的應用效果[2-3]。

1.2 工業機器人技術國內發展現狀

早在上世紀70年代我國就加大了工業機器人研發力度，但是因為受經驗、資金、工藝技術以及人才等因素的限制，研發情況并未取得良好的效果，研發進度較為緩慢。80年代后，基于國家政策支持，大大的推動了工業機器人研究力度，諸如“863”、“九·五”等技術發展計劃均在一定程度上促進了我國工業機器人技術的研究發展，使工業機器人技術取得了比較明顯的技術突破。同時，我國工業機器人技術整體研究研發呈現出快速進步的態勢，就目前而言，我國現有的工業機器人產業鏈不斷完善，并逐漸在上海、沈陽、徐州、昆山等城市進行了工業機器人產業基地建設，其不僅可以實現對工業機器人的批量化生產，而且還可以進一步帶動我國工業機器人技術的發展與進步。根據統計數據得知，從2013年開始中國工業機器人市場進入快速發展階段，而在2017年、2018年增長率呈現下降趨勢，與2019年下半年實現增速由負轉正，但是全年出貨量同比下滑3.5%，預計2020年中國工業機器人出貨量將會創出新高，增速超過10%。

1.3 工業機器人技術未來發展趨勢

基于信息化時代背景下，推動了科學技術的發展，同時也提高了工業機器人的使用需求，并對工業機器人的性能與功能提出了更多要求。因此，我國相關企業開始加大對工業機器人技術的研發力度，以高精度化、高智能化作為工業機器人技術未來發展的目標與趨勢。高精度化要求的前提是需要保證工業機器人技術擁有較高的智能化、一體化程度，并隨著科學技術點發展在未來逐漸朝著柔性化、精密化等的方向發展，以此將更多的技術融合于工業機器人中，這樣既可以提高工業機器人的整體水平和性能，還可以降低工業機器人生產成本，進而有效推動該行業的發展。通常情況下，在工業機器人中融入多項技術可以提高其一體化水平，能夠幫助提高工業機器人操作活動的精度。智能化趨勢是工業機器人技術在未來發展中最為核心的重要的一個發展方向，充分借助人工智能技術來有效構建專家知識庫，并在工業機器人運行程序中植入專家知識庫，以確保工業機器人能夠直觀、形象地模擬人類思維方式，由此來開展相關操作，進而使工業生產中所遇到的問題得到有效解決。

2 工業機器人關鍵零部件分析

2.1 機器人本體

工業機器人本體結構主要是由機械傳動系統和機體結構兩部分組成，其屬于機器人的執行機構和支承基礎。其中，國產品牌機器人價值量占比低于銷量占比，主要由于現階段國內企業仍然以主打性價比的中低端市場為主。

2.2 減速器

在工業機器人中，減速器是比較重要的中間裝置，其負責連接動力源和執行機構，并通過輸入軸上的小齒輪嚙合將高速運轉的動力（內燃機、電動機）傳輸至軸上的大齒輪，進而實現減速的效果，同時還能夠傳遞更大的轉矩。因為減速機是純精密機械部件，因此除了回轉精度要求特別高外，還需要剛度和疲勞強度高，對材料和工藝水平要求高。在工業機器人中，減速器是技術壁壘最高的關鍵部件，根據結構差異可以分為諧波齒輪減速器、精密行星減速器、RV減速器、擺線針輪行星減速器以及濾波齒輪減速器。

2.3 伺服系統

通常情況下，機器人的關節驅動需要依賴于伺服系統，而且機器人的關節越多，則對其精準度和柔性提出了越高的要求，進而增加了伺服電機的數量。工業機器人對伺服系統提出了比較高的要求，如快速響應、調速范圍寬、動轉矩慣量比大以及高起動轉矩，同時要盡可能確保工業機器人重量輕、體積小，而且要求加減速運行穩定、可靠。伺服電機一般涵蓋了交流伺服系統和直流伺服，其中前者由于具有轉矩轉動慣量比高、換向火花及無電刷等優點，因此被廣泛應用于工業機器人中。

2.4 控制器

在工業機器人中，控制器屬于核心大腦，其將會對機器人功能和性能產生決定性的影響，主要任務是對工業機器人的運動位置、軌跡、姿態以及動作時間、操作順序等進行有效控制。隨著國產機器人的快速發展，未來幾年機器人控制器將迎來良好的發展契機。當前每臺工業機器人20萬元，按照控制器成本占比約15%，可測算出每臺工業機器人對應的控制器市場需求。

3 工業機器人技術分析

3.1 工業機器人機械結構

對工業機器人而言，以機械結構為主要標準劃分為串聯和并聯機器人，前者采用了串聯機械機構，主要是通過減速器和電機來為其提供驅動，并選擇旋轉關節為該過程中的作用點，這樣一來在單一軸運行運轉階段不會對其他軸坐標原點產生任何影響。而并聯機器人機械結構涉及兩個及以上獨立運動鏈，且擁有大于兩個的自由度，通過并聯方式來實現驅動的效果。將兩種工業機器人類型進行對比得知，雖然串聯工業機器人操作起來相對比較簡單，然而其位置反解操作具有比較大的難度，而并聯工業機器人位置反解較為簡單，但是位置正解較為困難，具有微動精度較高、剛度大一級運動負荷小等優勢。在實際的應用過程中，需要根據不同工業生產的需求選擇不同類型工業機器人。

3.2 工業機器人驅動系統

當前工業機器人的驅動系統主要有三種類型，分別為液壓驅動、電機驅動以及氣壓驅動，其中液壓驅動方式多出現在早期工業機器人中，在實際應用階段存在低速穩定性差、運行噪聲大及泄壓明顯等相關問題，同時功率單位換算具有相對比較復雜的流程。如今，隨著工業機器人技術的發展，極大地推動了液壓驅動類型機器人發展，且不斷有相關研究企業取得了良好的研究進展，逐步克服液壓驅動中沖擊荷載大、機械部位形變對機器人影響大等問題與不足。電機驅動是液壓驅動之后出現的一種機器人驅動方式，并且不同電機種類所具有的應用范圍不同。例如，直流伺服電機采用了閉環控制方式，并且被廣泛應用在高精度工業機器人中，而直流電機則主要被用于超高速或超低速工業機器人中，具有結構簡單、磨損小、高加速度等優勢。

3.3 工業機器人感知系統

在工業機器人中，感知系統發揮著不可替代的作用，其一般是對工業機器人所處環境和內部運行狀態給予更加真實的感知，并將收集的信號按照一定的方式轉化為數字信號，以確保機器人程序可以識別，隨后生成相對應的參數信息。當前工業機器人技術大部分采用視覺伺服技術，其一般是將視覺信號作為反饋信號，以實現對機器人運行環境和運行狀態的全面感知，并結合感知情況來對其姿態、位置等進行實時調整[4]。

3.4 工業機器人運動規劃

工業機器人運動規劃系統的主要功能與作用是根據工業機器人感知系統所獲得的現場信息來對機器人運動路徑給予科學、合理的規劃，以此來確保機器人運動路徑與障礙物之間能夠保持安全距離，并提高工業機器人操作行動的高精度性，保障工業機器人能夠在工業生產中充分發揮其功能與作用。

4 工業機器人技術具體應用

當前我國工業機器人技術具體應用主要有搬運機器人、縫紉機器人、打磨拋光機器人等。其中，搬運機器人可以取代人工來實現對工業生產原材料及產品的及時、高效搬運。在生產線中，通過搬運機器人的工作適應性強、搬運精度高、搬運速度快等優勢來構建高效的物流線，搬運機器人能夠在狹窄空間對大質量產品進行搬運，不僅能夠提高搬運效率，也能夠提高搬運的安全性。打磨拋光機器人主要作用是代替人工進行工件打磨拋光與精密加工，這樣不僅可以降低人為因素對工件加工質量和精度產生的影響，而且還能夠使打磨拋光整體水平得到提升，進而使其符合不同形狀機械零件質量標準。縫紉機器人是一種新型的工業機器人，在傳統縫紉生產過程中，縫紉過程相對比較復雜，而且涉及的內容比較多，這樣就對縫紉工作人員的專業知識和技能提出了較高要求，傳統工業機器人難以滿足縫紉工作需求。而新型縫紉機器人則針對縫紉工作進行了優化，其具有高精度定位、高水平、環境感知等功能，能夠在短時間內對縫紉位置進行準確識別和定位，進而有效提高其生產水平。

5 結語

綜上所述，在我國成為全球最大工業機器人市場，工業生產對工業機器人需求不斷增加的背景下，對工業機器人技術進行分析研究，十分關鍵且重要。文章對工業機器人技術的發展與應用進行多方面分析研究，對工業機器人技術發展歷程、技術內容、機器人結構及應用形式等給予歸納和總結，以期更好地推動我國工業機器人技術進步，提高工業機器人技術在工業生產中的應用水平，推動工業良好發展。