机器人技术应用的发展

机器人技术应用的发展（通用8篇）

机器人技术应用的发展 篇1

机器人技术的发展与前景

09机电（1）0945523111龚蒙蒙

【摘要】随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化，工业机器人已成为一种高新技术产业，为工业自动化水平发挥了巨大作用，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。本文介绍了工业机器人的国内国外的发展状况和应用趋势，以及带来的经济效益。

【关键词】工业机器人；由来；效益；发展；应用 ；前景

1.机器人的由来

机器人一词最早来自1920年捷克作家卡雷尔·查培克《罗萨姆的万能机器人》一书中，书中机器人“Robot”这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表，特征和功能的机器，是一种人造的劳力。由于原子能的开发和利用，某些操作机械代替人处理放射性物质显得极为迫切，在这一需求背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。1959年美国人英格伯格和德沃尔制造出来世界上第一台工业机器人，机器人的历史才真正开始。

2.工业机器人带来的效益

广泛的应用工业机器人，可以逐步改善劳动条件，更强与可控的生产能力,加快产品更新换代, 提高生产效率和保证产品质量,消除枯燥无味的工作，节约劳动力,提供更安全的工作环境，降低工人的劳动强度，减少劳动风险，提高机床，减少工艺过程中的工作量及降低停产时间和库存，提高企业竞争力

3.工业机器人的发展

3.1国外工业机器人的发展

美国是机器人的诞生地,早在1961年，美国的Consolidated Control Corp 和AMF公司联合研制了第一台实用的示教再现机器人。经过40多年的发展，美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很

强。

日本在1967年从美国引进第一台机器人,1976年以后，随着微电子的快速发展和市场需求急剧增加，日本当时劳动力显著不足，工业机器人在企业里受到了“救世主”般的欢迎，使其日本工业机器人得到快速发展,现在无论机器人的数量还是机器人的密度都位居世界第一，素有“机器人王国”之称。

德国引进机器人的时间比英国和瑞典大约晚了五六年,但战争所导致的劳动力短缺,国民的技术水平较高等社会环境,却为工业机器人的发展、应用提供了有利条件。此外，在德国规定,对于一些危险、有毒、有害的工作岗位,必须以机器人来代替普通人的劳动。这为机器人的应用开拓了广泛的市场,并推动了工业机器人技术的发展。目前,德国工业机器人的总数占世界第二位,仅次于日本。

法国政府一直比较重视机器人技术,通过大力支持一系列研究计划,建立了一个完整的科学技术体系,使法国机器人的发展比较顺利。在政府组织的项目中,特别注重机器人基础技术方面的研究,把重点放在开展机器人的应用研究上。而由工业界支持开展应用和开发方面的工作,两者相辅相成,使机器人在法国企业界得以迅速发展和普及,从而使法国在国际工业机器人界拥有不可或缺的一席之地。

英国纪70年代末开始,推行并实施了一系列措施支持机器人发展的政策,使英国工业机器人起步比当今的机器人大国日本还要早,并曾经取得了早期的辉煌。然而，这时候政府对工业机器人实行了限制发展的错误。这个错误导致英国的机器人工业一蹶不振,在西欧几乎处于末位。

近些年，意大利、瑞典、西班牙、芬兰、丹麦等国家由于自身国内机器人市场的大量需求，发展速度非常迅速。

目前，国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、OTC、松下、FANLUC、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB及奥地利的工GM公司。

3.2国内工业机器人的发展

我国工业机器人起步于20世纪70年代初期,经过30多年发展,大致经历了3个阶段:70年代萌芽期,80年代的开发期和90年代的应用化期。随着20世纪70年代世界科技快速发展，工业机器人的应用在世界掀起了一个高潮,在这种背

景下,我国于1972年开始研制自己的工业机器人。

进入20世纪80年代后,随着改革开放的不断深入,在高技术浪潮的冲击下,我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持,“七五”期间,国家投入资金,对工业机器人及零部件进行攻关,完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发,研制出了喷漆,点焊,弧焊和搬运机器人。1986年,国家高技术研究发展计划开始实施，经过几年研究,取得了一大批科研成果,成功地研制出了一批特种机器人。

从20世纪90年代初期起,我国的国民经济进入实现两个根本转变期,掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮,我国的工业机器人又在实践中迈进了一大步,先后研制了点焊, 弧焊,装配,喷漆,切割,搬运,码垛等各种用途的工业机器人,并实施了一批机器人应用工程,形成了一批工业机器人产业化基地,为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。但是与发达国家相比，我国工业机器人还有很大差距。

4.工业机器人的应用

随着工业机器人发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，工业机器人已在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统用于维护维修的机器人等。在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务等领域工业机器人的应用也越来越多。

汽车制造是一个技术和资金高度密集的产业，也是工业机器人应用最广泛的行业，几乎占到整个工业机器人的一半以上。在我国，工业机器人最初也是应用于汽车和工程机械行业中。在汽车生产中工业机器人是一种主要的制动化设备，在整车及零部件生产的弧焊、点焊、喷涂、搬运、涂胶、冲压等工艺中大量使用。据预测我国正在进入汽车拥有率上升时期，在未来几年里，汽车仍将每年15%左右的速度增长。所以未来几年工业机器人的需求将会呈现出高速增长趋势，年增幅达到50%左右，工业机器人在我国汽车行业的应用将得到快速发展。

工业机器人除了在汽车行业的广泛应用，在电子，食品加工，非金属加工，日用消费品和木材家具加工等行业对工业机器人的需求也快速增长。

5.机器人的前景

从近几年世界机器人推出的产品来看，工业机器人技术正在向智能化、模块

化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。

机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表，是人造机器的“终极”形式。它涉及到机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成，因此它的发展与众多学科发展密切相关。当今工业机器人的发展趋势主要有：

1工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。

2机械结构向模块化可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；有关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人。

3工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化，网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，采用模块化结构，大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

4机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，视觉、力觉、声觉、触觉等多传感器的融合技术在产品化系统中已有成熟应用。

5机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。

总体趋势是，从狭义的机器人概念向广义的机器人技术概念转移，从工业机器人产业向解决方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术的内涵已变为灵活应用机器人技术的、具有实际动作功能的智能化系统。机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来愈小，其智能也越来越高，并正朝着一体化方向发展。

6.结束语

随着我国经济的快速发展，我国工业机器人的市场将不断扩大，这一点无容置疑。这也从另一个侧面说面了为什么世界各大机器人公司纷纷登陆中国市场。

市场有了，但拥有了自主知识产权的机器人还很少，这一点要引起我们的高度重视。一方面国家要对国产工业机器人给予更多的扶持；另一方面也望企业使

用国产机器人给国产工业机器人行业一个机会。

由于国产工业机器人的功能已经与国外相当，只要有批量，一定能够造就一个或几个中国品牌的工业机器人。

在我国，工业机器人市场份额大部分被国外工业机器人企业占据着。在国际强手面前，国内的工业机器人企业面临着相当大的竞争压力。如今我国正从一个“制造大国”向“制造强国”迈进，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，对我国工业自动化的提高迫在眉睫，政府务必定会加大对机器人的资金投入和政策支持，将会给工业机器人产业发展注入新的动力。

参考文献

[1]吴振彪，王家正主编，《工业机器人》华中科技大学

[2]孙学俭,于国辉,周文乔,徐光霁.对世界工业机器人发展特点的分析[J].机器人技术用,2002

[3]张杨林.国内工业机器人市场及发展趋势[J].大众科技,2006

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[5]杜志俊.工业机器人的应用及发展趋势[J].机械工程师,2002

[6]顾震宇.全球工业机器人产业现状与趋势[J].机电一体化

机器人技术应用的发展 篇2

关键词：机器换人,机器人操作系统,手把手示教,双臂机器人,装配/拆卸双功能机器人

0引言

得益于政府政策支持、廉价劳动力、稳定的汇率和发达国家的生产过程外包,在过去的十余年里中国的制造业得到了快速发展。但是,今天的全球化经济模式已明显改变了制造业的整体格局。随着劳动力成本的提高,我国大量劳动密集型产业面临转型升级和区域性转移的挑战。

美国及一些发达国家的传统制造业外移已经导致了这些国家经济的空心化,也促使这些国家进行了深刻反思。通过工业机器人的推广应用,已然成为这些曾经的发达国家再工业化的重要砝码。谷歌公司一举收购8家机器人公司并将进军物流/仓储机器人的动向,已引起工业界的广泛关注[1]。

我国目前的情况与发达国家几十年前类似,如果不能解决劳动密集型产业机器换人问题,则必然导致整个产业的外移,直接影响国家经济的发展。为避免重蹈发达国家传统制造业没落的覆辙,必须重视以机器人革命为切入点的“第三次工业革命”。

工业机器人具有工作效率高、稳定可靠、重复精度好、能在高危环境下作业等优势,在传统制造业,特别是劳动密集型产业的转型升级中可发挥重要作用。基于上述背景,本研究对面向制造业的工业机器人进行调研,介绍工业机器人的起源、关键技术以及最新的应用进展等,以期为工业机器人研究提供有借鉴价值的参考。

1工业机器人概述

“工业机器人”一词由《美国金属市场报》于1960年提出,经美国机器人协会定义为: “用来进行搬运机械部件或工件的、可编程序的多功能操作器,或通过改变程序可以完成各种工作的特殊机械装置[2]。”这一定义现已被国际标准化组织所采纳[3]。

1. 1 早期的工业机器人

1938年3月,The Meccano Magazine报道了一款搬运机器人模型,这是最早的关于以工业应用为目标的机器人模型的报道。Meccano的工业机器人模型如图1所示[4]。它由Griffith P. Taylor于1935年设计,可以通过一个电动机实现5个轴的运动[5]。

随后,一件标题为“Pollard's Positional spray painting robot”的专利被授权,这是一款真正符合当前意义上的工业机器人,该专利如图2所示[6]。

1. 2 第一台数字化可编程的工业机器人

George Charles Devol于1954年申请了一款机器人专利,Joseph F. Engelberger基于该专利于1956年创立了世界上首个机器人制造公司Unimation,并制造出称为“Unimate”的机器人。这是全球第一台数字化可编程的现代工业机器人,它使用液压驱动,采用示教再现形式生成程序,程序可记忆和重复,定位精度达到万分之一英寸,并首先被应用于GM公司的装配线,完成工件的搬运工作[7]。Unimation的工业机器人后来被允许由川崎重工和GKN分别在日本和英国生产。

1. 3 工业机器人的应用

Victor Scheinman于1969年发明了“斯坦福机械臂”。这是一款全电动6轴铰接式机器人,在可达空间内可以设计机械臂的任意运动路径。随后,Victor Scheinman在MIT AI Lab. 设计了被称为“MIT arm. ”的第二款机械臂,并在Unimation和GM公司支持下开发了人们熟知的PUMA机器人[8]。

1973年,ABB和KUKA将工业机器人推向市场。ABB的IRB 6是世界上第一款微处理器控制全电动的商业化工业机器人。最初的两台IRB 6在瑞典Magnusson公司被用于衬管弯头的磨抛加工。KUKA的第一代机器人称为FAMULUS,具有6个驱动轴[9]。在1970s后期,许多美国公司进入了工业机器人制造领域,例如GE和GM,GM与FANUC公司合资成立了FANUC Robotics公司。

目前,国际工业机器人领域四大标杆企业分别是瑞典ABB、德国KUKA、日本FANUC和日本安川电机,它们的工业机器人本体销量占据了全球市场的半壁江山。另外,美国Adept Technology、瑞士Staubli、意大利Comau、日本的川崎、爱普生、那智不二越和中国新松机器人自动化股份有限公司也是国际工业机器人的重要供应商。

据国际机器人联合会统计,2013年全球工业机器人的销量达到了16. 8万台[10]。目前,全球工业机器人的保有量已经超过150万台[11]。

工业机器人的应用领域不断得到拓展,所能够完成的工作日趋复杂。其主要应用行业是汽车和摩托车制造、金属冷加工、金属铸造与锻造、冶金、石化、塑料制品等。工业机器人已经可替代人工完成装配、焊接、浇铸、喷涂、打磨、抛光等复杂工作。

2工业机器人的技术进展

一般来说,工业机器人由3大部分6个子系统组成。3大部分是机械部分、传感部分和控制部分。6个子系统可分为机械结构系统、驱动系统、感知系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统和控制系统。

工业机器人的结构框图如图3所示[12]。

2. 1 机器人的机械结构

从机械结构来看,工业机器人总体上分为串联机器人和并联机器人。串联机器人的特点是一个轴的运动会改变另一个轴的坐标原点,而并联机器人所采用的并联机构,其一个轴运动则不会改变另一个轴的坐标原点。早期的工业机器人都是采用串联机构。并联机构定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接,机构具有两个或两个以上自由度,且以并联方式驱动的一种闭环机构。1978年,Hunt首次提出把六自由度并联机构作为机器人操作器,由此拉开了并联机器人研究的序幕[13]。与串联机器人相比较,并联机器人具有刚度大、结构稳定、承载能力大、微动精度高、运动负荷小的优点。在位置求解上,串联机器人的正解容易,但反解十分困难; 而并联机器人则相反,其正解困难反解却非常容易。

串联机器人和并联机器人如图4所示[14]。

工业机器人的机械结构可以具有冗余自由度,冗余度机器人是指关节自由度大于操作自由度的机器人。对某一特定运动而言,一个机器人是非冗余度机器人,而对于另一运动而言则有可能是冗余度机器人。六自由度机器人已具有完整空间定位能力,因此自由度多于6的机器人一定是冗余度机器人。多余的自由度可用来改善机器人的灵活性、运动学和动力学性能,提高避障能力。

串联机器人的旋转关节是机器人运动的驱动力作用点,一般由电机通过减速器驱动。减速器是机器人的关键部件,其成本约占机器人本体成本的1 /3,目前主要使用两种类型的减速器: 谐波齿轮减速器和RV减速器。

谐波传动方法由美国发明家C. Walt Musser于20世纪50年代中期发明[15]。谐波齿轮减速器主要由波发生器、柔性齿轮和刚性齿轮3个基本构件组成,依靠波发生器使柔性齿轮产生可控弹性变形,并与刚性齿轮相啮合来传递运动和动力,单级传动速比可达70 ~1 000,借助柔轮变形可做到反转无侧隙啮合。与一般减速机比较,输出力矩相同时,谐波齿轮减速机的体积可减小2 /3,重量可减轻1 /2。柔轮承受较大的交变载荷,因而其材料的抗疲劳强度、加工和热处理要求较高,制造工艺复杂,柔轮性能是高品质谐波齿轮减速机的关键。

德国人Lorenz Baraen于1926年提出摆线针轮行星齿轮传动原理[16],日本帝人株式会社( TEIJIN SEIKICo. ,Ltd) 于20世纪80年代率先开发了RV减速器。RV减速器由一个行星齿轮减速机的前级和一个摆线针轮减速机的后级组成。相比于谐波齿轮减速器,RV减速机具有更好的回转精度和精度保持性。

陈仕贤发明了活齿传动技术。第四代活齿传动全滚动活齿传动( oscillatory roller transmission,ORT)已成功地应用到多种工业产品中。在ORT基础上提出的复式滚动活齿传动 ( compound oscillatory roller transmission,CORT) 不但具有RV传动类似的优点,而且克服了RV传动曲轴轴承受力大、寿命低的缺点,进一步提高了使用寿命和承载能力; CORT的结构使其在同样的精度指标下回差更小,运动精度和刚度更高,缓解了RV传动要求制造精度高的缺陷,可相对降低加工要求,减少制造成本。CORT是我国自主开发的,拥有自主知识产权[17]。鞍山耐磨合金研究所和浙江恒丰泰减速机制造有限公司均开发成功了机器人用CORT减速器。

目前,国际机器人减速器的主要制造厂商是Harmonic Drive和Nabtesco( 原日本帝人株式会社) ,前者主要生产谐波齿轮减速器,后者主要提供RV减速机。国内机器人减速器生产企业,主要有苏州绿的谐波传动科技有限公司、山东帅克机械制造股份有限公司、浙江恒丰泰减速机制造有限公司和陕西秦川机械发展股份有限公司等。

2. 2 机器人的驱动系统

工业机器人的驱动方式主要包括液压驱动、气压驱动和电机驱动。

早期的工业机器人,例如Unimate,采用了液压驱动。由于液压系统存在泄露、噪声和低速不稳定等问题,并且功率单元笨重和昂贵,目前只有大型重载机器人、并联加工机器人和一些特殊应用场合使用液压驱动的工业机器人。

青岛华东工程机械有限公司研制的全液压重载机器人如图5所示[18]。其大跨 度的承载 可达到2 000 kg,机器人的活动半径可达到近6 m,应用在铸锻行业。

美国波士顿动力公司开发的Big Dog四足机器人令人叹为观止的卓越运动性能使得液压驱动技术在工业机器人中的应用有了新的畅想。Bigdog的髋部和腿部是实现四足机器人运动的基本单元体,每个单元体主要包括: 髋部、大腿、小腿、踝肢体、足及4个液压执行器。

Big Dog四足机器人如图6所示[19]。基于Big Dog自身结构特征考虑,研究人员放弃使用电机驱动( 电机驱动的不利因素有: 电机的功率相对不足、工作状态不理想、附带装置太多、需要背负电池,不利于野外环境的自由行走) 。

Big Dog的液压驱动系统由一个变量活塞泵在汽油发动机的驱动下同时对16个液压执行器实施油压的输出,液压系统最大油压输出可达20. 68 MPa。主液压系统油路下接并联的16个子液压执行器每个执行器的响应频率达到500 Hz,满足各关节快速定位的要求。Big Dog采用了高功率密度的驱动装置,小巧精致,利用高性能伺服装置实现了力和扭矩平稳快速输出。Big Dog较好地克服了液压系统常见的密封漏油、冲击载荷导致的漏油、机械部分的形变影响活塞杆直线往复运动精度等技术难题[20]。

气压驱动具有速度快、系统结构简单、维修方便、价格低等优点。但是由于气压装置的工作压强低,不易精确定位,一般仅用于工业机器人末端执行器的驱动。气动手抓、旋转气缸和气动吸盘作为末端执行器可用于中、小负荷的工件抓取和装配。

气动吸盘和气动机器人手爪如图7所示[21,22]。

电机驱动是现代工业机器人的一种主流驱动方式,分为4大类电机: 直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机和直线电机。直流伺服电机和交流伺服电机采用闭环控制,一般用于高精度、高速度的机器人驱动;步进电机用于精度和速度要求不高的场合,采用开环控制; 直线电机及其驱动控制系统在技术上已日趋成熟,已具有传统传动装置无法比拟的优越性能,例如适应非常高速和非常低速应用、高加速度,高精度,无空回、磨损小、结构简单、无需减速器和齿轮丝杠联轴器等。鉴于并联机器人中有大量的直线驱动需求,因此直线电机在并联机器人领域已经得到了广泛应用。文献[23]综述了工业机器人常用驱动电机的性能特点及其应用范围。

2. 3 机器人的感知系统

机器人感知系统把机器人各种内部状态信息和环境信息从信号转变为机器人自身或者机器人之间能够理解和应用的数据、信息,除了需要感知与自身工作状态相关的机械量,如位移、速度、加速度、力和力矩外,视觉感知技术是工业机器人感知的一个重要方面。

视觉伺服系统将视觉信息作为反馈信号,用于控制调整机器人的位置和姿态。这方面的应用主要体现在半导体和电子行业[24]。机器视觉系统还在质量检测、识别工件、食品分拣、包装的各个方面得到了广泛应用。

通常,机器人视觉伺服控制是基于位置的视觉伺服或者基于图像的视觉伺服,它们分别又称为三维视觉伺服和二维视觉伺服[25],这两种方法各有其优点和适用性,同时也存在一些缺陷,于是有人提出了2. 5维视觉伺服方法。

基于位置的视觉伺服系统,利用摄像机的参数来建立图像信息与机器人末端执行器的位置 /姿态信息之间的映射关系,实现机器人末端执行器位置的闭环控制。末端执行器位置与姿态误差由实时拍摄图像中提取的末端执行器位置信息与定位目标的几何模型来估算,然后基于位置与姿态误差,得到各关节的新位姿参数。基于位置的视觉伺服要求末端执行器应始终可以在视觉场景中被观测到,并计算出其三维位置姿态信息。消除图像中的干扰和噪声是保证位置与姿态误差计算准确的关键。

二维视觉伺服通过摄像机拍摄的图像与给定的图像( 不是三维几何信息) 进行特征比较,得出误差信号。然后,通过关节控制器和视觉控制器和机器人当前的作业状态进行修正,使机器人完成伺服控制。相比三维视觉伺服,二维视觉伺服对摄像机及机器人的标定误差具有较强的鲁棒性,但是在视觉伺服控制器的设计时,不可避免地会遇到图像雅克比矩阵的奇异性以及局部极小等问题[26]。

针对三维和二 维视觉伺 服方法的 局限性,F.Chaumette等人提出了2. 5维视觉伺服方法。它将摄像机平动位移与旋转的闭环控制解耦,基于图像特征点,重构物体三维空间中的方位及成像深度比率,平动部分用图像平面上的特征点坐标表示。这种方法能成功地把图像信号和基于图像提取的位姿信号进行有机结合,并综合他们产生的误差信号进行反馈,很大程度上解决了鲁棒性、奇异性、局部极小等问题。但是,这种方法仍存在一些问题需要解决,如怎样确保伺服过程中参考物体始终位于摄像机视野之内,以及分解单应性矩阵时存在解不唯一等问题[27]。

在建立视觉控制器模型时,需要找到一种合适的模型来描述机器人的末端执行器和摄像机的映射关系。图像雅克比矩阵的方法是机器人视觉伺服研究领域中广泛使用的一类方法[28]。图像的雅克比矩阵是时变的,所以,需要在线计算或估计[29]。

2. 4 机器人操作系统

通用的机器人操作系统( robot operating system,ROS) 是为机器人而设计的标准化的构造平台[30],它使得每一位机器人设计师都可以使用同样的操作系统来进行机器人软件开发。ROS将推进机器人行业向硬件、软件独立的方向发展。硬件、软件独立的开发模式,曾极大促进了PC、笔记本电脑和智能手机技术的发展和快速进步。

ROS的开发难度比计算机操作系统更大,计算机只需要处理一些定义非常明确的数学运算任务,而机器人需要面对更为复杂的实际运动操作。

ROS提供标准操作系统服务,包括硬件抽象、底层设备控制、常用功能实现、进程间消息以及数据包管理。ROS分成两层,低层是操作系统层,高层则是用户群贡献的机器人实现不同功能的各种软件包。

现有的机器人操作系统架构主要有基于linux的Ubuntu开源操作系统。另外,斯坦福大学、麻省理工学院、德国慕尼黑大学等机构已经开发出了各类ROS系统。微软机器人开发团队2007年也曾推出过一款“Windows机器人版”。

2. 5 机器人的运动规划

为了提高工作效率,且使机器人能用尽可能短的时间完成特定的任务,必须有合理的运动规划。离线运动规划分为路径规划和轨迹规划。

路径规划的目标是使路径与障碍物的距离尽量远同时路径的长度尽量短; 轨迹规划的目的主要是机器人关节空间移动中使得机器人的运行时间尽可能短,或者能量尽可能小[31]。轨迹规划在路径规划的基础上加入时间序列信息,对机器人执行任务时的速度与加速度进行规划,以满足光滑性和速度可控性等要求。

示教再现是实现路径规划的方法之一,通过操作空间进行示教并记录示教结果,在工作过程中加以复现,现场示教直接与机器人需要完成的动作对应,路径直观且明确。缺点是需要经验丰富的操作工人,并消耗大量的时间,路径不一定最优化。为解决上述问题,可以建立机器人虚拟模型,通过虚拟的可视化操作完成对作业任务的路径规划[32]。

路径规划可在关节空间中进行。Gasparetto[33]以五次B样条为关节轨迹的插值函数,并将加加速度的平方相对于运动时间的积分作为目标函数进行优化,以确保各个关节运动足够光滑。刘松国[34]通过采用五次B样条对机器人的关节轨迹进行插补计算,机器人各个关节的速度、加速度端点值,可根据平滑性要求进行任意配置。另外,在关节空间的轨迹规划可避免操作空间的奇异性问题。Huo等人[35]设计了一种关节空间中避免奇异性的关节轨迹优化算法,利用6自由度弧焊机器人在任务过程中某个关节功能上的冗余,将机器人奇异性和关节限制作为约束条件,采用TWA方法进行优化计算。

关节空间路径规划与操作空间路径规划对比,具有以下优点: 1避免了机器人在操作空间中的奇异性问题; 2由于机器人的运动是通过控制关节电机的运动,因此在关节空间中,避免了大量的正运动学和逆运动学计算; 3关节空间中各个关节轨迹便于控制的优化。

2. 6 机器人手把手示教技术

采用示教盒进行示教的工业机器人使用比较普遍,一般的工业机器人均配置示教盒示教功能,但是对于工作轨迹复杂的情况,示教盒示教并不能达到理想的效果,例如用于复杂曲面的喷漆工作的喷漆机器人。

手把手示教不是通过示教盒进行点位示教,而是通过人直接操作机器人末端执行器,例如喷漆的喷头,基于实际喷漆路径行走并记忆工作轨迹和行走速度,从而实现工作轨迹示教,示教甚至可以在真实喷漆过程中进行。

具有手把手示教功能的工业机器人需要特殊的设计,以便克服示教时电机回路电磁感应产生的静力矩,以及平衡机器人臂的重力。在各旋转关节上需配置省力机构和助力电机。在不同的铰接点还需配置平衡气缸和储气罐。通过省力和力平衡装置的配置,可以使得示教过程轻便省力,适应复杂曲面上的轨迹[36]。

3工业机器人在制造业中的应用

工业机器人不仅可以单一完成作业,也可以多台机器人协同完成复杂的工作任务。

3. 1 基于 PDA 示教的船舶焊接机器人

船舶制造中有大量的焊接工作目前仍需要人工作业,以焊接机器人替代人工完成焊接工作是未来船舶焊接的发展方向。由于船舶构件体积庞大,一般需使用移动焊接机器人进行焊接。

文献[37]提出了一种基于PDA示教的船舶移动焊接机器人Rail Runner,基于PDA示教的船舶焊接机器人如图8所示。

所需焊接双壳体船,其结构是一个仅有一个过人孔的封闭结构,烟、有毒气体和高温导致焊接工作环境非常恶劣,因此使用机器人实现自动化焊接是十分合理的。

Rail Runner机器人可在船体结构内部移动,并基于无线通讯实现PDA( personal data assistant) 与机器人的通讯,以PDA替代了常规的示教盒实现了对焊机机器人路径和焊接过程的无线示教,其优点在于: 1对焊接空间没有限制,可进入封闭空间无人化工作; 2无需操作人员接近机器人和恶劣的焊接环境,确保人员安全; 3无线通信减轻了连接电缆和机器人整机的重量。

船体焊接作业正在从劳动密集型走向自动化,已经成为机器人应用的重要领域,船体焊接现场大规模使用机器人的情况如图9所示[38]。

3. 2 白车身焊接机器人

白车身的生产要在55个 ~ 75个工位上大批量、快节奏的焊接而成,焊点多达4 000个 ~ 5 000个[39]。

以焊接机器人为核心的白车身焊接生产线正朝着高度自动化,多品种混流生产以及大规模定制生产线的方向发展。德国KUKA公司为奔驰、大众、宝马、福特等整车企业研制的大型自动化白车身焊接生产线,生产线上的机器人占有率高达95% 甚至98% 以上; 意大利COMAU公司在多车型混装焊接生产线方面处于领先地位,研制的主焊接线合装平台可同时生产4种以上不同的车型[40],具有高度柔性化。

白车身的多机器人协同作业自动化焊接线如图10所示[41]。

3. 3 机器人自动化装配线

根据臂部的运动形式不同,可以将装配机器人分为旋转关节型装配机器人、直角坐标型装配机器人和平面关节型( SCARA) 装配机器人。

马丁路德公司的摩托车发动机装配线如图11所示。装配工作台由2台FANUC R-2000i B机器人组成,实现了连杆、曲轴、活塞、缸盖、缸体的自动化传送和装配。装配线的托板化设计和机器人的更换工具装置极大地提高了装配工效,采用视觉系统确保零件精确到位,采用力控软件模仿人的触觉,以适当的力度不断轻推零件,使其以很小的接触力滑入就位,保持工件不会碰伤[42]。

Uppsala大学研制的波浪发电机绕组装配机器人工作站可以将原来需要4人 ~ 5人耗时80 h的装配工作,减少到不到20 h完成[43],如图12所示。

垂直多关节型装配机器人大都有6个自由度,可以在空间上任意一点确定任意位姿; 直角坐标装配机器人操作比较简便,常被用于零部件的移送、简单的插入、旋拧等作业[44]。直角坐标装配机器人的工作情况如图13所示[45]。

平面关节型装配机器人是一种精密装配机器人,具有速度快、精度高、柔性好等优点,它在装配生产线上应用也十分普遍。

双臂装配机器人可以完成比传统的单臂装配机器人更为复杂的装配动作。国际上众多专家学者正在致力于研究双臂机器人的运动轨迹规划、双臂的协调控制以及双臂的操作力、力矩控制等。日本YASKAWA公司在多年研发设计后,MOTOMAN系列双臂装配机器人已经可以投入生产[46]。由于双臂装配机器人结构比较复杂,应用多集中于高精尖产业,目前尚未大面积普及应用。COMAU公司的双臂装配机器人如图14所示[47]。

并联机器人在高精度拾放料作业方面有着良好表现,也多用于装配领域。瑞典ABB公司的IRB360型并联装配机器人如图15所示。具有速度快、柔性强、出众的跟踪性能和集成视觉软件等特点,主要应用于装配、拾料、包装等领域[48]。

随着企业对生产的高智能、高自动化、高效率等需求,决定了未来装配机器人的发展趋势,以期实现并普及多机器人之间的协作以实现智能自助移动装配,人与机器人协作以实现功能上互补,故障预判与应急自处理以实现无人值守作业等特点。

3. 4 装配 / 拆卸双功能机器人

文献[49]提出一种具有装配 /拆卸双功能的机器人。该机器人由一个移动平台和一个机械臂组成,装配 /拆卸双功能的机器人如图16所示。该机器人不但具有装配功能,还具有拆卸功能。当被装配部件装配完成后,研究人员进行品质检验,若发现品质未达到规定要求,该机器人则将被装配部件上的零件按照装配逆顺序拆下,并放回到储料箱中,已供下一次装配使用。

3. 5 搬运机器人

为了提高自动化程度和生产效率,制造企业通常需要快速高效的物流线来贯穿整个产品的生产及包装的过程,搬运机器人在物流线中发挥着举足轻重的作用。

用于搬运的串联机器人,一般有六轴机器人和四轴机器人。六轴机器人一般用于各行业的重物搬运,特别是重型夹具、重型零部件的起吊、车身的转动等。四轴机器人的轴数较少,运动轨迹接近于直线,所以速度上较为优势,适合于高速包装、码垛等工序。ABB公司的IRB7600六轴机器 人,最大承重 能力高达650 kg,适用于各行业的重载场合; IRB660机器人采用了四轴设计,具有3. 15 m到达距离和250 kg有效载荷,适合用于袋、盒、板条箱、瓶等包装形式的物料堆垛,一款高速机器人如图17所示[50,51]。

川崎重工的MX700N为垂直多关节型六轴机器人,最大搬运重量为700 kg。其特点是,第5轴( 手腕)的扭矩为5 488 N·m,适用于一次搬运多个工件以及要以托盘为单位处理的作业,第3轴采用新型连杆,省去了大型机器人常用的平衡锤( Counter Weight) 。下半部转动半径及影响范围都比较小,因此可在狭窄的空间工作,最大臂长为2 540 mm,具备碰撞检测功能,高刚性工作臂还具有振动控制功能。

KUKA的KR 1000“titan”重载型机器人是载入“吉尼斯世界纪录”的世界上最强壮的机器人。KR 700 PA是同类负荷级别中最快的卸码垛机器人,可轻而易举地堆垛容量为700 L的木桶。堆垛专家KR 300 PA、KR470 PA和KR 700 PA能够适应客户所需承载能力介于40 kg ~ 1 300 kg之间的任意堆垛方案[52]。

并联机器人也适用于高速轻载的工作场合,在物流搬运领域有广泛的应用。一款Delta高速并联机器人如图19所示。采用双动平台结构,可实现三维空间内高精度拾放作业,可用于分拣、拾料、装箱和装配作业[53]。

机器人一方面具有人所难以达到的精度和效率,另一方面可以承担大重量和高频率的搬运作业,因此,在搬运、码垛、装箱、包装和分拣作业中,使用机器人替代人工将是必然趋势。

3. 6 打磨抛光机器人

机械零件形状不断向复杂化、多样化发展,实现打磨抛光工艺的“机器换人”有广泛的技术需求。

在打磨抛光加工中,机器人的工作方式有两种,一是机器人夹持被加工工件贴近加工工具,如砂轮、砂带等,进行打磨抛光加工,如图20[54]、图21[55]所示。另一种方法是机器人夹持打磨抛光加工工具贴近工件进行加工,如图22[56]、图23[57]所示。

激光强化处理后的模具有着普通模具不具备的高硬度,高耐磨性,更长使用寿命等,但模具表面强化的同时其加工难度也随之大大提升。软固结磨粒气压砂轮很好的解决了这个难题,可方便地与机器人配合使用,大大提高激光强化后模具自由曲面 的抛光效率[58,59]。软固结磨粒气压砂轮结构如图24所示,机器人光整加工系统如图25所示。

3. 7 移动式工业机器人

面对大尺度工件的制造,例如航空航天产品,传统的工业机器人无法胜任。首先,大尺度工件由于重量和尺寸巨大,不易移动,其次,工业机器人相对工件而言尺寸不足,如果单纯的按比例放大,则机器人制造和控制成本将十分高昂,因此,移动式工业机器人是一个很好的解决方案。常用的移动式工业机器人有龙门式和地轨式,如图26[60]、图27[61]所示。

轨道结构会占用较大的工作空间,增加了厂房投入和维护成本,因此在轮式或履带式移动平台上安装工业机器人,如图28所示[62],也是一种可行的解决方法,它使得工业机器人可以围绕零件移动并进行加工,可以更广泛适应大尺度产品的加工[63]。

由于轨道的配置构造通常会受到结构载荷和结构受力等原因的影响,造成结构变形从而影响加工精度,并且这种变形是随机性的,给位置补偿造成很大的困难。航空航天工业中,精度问题至关重大,所以对机器人的精度补偿方面的研究一直是个重大课题。南京航空航天大学沈建新、田威开发了基于机器人的飞机柔性装配系统,根据机器人的工作空间划分适当的网格,并且对每个立方体网格顶点设定权值,利用这种基于工作空间权重度量的精度补偿技术,并且机器人在补偿后的绝对定位误差可以控制在 + 0. 4 mm以内,基本可以满足航天工业的绝对定位精度[64]。

3. 8 缝纫机器人

一款挪威科技大学研制的缝纫机器人如图29所示。缝纫机器人的应用是服装产业转型升级的重要手段。服装产业是典型的劳动密集型产业,不仅中国,西方发达国家目前都十分重视该产业如何从劳动密集型生产转型为机械化自动化生产。

美国目前每年进口大约1 000亿美元的服装和缝制品,大部分来自中国、越南等国家。近来,美国希望服装产业能够重返美国,以重振美国的民用产品制造业,并希望利用机器人裁缝在成本方面战胜中国的劳动力。五角大楼已经向佐治亚州的自动缝纫技术公司提供了120万美元资金,将这一未来概念变为现实。这种电脑控制的缝纫机必须能够在针下“一针一针”精确地移动布料,以便实现“在没有直接劳动力的情况下生产服装”的目标[65]。

4结束语

2013年中国工业机器人采购量达到3. 65万台,首次超过日本成为全球最大的工业机器人市场,表明中国制造业对工业机器人的应用已呈现旺盛需求。浙江省率先实施了以工业机器人应用为核心的“机器换人”工程,计划在未来5年,每年实施5 000个“机器换人”项目,实现5 000亿元“机器换人”投资,以期推动工业生产方式由“制造”向“智造”转变。

中国制造业自动化程度整体上说还处于较低水平,同时尚有大量低端劳动密集型产业亟需转型升级,目前,中国每1万名工人中拥有机器人的数量仅为21台,不及国际平均水平55台的一半,巨大的增长空间,为推进我国工业机器人行业的发展创造了巨大的市场机遇。目前,已有大量的中国企业投身工业机器人技术的研发和工业机器人的制造。以美国为代表的发达国家,也着力加强工业机器人在传统制造业中的应用,希望通过原有工业基础优势,加速形成生产自动化竞争优势,彻底解决劳动力障碍,重新夺回制造业特别是长期已经放弃的日常用品制造业的霸主地位,促使外移产业回迁。应该引起重视的是,在机器人关键技术,特别是关键零部件技术方面,发达国家仍处于技术垄断地位,中国工业机器人技术的发展,仍面临欧美日等发达国家的重大挑战。

工业机器人的技术发展及其应用 篇3

【关键词】工业机器人；市场需求；关键技术；问题

工业机器人制造和发展的过程中涉及到的技术和领域非常多，包括机械、电子和计算机等，通过多种高新技术的整合形成的一种综合式的研究领域，因此，工业机器人在发展的过程中对所有涉及到的科学领域都一定的联系。随着工业机器人发展的标准化和网络化等成都越来越高，其在使用的过程中能够满足人们的更多需求，本文对工业机器人的技术发展和应用进行了简单的分析。

1、机器人发展历程

1.1 国内发展史

我国的工业机器人起步较晚，大概在上世纪70年代才开始进行工业机器人的研究，到目前为止，我国的工业机器人发展已经经历了30多年的时间。对于工业机器人的前期研究，其主要是自主研发，在这一过程中面临的问题较多，导致发展较为缓慢，随后我国将其列入到我国的国家计划中，发展速度开始加快，特别是几个五年计划中对工业机器人发展的技术支持，为我国的工业机器人发展提供了充足的动力。近些年来，随着科学技术的不断发展，我国的工业机器人生产和制造逐渐为用户带来了巨大的经济效益，而机器人的自动化生产也逐渐被引进我国，国内的各行各业也在逐渐将生产设备向着自动化技术前进，这都为我国的工业机器人发展创造了良好的外部环境。截止到目前，我国的北进和上海等城市已经拥有了具有自主知识产权的工业机器人产品，一些产品已经投入了市场，为我国的工业机器人发展创造了良好的条件。

1.2 国外发展史

世界上工业机器人发展最先进的国家是日本，在当前，全球大约有40%的工业机器人来源于日本，其不论是在工业机器人的技术含量以及市场的发展中都具有非常大的优势，占据着世界机器人市场的最大份额。在2004年，日本将工业机器人的发展列入到国家的新产业发展战略中，随后又在其他的发展战略中将工业机器人发展列入其中，通过日本政府的重视，日本的工业机器人发展具有非常好的技术和经济等支持，为日本的工业机器人发展创造了良好的外部条件。此外，还有机器人的诞生地美国，其对机器人的研究最早，经过40多年时间的发展，美国的工业人机器人已经具有非常雄厚的资金和技术支持，国内的工业机器人生产商具有较高的科研能力，为美国工业机器人的发展提供了有力的技术和资金支持，其他的像西方的发达国家，其对工业机器人的发展都具有相当高的重视，这为其国内的工业机器人发展创造了良好的氛围。

2、工业机器人发展趋势和特点

对于工业机器人，其主要是为了满足制造生产的高效和高精度，为此，未来的工业机器人发展将逐渐向着高速、高精和智能化等方向发展，通过日本的机械学会对工业机器人的发展研究得知，随着工业机器人的精度设计水平提高，其将会向着重复定位精度方向发展，这为工业机器人的应用创造了非常大的优势。此外，各种新材料的开发和利用也使得工业机器人能够不断减轻自身的重量，为其应用提供更加便利的条件，下面对工业机器人的技术特点进行了简单的介绍：

首先是工业及其热的精密化和柔性化等特点，工业机器人在开发和使用的过程中涉及到的技术种类较多，为了保证工业机器人的快速发展，需要通过有效的技术检测来对工业机器人的管理进行优化调度和控制等，实现工业机器人的品质和产量双增加。此外，随着当前可持续经济发展理念的盛行，工业机器人的发展也将逐渐向着低能耗、无污染的方向前进，着将是为来工业机器人的发展最高水平。

然后是工业机器人的自动化成套装备，其在生产的过程中更加注重产品的精细化加工和生产，随着我国工业机器人的发展，其逐渐向着高智能化的方向前进，从而实现工业生产的自动化和数字化等特点。

然后是工业机器人以及成套的自动化设备，这是工业生产中的重要设备，像制造业中的生产、安装和检测等都对其具有较高的技术要求，且这些设备广泛应用在汽车的整体以及单个零件的生产中，此外还有军工和金融等多个行业。

3、国际市场需求分析

根据IFR的相关统计数据可以得知，工业机器人的生产和销售目前已经达到了一个非常可观的水平，在2008年，全球的工业机器人安装就达到了11.3万套，而对应的销售额也达到了62亿美元的总体水平，大约占据了整体市场容量的三分之一左右。随后，每年的工业机器人生产和安装也在逐渐增加，除了2008年和2009年金融危机的影响，后续几年工业机器人的生产和销售额都在稳步增长中。对于我国当前的工业机器人生产、制造和销售，仅仅有30%是国产的工业机器人，而其他的市场份额几乎被美日德等发达国家占据完全，通过对我国工业机器人的市场进行调查研究可以发现，当前我国的工业机器人市场需求是非常大的。在国际市场上，我国是工业机器人进口最大的国家之一，且我国的工业机器人发展速度也是非常快的。随着工业机器人技术的不断成熟，国际上也出现了一批具有高端技术的工业机器人生产厂家，像KUKA和ABB等，这些工业机器人生产商的技术水平非常高，在国际市场 上占有非常高的地位。

通过对工业机器人的发展趋势进行研究可以发现，其在制造业中的应用具有非常广阔的前景，像机械加工和焊接等操作汇总，机器人的使用能够大大提高施工水平，且产品的质量也非常高，避免了人工操作过程中可能出现的各种失误。通过工业机器人的生产和发展，其大大推动了世界工业技术的发展。像产线的装配机器人，其在自动化装配产线中的应用减少了工人的劳动强度，减少了生产过程中的人工成本，为企业的发展创造了更大的价值。

4、工业机器人技术分析

对于常规的工业机器人来说，其组成部分主要包括机械主体和控制系统等，通过这几个基本的组成部分就能够实现一些常规的工业生产操作。对于工业机器人来说，其中的控制系统和传动系统等对其具有决定性的影响，为了保证工业机器人的高精度生产和高性能运行以及稳定的操作等，需要对工业机器人的这些系统进行有效的控制。在当前，我国的工业机器人研究对其中的关键性技术仍然没有完全掌握和开发，这对我国的工业机器人发展具有非常大的限制。

4.1高精度减速机

在当前我国的工业机器人发展中，高精度机器人的关节减速器大部分都是依赖国外的厂家提供，这对我国的工业机器人发展是一项严重的限制。为了更好的实现我国工业机器人的国产化，我国的部分高校开始致力于高精度摆线针轮减速机的开发和研究，到目前为止，我国已经研究出了能够替代谐波减速机的相关产品，但由于我国的相关技术还不完善，高精度减速机的研制过程中还存在着一些技术问题，下面对其进行了简单的分析：

首先是材料的成型控制技术，为了保证工业机器人的正常使用，需要对其RV减速机的减速齿轮进行高耐磨等性能的提高，这样才能保证工业机器人的高精度，因此，对于RV减速机的相关材料具有非常高的要求，这体现在材料化学中的各种构成材料含量等的控制方面。然后是对于一些特殊部件的加工技术，对于RV减速机，其中的非标特殊轴承是最为复杂的组成元件之一，在生产的过程中需要保证其间隙的准确性，这就要求对该器件的生产采用一些特殊的生产模式，但在当前我国还没有找到最佳的生产方法。然后是装配技术的精密性，对于工业机器人，其在使用的过程中具有较大的减速效果，因此，在进行实际的装配时需要结合当前的精密装配技术来实现工业机器人的精密装配，保证其良好的减速效果，通过对RV输出轴侧隙的零标准控制，使工业机器人具有较好的静刚度。

4.2电机和高精度伺服驱动器

对于工业机器人，其在使用的过程中需要具有较高精度的控制，而传统的电机和驱动器很难满足这一要求，为此需要采用专业的电机和驱动器来实现对工业机器人的精确控制。在国外的工业机器人生产中，以及设计制造了专业的电机和驱动器设备，其能够保证工业机器人的高效节能和低噪音等效果。而在我国国内的工业机器人制造和生产中，还没有专门的高性能电机和伺服器制造企业，主要是其中的关键技术没有掌握，下面对其进行了简单的介绍：首先是伺服控制器的快响应技术，在当前的工业机器人电机驱动中主要是由三个方面控制的，每一部分对工业机器人的电机驱动都有非常重要的影响，像驱动器内环的深度等，其是影响工业机器人电机驱动的关键性技术，对电机的电流环具有直接的影响，但由于我国的电流环在干扰观测和前馈补偿算法等方面的设计存在着较大的差距，导致其内部的预测模型无法实现对闭环的优化。此外，还有在线参数的自整定技术辨识功能较差等都对我国的工业机器人电机和驱动具有较大的影响。

5、总结

随着我国经济的高速发展，我国的工业机器人发展迎来了一个新的发展机遇，特别是企业对工业机器人的需求增加，国内的工业机器人发展技术不断成熟以及国家的大力支持等，这些都为我国的工业机器人发展创造了良好的条件。但由于我国的工业机器人起步较晚，很多的核心技术还没有完全掌握，因此，相关部门需要加快对我国工业机器人发展的人才支持，促进我国的工业机器人的研究和发展。

参考文献

[1]骆敏舟，方健，赵江海.工业机器人的技术发展及其应用[J].机械制造与自动化，2015，01：1-4.

[2]计时鸣，黄希欢.工业机器人技术的发展与应用综述[J].机电工程，2015，01：1-13.

飞速发展的中国机器人产业 篇4

中国的机器人行业正飞速发展。根据世界机器人联盟（IFR）的统计，2000年中国使用的工业机器人仅为930台，而到2011年，机器人数量增加到了74317台，到2013年则增加到了121200台。

中国在2013年运行的机器人数量在日本、北美、德国、韩国之后排第五，但预计到2016年会超过韩国、德国成为世界第三。每年销售的工业机器人规模已在2013年成为世界第一。2013年，在中国售出的工业机器人数量为36560台，占世界市场的20%。在中国生产的机器人数量预计在不久的未来也会占据世界第一。2013年，中国的机器人生产数量约为25000台，落后于日本与北美，但IFR预计到2016年，中国将生产 38000台以上，成为世界最大的机器人生产基地。而中国生产市场的90%由欧洲、日本等外国企业所占有。

工业和信息化部部长苗圩此前表示，这几年国产机器人发展有很大进步。过去大约一半左右的机器人是用在汽车行业，现在已经突破了这个界限，在电子信息行业等其他工业行业里都开始得到普及和应用。目前，智能机器人在工业制造领域、医疗领域、服务领域都有着广泛的应用。家电行业领导者海尔已经实现机器换人计划，且率先召开了高差异化的“透明工厂”发布会，开启了中国制造业新的里程碑。

中国行业内杂志《机器人》分析称，“快速攀升的工资水平、农村富余劳动力的减少以及经济活动人口的减少是重要的原因”。中国制造业从业者的平均年薪从2008年的16443元人民币增加至2013年的32035元人民币，5年间增加近一倍。

中国今年第一季度经济增长率为7%，这是继全球金融危机之后增长率暴跌的2009年1季度（6.6%）之后6年来的最低点。为突破增长瓶颈，中国将目光转向机器人。中国机器人市场的增长潜力不可估量。不过据产业研究院资料显示，2012年中国每10000名工人拥有23台机器人，还不及世界平均58台的一半。与韩国的396台、日本的332台、德国的273台相比也相差甚远。中国正在以汽车、电子产业为中心急剧增加机器人的使用。

机器人技术应用的发展 篇5

（一）注重零部件产业的发展。尽管我国在工业机器人的相关基础零部件方面已经有了一定基础，但是无论从质量、可靠性、产品系列、还是批量化供给方面都与国外产品有较大的差距，特别是在高性能交流伺服电机和高精密减速器方面的差距尤为明显。我国目前自主生产的机器人的核心关键零部件大量依靠进口，因此导致了我国自主生产的机器人的性价比低，核心技术受制于人，竞争能力差等问题，是造成我国目前机器人发展缓慢的主要原因，工业机器人本体产业的发展取决于零部件产业的发展，因此须高度重视工业机器人零部件产业的发展。

（二）注重加强条件能力建设。几十年来，我国相继建立了多个机器人产业化基地和科研基地，但是高水平的检测验证手段欠缺等问题阻碍了工业机器人的发展，因此下一步的发展需要强化条件能力建设，并建设第三方检测机构，满足工业机器人发展的需要。

（三）鼓励系统集成商和机器人本体企业的协调发展。虽然国内在机器人单体技术上与国外有明显差距，但在实际应用工业机器人的系统集成项目中，影响系统精度及可靠性的因素很多，不仅由机器人单体所决定，还包括控制系统、附属的夹具、传输设备精度、机器人视觉或传感等设备的因素，因此在单体技术有差距的情况下，国内企业可以利用系统集成领域的技术优势来弥补国产机器人单体技术的不足，缩小差距，从而能够使得国内系统在市场中具备与国际巨头产品竞争的能力。因此，加强系统集成商的发展能够为国产工业机器人的发展起到重要的助推作用，弥补目前国产工业机器人技术中的缺陷。

解读机器人产业发展规划 篇6

我国连续三年是全球最大机器人市场，需求旺盛

伴随着构建以智能制造为根本特征的新型制造体系，在未来较长一段时间内，我国对工业机器人的需求都将大幅增长。

“受相关政策扶持，以及工业转型升级的带动，我国机器人产业近两年迎来高速发展期。”工业和信息化部副部长辛国斌介绍说，自以来，我国已经连续三年成为全球最大机器人市场。我国工业机器人市场增长54%，两倍于全球增幅。我国工业机器人产量为32996台，同比增长21.7%。今年一季度，我国工业机器人产量为11497台，增幅为19.9%。

即便如此，我国20的机器人密度(平均每万名工人对应的机器人保有量)只有36，仅为全球平均水平62的近一半，与年韩国478、德国292的机器人密度，更是相去甚远。《规划》明确提出，到年，我国工业机器人年产量达到10万台，其中六轴及以上机器人达到5万台以上，重点行业实现规模化应用，机器人密度达到150以上。伴随着构建以智能制造为根本特征的新型制造体系，在未来较长一段时间内，我国对工业机器人的需求都将大幅增长。

“制造业只是机器人大规模应用的领域之一，麦肯锡发布的一份预测称，医疗、国防安全、服务生活领域将催生出数万亿美元的机器人市场。”中国机器人产业联盟秘书长宋晓刚告诉记者，我国服务机器人在科学考察、医疗康复、教育娱乐、家庭服务等领域已经研制出一系列代表性产品并实现应用。

宋晓刚说，我国服务机器人从需求上基本可分为三大类，一是帮助人们解决助老助残、医疗康复等社会问题;二是满足救灾、抢险、海底勘探、科学考察、国防等国家重大需求;三是满足居民教育娱乐以及智能居家等需求。《规划》聚焦智能制造、智能物流，面向智慧生活、现代服务、特殊作业等方面的需求，明确要重点突破的十大标志性产品中，手术机器人、智能型公共服务机器人、智能护理机器人面向的就是这个大市场。

高增长难掩工业机器人产业软肋

2014年，我国自主品牌工业机器人销量达到1.7万台，较上年增长78%。20，自主品牌工业机器人销量为22257台，同比增长31.3%。然而，在高速成长的同时，我国机器人产业核心部件空心化、应用低端化、主流市场边缘化“三化”风险却引起了行业的高度重视。

“机器人的核心技术包括核心部件设计技术、编程程序技术、控制技术、应用作业技术;关键部件有驱动器、伺服系统、高精度的减速器等。”沈阳新松机器人自动化股份公司总裁曲道奎指出，从市场角度看，中国工业机器人发展的软肋有三：一是技术复杂的六轴以上多关节机器人，国外公司占据约90%的份额。二是作业难度大、国际应用最广泛的焊接领域，国外机器人占了84%。三是高端应用集中的汽车行业，国外公司占了90%份额。我国企业生产的大多是搬运、码垛机器人，应用也大多集中在家电、金属制造等领域。

辛国斌认为，我国机器人产业发展面临的新问题，一是机器人关键零部件虽然有所突破，但是高端产品还较缺乏，目前，高精度减速器、伺服电机和控制器等价值量约占工业机器人70%的关键部件仍然依赖跨国公司。二是部分产品接近世界先进水平，但是创新能力亟待加强。三是各地机器人产业发展迅速，但是低水平重复建设的隐患逐步显现。四是龙头企业正在崛起，但是小、散、弱等问题仍然还没有得到根本的改变。五是第三方检测机构虽然已经建立，但是机器人的标准、检测认证体系还需要进一步健全。

工信部装备工业司副司长李东认为，目前，我国较大的机器人产业开发区、园区已超过40个，其中不乏重招商引资、轻科技创新和人才培养的现象;有机器人概念的上市企业超过百家，与机器人有关的大小企业有800家，其中，200家机器人本体制造企业，但大部分以组装、代加工为主，企业规模小、产业集中度低。

《规划》开出“营养食谱”，避免低水平重复建设

“为规避高端产业低端化风险，避免低水平重复建设，《规划》列出了五大针对性任务。”宋晓刚说，《规划》为我国机器人产业开出有针对性的“营养食谱”。

辛国斌指出，实现《规划》提出的“两突破”“三提升”目标，即实现机器人关键零部件和高端产品的重大突破，实现机器人质量可靠性、市场占有率和龙头企业竞争力的大幅提升，主要有6个方面的政策措施。一是加强统筹规划和资源整合。二是加大财税支持力度。三是拓宽投融资渠道，推广机器人租赁模式。四是营造良好的市场环境，制定工业机器人产业规范条件;研究制订机器人认证采信制度。五是加强人才队伍建设。六是扩大国际交流与合作。

机器人技术应用的发展 篇7

焊接在制造工业中具有举足轻重的作用, 它已经越来越广泛地应用于现代工业的各行各业中。自科技革命以来, 科学技术正在日新月异地发展, 而这自然离不开越来越多高质量的产品, 这也就需要高效精准的焊接工作, 而传统手工焊接已然达不到要求, 所以焊接的自动化必不可少。众所周知, 第一台Unimate型机器人是在1959年被制造出来的, 自那以后, 越来越多的工业机器人出现在世界各地的各行各业中, 其中一半左右的工业机器人为焊接机器人。从始至今, 焊接机器人的发展经历了3个阶段:第一阶段的焊接机器人是以示教再现方式运行的;第二阶段为可以通过传感器接收信息的离线编程焊接机器人;第三阶段为智能机器人, 具有多传感器, 且能够自行编程以适应环境[1]。

1 焊接机器人技术研究现状

1.1 焊接机器人用弧焊电源

电源之于电器相当于食物之于人类, 所以说电源对任何一种电器来说都是至关重要的, 作为一种智能电器, 焊接机器人也不例外, 它是否能够保持高效率工作, 有一个好的电源非常重要。因此, 焊接机器人用弧焊电源的研究一直是焊接机器人研究的重中之重。逆变电源与晶闸管电源是当前的弧焊机器人通常使用的两种电源。另外, 由于全数字化焊机具有焊接参数波动小, 不容易受温度升高等因素的干扰, 而且具有重复性较高的优点, 所以它将是弧焊机器人焊接电源的一个重要的研究方向[2]。

1.2 焊缝跟踪技术

想要保证焊接的质量和效率, 焊接条件是否稳定是一个非常重要的因素。而绝对的稳定条件是不可能的, 所以是否可以实时检测出由于焊接条件波动引起的焊缝偏差会直接影响焊接的质量, 因此也就离不开焊缝跟踪技术的支持。焊缝跟踪技术的研究主要以以下两种技术为主[3]:首先是传感器技术, 目前研究的比较多的有光学传感器和电弧传感器两种, 其中前者又以视觉传感器的研究比较密集, 主要是因为它可以获得非常多的信息并使用机器视觉等前沿技术进行分析处理, 由此可以在很大程度上使得弧焊机器人更好地适应焊接环境。另外, 后者中的旋转电弧传感器由于其在偏差检测时比较灵敏而得到的关注度比较高。其次, 焊缝跟踪控制理论与方法。Fuzzy Mathematics技术和Neural Networks技术为焊缝跟踪技术的研究取得突破打下了很好的基础。当前使用的通用型焊接模糊控制器就是将由Fuzzy Mathematics中的一系列工具得到的模糊控制理论和实际焊接过程相结合发展而来的。模糊控制虽然拥有比较优质的控制规则, 但是其综合定量知识的能力还不够好。我们都知道, 由于神经网络控制使用的是并行式的处理方式和分布式的信息存储, 所以它能够储存大量的信息, 而且它的容错性比较强, 所以从自动化方面来看十分适合焊缝跟踪中的跟踪智能控制和视觉模式识别。

1.3 多台焊接机器人和外围设备的协调控制技术

众所周知, 焊接机器人并不是一个独立的工作单元, 而是包含变位机及控制柜等元件的工作站或者系统, 所以想要提高焊接效率, 必须使系统的各个元件协调工作[4]。很多工件焊缝处的横焊等焊接位置能在很大程度上影响焊接品质和焊缝成形的效果, 而仅仅依靠调节机器人位置和姿势以达到恰当的焊接位点不仅在技术上很难实现, 也会给相应操作带来诸多不便。如果通过控制变位机做协调运动使得将要被焊接的位点一直处于水平的位置, 并且工装夹具和弧焊电源等其他元件也做相应的协调运动, 焊接的质量和效率将会大大提升。

1.4 仿真技术

焊接机器人是一种多自由度、多连杆的复杂空间结构体, 其复杂的空间结构导致其动力学和运动学问题非常复杂, 很难进行计算。如果可以不使用整个机器人作为仿真对象, 而使用焊接机械手替代, 然后再使用电脑图形等技术在电脑中形成几何图形, 并进行演示, 以此对可能遇到的一些问题进行模拟并加以解决, 就可以避免很多无用功。

2 焊接机器人技术的发展趋势

2.1 虚拟现实

虚拟现实技术是一种包括3D电脑图形学技术、多功能传感器的交互接口技术和高清显示技术在内的, 对事件的现实性从空间和时间上进行分解后重新组合的技术, 它能够被用在临场感通讯和遥控机器人等方面[5]。另外, 虚拟现实技术还能够被用于焊接过程的模拟, 这样一来我们就可以在实际焊接之前先在电脑上完成“数字化”焊接过程, 再用已经完成的数字化操作来指导实际的焊接工作。这一仿真过程可以让用户在还没有进行后期焊接就可先了解未来产品的情况, 进而达到有效预测评价生产系统性能的效果, 而且实际操作前先进行仿真实验, 可以对各种工艺方案进行比较, 进而选取和优化多机器人焊接轨迹。

2.2 焊接机器人控制系统

开放式、模块化控制系统将是焊接机器人控制系统研究的重点方向。其他的研究热点还有基于PC机网络式控制器以及机器人控制器的标准化和网络化。离线编程的实用化将是在线编程的可操作性之外的编程技术的研究重点[6]。

2.3 多传感器信息智能融和技术

随着传感器种类和数量愈来愈多地使用在机器人系统中, 诸如静电电容式距离传感器、超声波触觉传感器、基于光纤陀螺惯性测量的3D运动传感器等各种新型传感器如雨后春笋般出现[7]。但是, 单一传感信号在输入信息方面的可靠性不高, 而智能机器人对这一条件的要求很高, 为此便出现了多传感器智能信息融合技术, 它可以对各种信息进行综合的处理, 并通过这些信息正确理解环境, 进而达到机器人系统可以准确而快速地处理所获得的各种信息的目的。

3 结语

不可否认, 焊接机器人技术在以前和当前的工业发展中均扮演中十分重要的角色, 在未来肯定还会继续甚至扮演越来越重要的角色。最近几年, 我国在机器人弧焊电源、仿真技术与离线编程、信息传感、智能控制、焊缝跟踪等方面进行了大量研究, 并对多项技术进行了攻关。相信在不久的将来, 焊接机器人将在越来越广的领域提供更加优质高效的服务。

摘要：随着科学技术的不断发展, 传统手工焊接技术已然满足不了现代高技术产品制造的效率和质量的要求, 焊接自动化生产的趋势十分明显。文中从焊接机器人用弧焊电源、焊缝跟踪技术、多台焊接机器人和外围设备的协调控制技术及仿真技术等4个方面分析了焊接机器人技术的研究现状, 并从虚拟现实、焊接机器人控制系统及多传感器信息智能融和技术探讨了焊接机器人技术的发展趋势。

关键词：焊接机器人,现状,发展趋势

参考文献

[1]许燕玲, 林涛, 陈善本.焊接机器人应用现状与研究发展趋势[J].金属加工:热加工, 2010 (8) :32-36.

[2]宋章军.服务机器人技术研究现状与发展趋势[J].集成技术, 2012 (3) :1-9.

[3]哈恩晶.焊接机器人的应用现状与发展趋势[J].机械工人:热加工, 2004 (5) :16-18.

[4]解生冕.机器人双丝共熔化池脉冲MAC高速焊及协同控制模式熔滴过渡行为研究[D].广州:华南理工大学, 2012.

[5]梁明, 王国荣, 石永华, 等.焊缝自动跟踪系统中的智能控制[J].电焊机, 2008, 30 (8) :17-20.

[6]施春芳.焊接机器人技术现状和发展趋势的研究[J].中国科技投资, 2012, 6 (24) :161.

机器人发展的三大趋势 篇8

智能不断提高

美日走在前面

从“机器人”一词可以知道，它首先是一种人造机器。早期科幻作品中将它理解为一种仿人机器，而现代科技界则更多地把它理解为一种具有智能的机器。有智能的机器人早已有之，多年以前工业生产中就使用了工业机器人。但这种工业机器人一般不具备人形，离人的形象相差甚远。目前，机器人向着人形化、智能化发展。

现在越来越多的新型机器人出现在我们的视线中，能舞蹈的，能为残疾人服务的，能炒菜的，能翻译的，能维持交通的，能照顾孩子的等，这些新型机器人正开始逐步走进我们的生活。相信不久，机器人领域即将重复个人电脑崛起的道路，机器人将与30年前的个人电脑一样迈入家家户户，彻底改变人类的生活方式。

世界发达国家都投入大量资金加紧在机器人方面的研究。有关资料显示，韩国在确定未来十年国家经济发展的10个新的增长引擎中就包括智能机器人。而纵观全球，最先进的机器人技术掌握在日本和美国手里。美国将机器人作为高技术的发展重点，大量服务机器人已进入军工市场；日本则成立了多个国家和企业支持的机器人研究中心，投入大量资金进行持续性的研究。当然，其他国家也不甘落后。

机器人现场指挥乐队

日本在机器人的人形化方面一直走在世界的前面，最近，日本机器人ASIMO现场指挥乐队的新闻受到全世界的关注，这也从一个侧面说明日本机器人技术的领先性。

在一片暗淡光线的笼罩下，座无虚席的音乐大厅逐渐安静下来，指挥家像模像样地走了出来，站在观众面前的是一个全身闪着亮光的白颜色机器人，高4英尺3英寸。这个非同寻常的机器人名为ASIMO，由日本丰田汽车公司开发，它最近接受了一次严峻挑战：现场指挥底特律交响乐团。表演过程中，它生动逼真地模仿着真人指挥家的动作。

美英联手打造机器虫部队

面对日本咄咄逼人的机器人攻势，美国自然不甘落后，美国不仅在研制可用于服务行业的机器人，还在与英国合作，打造一支“机器部队”。英国军工企业巨头BAE系统公司正在为美军打造的这支“电子昆虫”部队有望在今年年底亮相战场。

据悉，英国BAE系统公司正在研制的是“电子蜘蛛”、“电子虫”和“电子蛇”等微型电子机器人，它们将成为士兵在战场上的耳目，用以帮助挽救数千人的性命。它们可以潜入危机四伏的地方，如布满陷阱的建筑物或敌人藏匿处，将这些地方的图像传回处于安全地带的部队。

士兵们会携带微型机器人参加实战，使用小型履带式运输车将其送至离目标最近的地方。接着，它们秘密潜入建筑物，将建筑物内部图像传输回士兵的便携式电脑，将里面的威胁信息详细地告知他们。英国BAE系统公司刚刚与美国陆军签署了开发微型机器人的合同，价值1900万英镑。据报道，研制能像蜘蛛一样爬行的微型机器人的计划已十分成熟，研究人员最终希望能开发出像蛇一样游动或像蜻蜓一样飞行的机器人。

机器动物

成为研究领域新宠

机器人、机器虫不仅可以用于战场，近年来，在有关动物行为的学术研究中，研究人员为了能在自然环境下，而非实验室中更为细致地观察动物行为，常常借助于机器动物来达到这一目的，如此一来，机器松鼠和机器蜥蜴便一跃成为研究人员的新宠。

在世界各地，有许多机器动物正协助研究人员在自然环境下，而非实验室中观察动物行为。此类研究能够让研究人员更好地了解动物如何团体协作、求爱、恐吓对手及警告同伴危险到来等行为。

同时，在比利时首都布鲁塞尔，吸收信息素的假蟑螂可向真蟑螂施加同类的压力，迫使其乖乖滚出具有保护作用的黑暗场所。在加利福尼亚，安装在假雌性艾松鸡身上的一台微型摄像机，清晰地记录下同伴中那些喜欢乱交的雄性艾松鸡向这只艾松鸡求爱的详细过程及其他内容。研究人员表示，此项研究甚至可能有助于解释我们人类一些类似的本能行为。

小得不能再小的机器人

机器人的用途决不仅仅这些。最近几年，一些科学家致力于机器人的小型化研究，连纳米级的机器人都问世了。

美国科学家正在研制一种可用于摧毁肿瘤细胞的微型机器“纳米蠕虫”，它能如巡航导弹一般在人体内自由游动，发现由于个头太小其他技术检查不到的肿瘤细胞。通过纳米蠕虫，医生可在癌细胞开始扩散前发现它们的踪迹，最终让这些机械蠕虫给其致命一击。

领导此项研究的美国加州大学圣迭戈分校化学和生物化学教授迈克尔·塞勒表示，“我们希望它们能在不损坏周围组织的情况下，释出抗癌药物，摧毁肿瘤细胞。”这个研究小组还包括来自加州大学圣巴巴拉分校和麻省理工学院的科学家，他们纷纷为这个项目拿出其掌握的独门绝技。纳米蠕虫长度相当于蚯蚓长度的300万分之一，之所以被称为纳米蠕虫，是因为它们能像蚯蚓般连接在一起。

按照这种奇特的设计，科学家可以使微型机器逃避人体自然保护机制的打击，在体内长时间停留以完成交给它们的任务，但是又不能停留太长时间。塞勒在接受采访时表示：“人体拥有各式各样的机制，可以消灭小分子、大分子，甚至是纳米颗粒或血栓等微粒，摧毁一切不应出现在此处的东西。”很显然，这是件对人体健康有益的事情。

塞勒表示，研究小组取得了两项“突破”。研究人员发现，涂上“某种粘液”的纳米蠕虫能躲避实验鼠身体保护机制的打击长达24小时，在这么长的时间里，它们足能找到潜在的肿瘤细胞。由于纳米蠕虫的特殊设计，一旦它们与肿瘤细胞相连，在身体扫描时会显得异常突出，使扫描仪器更易对准肿瘤细胞。

目前这种方法如何逃过身体保护机制的原因还是一个谜。此外，研究人员还发现，如果将纳米蠕虫一个个分开，在扫描仪器下它们比氧化铁小球更加突出明显。也就是说，纳米蠕虫整体要比其各个部分重新组合起来更加显眼，这表明纳米蠕虫也许能看到个头更小的肿瘤。

我们提到的这些机器人只是几个“典型”而已。事实上，机器人早已渗透到我们生活的各个方面，机器人其实就是自动化的一个形象的说法，我们的很多器械和用品都已经带有“机器人”性质，只不过这些器械和用品外形并不像人，没有引起我们的关注罢了。