工業(yè)機器人的技術發(fā)展及其應用

駱敏舟，方健，趙江海

(1. 中國科學院合肥物質科學研究院先進制造技術研究所，江蘇 常州 213164； 2. 中國科學技術大學，精密機械與精密儀器系，安徽 合肥 230027)

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工業(yè)機器人的技術發(fā)展及其應用

駱敏舟1，方健2，趙江海1

(1. 中國科學院合肥物質科學研究院先進制造技術研究所，江蘇 常州 213164； 2. 中國科學技術大學，精密機械與精密儀器系，安徽 合肥 230027)

摘要：介紹了工業(yè)機器人的發(fā)展史，指出了機器人產業(yè)將是未來十年國內裝備制造業(yè)中成長性最快的行業(yè)。同時介紹了工業(yè)機器人的分類和主要的應用領域，分析了工業(yè)機器人未來市場巨大需求的深層次原因，論述了工業(yè)機器人處于爆發(fā)式增長的必然性。在機器人研究方面，對我國工業(yè)機器人發(fā)展中亟待解決的問題進行了探討，重點是工業(yè)機器人關鍵技術和基礎零部件制造工藝。提出了工業(yè)機器人的發(fā)展方向和下一代工業(yè)機器人的基本構想，預測了下一代工業(yè)機器人的發(fā)展途徑和發(fā)展的關鍵。

關鍵詞：工業(yè)機器人；市場需求；關鍵技術；存在問題；下一代工業(yè)機器人

0引言

工業(yè)機器人涉及到機械、電子、控制、計算機、人工智能、傳感器、通訊與網絡等多個學科和領域，是多種高新技術發(fā)展成果的綜合集成。因此它的發(fā)展與上述學科發(fā)展密切相關。工業(yè)機器人在制造業(yè)的應用范圍越來越廣闊，其標準化、模塊化、網絡化和智能化的程度也越來越高，功能越來越強，并向著成套技術和裝備的方向發(fā)展[1-2]。

1機器人發(fā)展狀況

1) 國外發(fā)展概況

日本具有國際上最先進的機器人技術，就全世界范圍來看，全球工業(yè)機器人約有4成在日本。不論在技術方面，還是在市場規(guī)模方面，日本可以稱得上是“機器人大國”。日本在2004年5月發(fā)布的“新產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略”中所指出的7個產業(yè)領域，機器人產業(yè)也是其中之一，同時，在進一步實施“新產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略”的“新經濟成長戰(zhàn)略”報告中也把機器人放在使日本成為“世界技術創(chuàng)新中心”的支柱地位上，并在近兩年開始重新審視機器人產業(yè)政策[3]。

美國是機器人的誕生地，早在1962年就研制出世界上第一臺工業(yè)機器人，比起號稱機器人王國的日本起步至少要早五、六年。經過40多年的發(fā)展，美國現已成為世界上的機器人強國之一，基礎雄厚，技術先進。據統(tǒng)計，截止到2009 年底，美國運行工業(yè)機器人大約有19.4萬臺。目前，美國工業(yè)機器人供應商有Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation等公司。

德國引進機器人的時間比英國和瑞典大約晚了五、六年，但戰(zhàn)爭所導致的勞動力短缺，國民的技術水平較高等社會環(huán)境，卻為工業(yè)機器人的發(fā)展、應用提供了有利條件。此外，20世紀70年代中后期，德國政府采用的積極行政手段也為工業(yè)機器人的推廣開辟了道路。如在“改善勞動條件計劃”中規(guī)定，對于一些危險、有毒、有害的工作崗位，必須由機器人來代替。這個計劃為機器人的應用開拓了廣泛的市場，并推動了工業(yè)機器人技術的發(fā)展。據統(tǒng)計，截止到2009 年底，德國運行的工業(yè)機器人為14.58萬臺。目前，德國工業(yè)機器人供應商有KUKA、CLOOS等[4]。

國際上一些大的工業(yè)機器人制造廠家，品牌主要分成兩大體系，以日本為代表的日韓系，以德國為代表的歐系，其中ABB、安川、發(fā)那科三大品牌占據了全球51%的市場，KUKA、OTC、川崎、松下等幾大品牌占市場份額的40%以上。

2) 國內發(fā)展概況

我國的工業(yè)機器人研究開發(fā)工作始于20世紀70年代初，到現在已經歷了30年的歷程。前10年處于研究單位自行開展研究的狀態(tài)，發(fā)展比較緩慢。1985年后開始列入國家有關計劃，發(fā)展比較快。特別是在“七·五”、“八·五”、“九·五”機器人技術國家攻關、“863”高技術發(fā)展計劃的重點支持下，我國的機器人技術取得了重大發(fā)展。

我國近幾年工業(yè)機器人自動化生產線不斷出現，并給用戶帶來顯著效益。機器人自動化生產線裝備的市場剛剛起步，而國內裝備制造業(yè)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進制造裝備轉型的時期，這就給機器人自動化生產線研究開發(fā)者帶來巨大商機。目前正在逐步建立上海、沈陽、北京、昆山、唐山、成都、徐州等工業(yè)機器人產業(yè)基地，開發(fā)出一批有市場前景的，具有自主知識產權的工業(yè)機器人及其自動化生產線產品。

2工業(yè)機器人發(fā)展趨勢和特點

工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢是向“高速，高精，重載，輕量化和智能化”方向發(fā)展。JSME2008年度日本機械學會從技術重要性不斷增強的工業(yè)機器人領域的角度，對機器人的平均功率比密度、精度、智能化水平等關鍵參數進行了分析與預測(-2030年)。在對絕對準確有要求的機器人設計中，經過不斷改進，絕對精度可能會接近重復定位精度。通過材料技術的進步，減輕驅動器質量，提高剛度，提高伺服電機和驅動器的平均功率比密度。因此，工業(yè)機器人技術有如下特點：

1) 工業(yè)機器人集精密化、柔性化、智能化、軟件應用開發(fā)等先進制造技術于一體，通過對過程實施檢測、控制、優(yōu)化、調度、管理和決策，實現增加產量、提高品質、降低成本、減少資源消耗和環(huán)境污染，是工業(yè)自動化水平的最高體現。

2) 工業(yè)機器人與自動化成套裝備具備精細制造、精細加工以及柔性生產等技術特點，是繼動力機械、計算機之后，出現的全面延伸人的體力和智力的新一代生產工具，是實現生產數字化、自動化、網絡化以及智能化的重要手段。

3) 工業(yè)機器人與自動化成套裝備是生產過程的關鍵設備，可用于制造、安裝、檢測、物流等生產環(huán)節(jié)，并廣泛應用于汽車整車及汽車零部件、工程機械、軌道交通、低壓電器、電力、IC裝備、軍工、煙草、金融、醫(yī)藥、冶金及印刷出版等眾多行業(yè)，應用領域非常廣泛[5-6]。

4) 工業(yè)機器人與自動化成套技術，融合了多項學科，涉及多項技術領域，包括工業(yè)機器人控制技術、機器人構建有限元分析、激光加工技術、智能測量、建模加工一體化、工廠自動化以及精細物流等先進制造技術，技術綜合性強。

3國內外市場需求分析

據IFR統(tǒng)計，2008年全球新安裝工業(yè)機器人達11.3萬套，銷售額62億美元，增長7%左右，市場容量約為190億美元。2008年和2009年由于金融危機的影響，工業(yè)機器人需要量有所下滑。2010年工業(yè)機器人有了強勁的增長，增長額達到27%，達到7.6萬套，2011年和2013年將有10%的增長，預計2014年達到10萬套。

目前我國市場上機器人完全國產化的僅為30%，其余皆為從日本、美國、瑞典、德國、意大利等20多個國家引進。因此，工業(yè)機器人市場是一個有巨大需求的市場，國內的工業(yè)機器人需求很大！ABB、KUKA、安川、FANUC、川崎重工等，以及與機器人有關的元器件、部件公司，都看準了中國這個市場，進軍中國。國際機器人聯合會(IRF)認為我國是工業(yè)機器人市場增長最快的國家之一。從工業(yè)機器人技術發(fā)展前景來看，工業(yè)機器人技術日趨成熟，已成為一種標準設備而得到工業(yè)界廣泛應用，從而也形成了一批在國際上較有影響力的、知名工業(yè)機器人公司。如德國的KUKA、瑞典的ABB、日本的安川等。據聯合國歐洲經濟委員會和國際機器人聯合會的統(tǒng)計，2006年至2010年，世界機器人市場年增長率平均在20%左右，2010年達到創(chuàng)紀錄的35%，2010年全球機器人實際安裝量達到240萬臺。

從工業(yè)機器人應用前景來看，工業(yè)機器人在制造業(yè)中得到了廣泛的應用。如在毛坯制造、機械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中，機器人都已逐步取代了人工作業(yè)。工業(yè)機器人技術的研究、發(fā)展與應用，有力地推動了世界工業(yè)技術的進步。例如焊接機器人在高質、高效的焊接生產中，發(fā)揮了極其重要的作用，特別是近年來，我國在焊縫跟蹤、智能控制、信息傳感、周邊設備、離線編程與仿真技術、機器人弧焊電源與焊接工藝方法等方面進行了大量的研究與應用，取得了許多優(yōu)秀的成果；又例如裝配機器人在自動裝配生產線，減輕工人的勞動強度，代替工人在嚴酷的環(huán)境中作業(yè)，產生了巨大的效益[7]。

我國正處于工業(yè)化過程中，生產手段必然要經歷機械化、自動化、智能化、信息化的變革，工業(yè)制成品也將經歷數量、品質、柔性低成本的發(fā)展階段，目前制造業(yè)普遍需要技術和設備升級改造，以增強競爭力，提高經濟效益，因此，我國機器人產業(yè)的發(fā)展空間很大，市場前景美好。2010年全年我國進口工業(yè)機器人邁向一個新臺階，進口數量突破兩萬臺，合計約6億美元。在我國，工業(yè)機器人的真正使用到現在已經30多年，已基本實現了試驗、引進到自主開發(fā)的轉變，促進了我國制造業(yè)的發(fā)展。隨著我國門戶的逐漸開放，國內的工業(yè)機器人產業(yè)將面對越來越大的競爭與沖擊，因此，把握我國工業(yè)機器人研究的相關進展十分重要[8]。

近幾年，我國工業(yè)機器人及含工業(yè)機器人的自動化生產線和工程項目、相關產品的年產銷額已近5億元?，F有機器人研究開發(fā)和應用工程單位200多家，其中從事工業(yè)機器人研究和應用的有75家，共開發(fā)生產各類工業(yè)機器人約3000多臺，90%以上用于生產，引進工業(yè)機器人做應用工程的約1000多臺[9]。我國工業(yè)機器人經過20多年的發(fā)展已在產業(yè)化的道路上邁開了步伐。

4工業(yè)機器人核心部件研制的關鍵技術分析

一般的工業(yè)機器人由機械本體、控制系統(tǒng)、驅動與傳動、傳感器組件等幾個基本部分組成。機器人的傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人機交互系統(tǒng)對其性能起著決定性作用，其核心部分主要體現在以下3個方面，高精度RV減速機、高性能交直流伺服電機和驅動器、穩(wěn)定的實時操作系統(tǒng)。目前這些核心部件的研制關鍵技術在國內仍然沒有具體掌握。

a) 高精度減速機

高精度機器人關節(jié)減速器產品主要依賴進口，目前75%的市場被Nabtesco和Harmonic Drive公司壟斷。近年來國內部分廠商和院校開始致力高精度擺線針輪減速機的國產化和產業(yè)化研究，在諧波減速機方面，國內已有可替代產品，但是相應產品在輸入轉速，扭轉強度，傳動精度和效率方面與日本產品還存在不小的差距，工業(yè)機器人的成熟應用還剛剛起步。高精度減速機研制的主要關鍵技術有：

1) 材料成型控制技術

RV減速機的減速齒輪應具有高耐磨性以及高剛性才能保證其高精度，因此，對生產RV減速機的基本部件的材料具有很高的要求，尤其是體現在對材料化學元素、含量、金相組織控制，以及超常規(guī)熱處理工藝方面。

2) 特殊部件的加工技術

非標特殊軸承是RV減速器的復雜精密機構之一，要求軸承具有特殊的結構。其間隙需根據減速器零部件加工尺寸動態(tài)調整。這就要求特殊部件具有特殊的加工技術。如，為了結構緊湊，薄壁角接觸球軸承精度要求較高。根據精密傳動要求，加預緊力后軸承的游隙為零。

3) 精密裝配技術

由于工業(yè)機器人使用的RV減速器的減速比較大，其具有微進給、無側隙、剛性高、承載較大扭矩的特點，這就要求在實際的產品裝配過程中，需要精密的裝配技術，結合先進的現場檢測技術，采用專用精密裝配夾具，利用成組工藝裝配技術，確保RV輸出軸側隙為零，同時具有額定的靜剛度。

b) 電機和高精度伺服驅動器

高精度的伺服電機和驅動器是實現對機器人的精密控制的重要保障，由于工業(yè)機器人對電機的特性有著特殊的要求，如相同的軸高，最大的功率輸出，高負載，瞬間力矩輸出響應快速等，這就要求工業(yè)機器人應使用專業(yè)的電機和驅動器進行驅動。國外的工業(yè)機械臂均使用了機器人專用電機，其具有高效節(jié)能、可靠性強、噪音低、維護簡單、安裝方便等特點，同時它體積小，輸出扭矩大，力矩變化響應快，如日本安川的機器人專用電機，國內目前還來研制出機器人專用的高性能電機，在高精度伺服電機和驅動器研制過程中，有如下關鍵技術：

1) 快響應伺服控制技術

目前機器人的電機驅動均具有三環(huán)控制，即位置環(huán)，速度環(huán)和電流環(huán)。由于機器人專用電機對力矩變化響應具有快速性的要求，驅動器內環(huán)的深度控制是實現快速響應的關鍵技術，即對電機的電流環(huán)直接控制。因此，其關鍵在電流環(huán)的干擾觀測和前饋補償算法的設計?；诰C合性能指標優(yōu)化的預測控制方法，建立電機的內部預測模型，以及內部預測模型的閉環(huán)優(yōu)化策略是實現快速穩(wěn)定的伺服響應的必經途徑。

2) 在線參數自整定技術

在線參數自整定技術是針對工業(yè)應用所提出的，目前伺服系統(tǒng)都具有該功能，主要是為了實現機器人系統(tǒng)參數辨識功能，如關節(jié)的轉動慣量，PID參數自整定等方面，參數自整定技術的關鍵在于在線優(yōu)化算法，通過不斷的在線參數優(yōu)化，辨識系統(tǒng)參數，其高級應用在于，通過應用在線慣量辨識算法，使得伺服驅動器可以自動判別工況變化，智能地調節(jié)伺服驅動控制器的控制參數，根據不同工況實現了參數的在線智能自適應調整功能。

3) 高過載倍數，高轉速電機設計技術

電磁設計上選用特殊極槽配合，避免由于斜槽或斜極對電機性能的削弱；結構上采用特種薄型制動器；轉子采用表貼磁鋼和分段式結構，外加特殊鋼套。結構采用表貼磁鋼；采用低損耗矽鋼片。完成這一系列的工序，需要具備高品質的磨削技術和自動化加工能力。

c) 機器人控制系統(tǒng)

工業(yè)機器人的控制器開發(fā)過程中，最顯著的問題是工業(yè)機器人的操作系統(tǒng)，工業(yè)機器人的運動學控制對系統(tǒng)的實時性具有很高的要求，目前主流的工業(yè)機器人都是采用專門定制的運動控制卡，加上實時操作系統(tǒng)，這樣既保證了數據的實時傳輸又能保證運動控制的精確執(zhí)行，大大提升了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而提升機器人的性能。

另外的一些機器人產品是采用工業(yè)PC搭載高速總線的級伺服控制系統(tǒng)，其控制PC采用的是實時操作系統(tǒng)，如，vxworks或者windows+RTX實時擴展平臺保證軟件運行環(huán)境的實時性，通過運動規(guī)劃和運動控制單元可以實現對總線式伺服驅動器的控制，從而達到對機器人的精確控制。采用實時操作系統(tǒng)來搭建機器人控制系統(tǒng)是一個很好的解決方案，然而，其代價也是昂貴的，由于實時操作系統(tǒng)的成本高，這很大程度上限制了國內工業(yè)機器人產業(yè)化發(fā)展。

采用通用的操作系統(tǒng)消息處理機制的缺陷是不能滿足工業(yè)機器人在運行過程中高穩(wěn)定性和響應快速性的要求，控制系統(tǒng)的上下位機之間進行頻繁地通信，實時性必然會跟不上運動控制的要求，從而大大地降低了工業(yè)機器人產業(yè)化的可能。

5工業(yè)機器人發(fā)展中存在的問題

目前，我國已經能夠生產具有國際先進水平的平面關節(jié)型裝配機器人、直角坐標機器人、弧焊機器人、點焊機器人、搬運碼垛機器人等一系列產品，不少品種已經實現了小批量生產，但仍舊存在諸多問題。主要表現在：

1) 我國工業(yè)機器人基礎零部件制造能力有待提高。目前國內生產工業(yè)機器人的核心零部件(如高精度伺服電機，諧波減速機，以及實時操作系統(tǒng))都依賴進口，少量國產的零部件雖然可以用于工業(yè)機器人，但是對大負載的工業(yè)機器人零部件還是無能為力。

2) 我國的工業(yè)機器人設計理念不夠成熟。國內的機器人生產大部分立足于功能的實現，在穩(wěn)定性方面的考慮目前和國外還有一定的差距。即國內研制的工業(yè)機器人，性能不高。

3) 國內工業(yè)機器人市場秩序混亂，伴隨我國對工業(yè)機器人需求的迅猛增長，多數企業(yè)看好工業(yè)機器人市場，大量企業(yè)蜂擁而上，并且企業(yè)實力良莠不齊，勢必造成國內工業(yè)機器人市場的惡性競爭；全國有近百家從事工業(yè)機器人研究生產的高校院所和企業(yè)，現行體制造成各家研究過于獨立封閉，機器人研究與研發(fā)分散，未能形成合力，同一技術重復研究，浪費大量的研發(fā)經費和研發(fā)時間；多數企業(yè)熱衷于大而全，一些具有較好的機器人關鍵部件研發(fā)基礎的企業(yè)紛紛轉入機器人整機的生產，難以形成工業(yè)機器人研制、生產、制造、銷售、集成、服務等有序、細化的產業(yè)鏈。

6下一代工業(yè)機器人展望

盡管工業(yè)機器人的發(fā)展至今技術已經非常成熟，工業(yè)機器人技術朝著智能化、重載、高精度、高速、網絡化、協(xié)同化方向發(fā)展。在對絕對準確有要求的機器人設計中，經過不斷改進，絕對精度可能會接近重復定位精度。通過材料技術的進步，減輕驅動器質量，提高剛度，提高伺服電機和驅動器的平均功率比密度。由于離線訓練技術和促進機器人和人類之間高效信息交換的接口技術的發(fā)展，工業(yè)機器人的智能化水平得到進一步提高。綜上所述，下一代工業(yè)機器人技術有如下特點：

1) 工業(yè)機器人除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，結合位置、力矩、力、視覺等信息反饋，柔順控制、力位混合控制、視覺伺服控制等方法在復雜工業(yè)作業(yè)領域得到應用。

2) 隨著工業(yè)機器人應用要求的提高，開發(fā)類人雙臂的冗余自由度機器人，完成類似于人手臂的一系列動作；研究基于高性能、低成本總線技術的控制和驅動模式，提高控制系統(tǒng)開放性，形成統(tǒng)一的工業(yè)機器人在各行業(yè)應用的行業(yè)應用標準。

3) 工業(yè)機器人的智能化、群體協(xié)調作業(yè)能力也應加強，以滿足工業(yè)機器在生產流水線的應用需要。面向機器人和操作員混合作業(yè)，以及多機器人協(xié)調工作將是機器人的又一發(fā)展方向。

4) 工業(yè)機器人通過人機交互方式建立模擬仿真環(huán)境，研發(fā)工業(yè)機器人自動/離線編程技術，增強人機交互和二次開發(fā)能力，解決機器人示教難的問題，實現以傳感器融合、虛擬現實與人機交互為代表的智能化技術在工業(yè)機器人上的可靠應用，實現機器人與人的共生共融將是下一代工業(yè)機器人重點研究內容。

7結論

目前工業(yè)機器人迎來了前所未有的發(fā)展機遇，招工難用工難，企業(yè)對產品品質和效率提升的要求，促使工業(yè)機器人有著巨大的市場和應用前景，但是我國的機器人發(fā)展還存在著一系列的問題。這些問題的解決還需要我國企業(yè)與科研單位深入合作，解決包括材料、工藝、控制與機械設計在內的一系列問題。通過企業(yè)和市場的拉動，真正解決工業(yè)機器人核心與應用的共性技術問題，才能使得我國機器人趕上或超越國外的水平。

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The Development and the Application of the Industrial Robot Technology

LUO Min-zhou1, FANG Jian2, ZHAO Jiang-hai1

(1. Institute of Advanced Manufacturing Technology, Changzhou 213164, China;

2. University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China)

Abstract:We first present the development history of the industrial robot simply. Based on the developing trends of the industrial robot in the next decade, we also indicate that the robot industry will become the fastest growing industry in the equipment manufacturing industry. In addition, the reason of the huge demand of the robot in the industrial market is also analyzed. Besides, the deeply reason that the industrial robot will inevitably become an explosive growth is discussed directly. Based on these descriptions, the classification and its application of the industrial robot are also introduced clearly. Subsequently, the serious problems which restrict our country’s robot development are depicted from the view of the robot key technology and basic components. Conclusively, the trends of the industrial robot development and thestructure of the next generation of robotsare also proposed at the end of this paper and the development path and the development core are also predicted at the end of this paper.

Keywords:industrial robot; demand of the market; key technology; existence problem; next generation of industrial robot

收稿日期：2014-12-05

中圖分類號：TP242

文獻標志碼：A

文章編號：1671-5276(2014)06-0001-04

作者簡介：駱敏舟(1973-)，男，安徽肥東人，博士，研究員，博士生導師，主要研究領域：仿生與智能機器人、機電一體化。江蘇省機器人與智能裝備產業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯盟理事長，《International Journal Of Information Acquisiton》雜志編委，中國人工智能學會智能機器人專業(yè)委員會委員、中國自動化學會智能機器人專業(yè)委員會委員，國家自然基金委員會網評專家、國家發(fā)改委機器人領域評審專家；《ROBOTICA》、《中國機械工程》、《機器人》、《北京化工大學學報》、《傳感技術學報》、《中國激光》等期刊評審專家。獲得全國五一勞動獎章、安徽省科技進步三等獎、中國產學研合作促進獎等。近五年主持參加多項國家科技計劃、國家自然基金、中科院、省市各級項目；共發(fā)表論文128篇，其中SCI收錄14篇，EI收錄36篇；申請或獲得發(fā)明專利37項；軟件登記8項。在spring出版社合作出版《Grasping in robotics》英文專著等。