工業(yè)機器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

田 濤，鄧雙城，楊朝嵐，張 澤，鄭海洋，王福利，周唐愷

(1.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124；2.北京石油化工學(xué)院，北京 102617；3.北京化工大學(xué)，北京 100029)

工業(yè)機器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

田 濤1，鄧雙城2，楊朝嵐2，張 澤1，鄭海洋3，王福利2，周唐愷2

(1.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124；2.北京石油化工學(xué)院，北京 102617；3.北京化工大學(xué)，北京 100029)

工業(yè)機器人為多種科學(xué)技術(shù)綜合運用，自動化技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物，其是繼汽車和計算機之后新的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，對生產(chǎn)和社會的發(fā)展都起著至關(guān)重要的推動作用。首先，介紹了工業(yè)機器人的組成，并按不同標(biāo)準(zhǔn)進行了分類；然后，對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了對比分析，明確了國內(nèi)外的巨大差距；最后，預(yù)言了工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢。

工業(yè)機器人；自動化；高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

Beijing 102617，China； 3. Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029，China)

工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器和人工智能等多學(xué)科先進技術(shù)于一體的重要現(xiàn)代制造業(yè)自動化裝備[1]。美國于1962年研制出世界上第1臺示教型工業(yè)機器人，從此引領(lǐng)了機器人技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品的飛速發(fā)展。經(jīng)過多年發(fā)展，國外工業(yè)機器人技術(shù)日趨成熟，而國內(nèi)由于相關(guān)研究展開得比較晚，雖然取得了一定的成績，但技術(shù)基礎(chǔ)仍然很薄弱。

工業(yè)機器人的產(chǎn)生引起了生產(chǎn)和生活方式的劇變，帶來了巨大的便利，如提高了勞動生產(chǎn)率及加工精度，降低了工作人員的工作強度，可以在工人難以適應(yīng)的環(huán)境下工作等。隨著近些年機器人研究廣泛而又深入的開展，工業(yè)機器人不再僅僅局限于制造業(yè)，還被推廣到采礦、救援和水電系統(tǒng)維修等非制造業(yè)領(lǐng)域。工業(yè)機器人及其成套產(chǎn)品成為自動化產(chǎn)業(yè)的主要方向，逐漸構(gòu)成國家產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，不斷推動其他支柱產(chǎn)業(yè)的升級，成為推動國家社會和經(jīng)濟發(fā)展的重要力量。

1 工業(yè)機器人的組成及分類

1.1 工業(yè)機器人的組成

工業(yè)機器人一般由人機界面、運動控制器、驅(qū)動器和機械本體等部分組成(見圖1)，各部分功能緊密聯(lián)系，構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng)。人機界面是操控人員向機器人發(fā)送指令的窗口；運動控制器是各關(guān)節(jié)的位姿運算單元，使機器人按照規(guī)定的要求工作，控制機器人的起動及停止；驅(qū)動器是為執(zhí)行機構(gòu)提供動力及運動的裝置；機械本體即操作機，是完成各種動作的最直接部件，包括各種動作執(zhí)行機構(gòu)，如機械手。另外，還有一些輔助裝置，如傳感器，可以輔助機械本體進行位置和力等信息的檢測。

圖1 工業(yè)機器人系統(tǒng)基本構(gòu)成

1.2 工業(yè)機器人的分類

在科技迅猛發(fā)展的今天，工業(yè)機器人的更新?lián)Q代非常快，種類也越來越多,可以依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)對其進行劃分，如采用的關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域、動力源、承載能力和順序信息等；然而也存在一些機器人，很難用具體的標(biāo)準(zhǔn)對其進行劃分。按照關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機器人可以分為3代：第1代是示教再現(xiàn)工業(yè)機器人，采用示教盒在線示教編程并保存示教信息，當(dāng)機器人工作時，運動控制器解析并執(zhí)行示教指令，該類機器人控制簡單，容易實現(xiàn)，因而在工業(yè)上被廣泛采用；第2代是離線編程機器人，其采用了離線計算機模型仿真技術(shù)，先對實體模型進行運動仿真，然后將驗證過的編程以代碼的形式傳遞給機器人控制柜，從而控制機器人的運動，并且使其具有一些簡單智能(如視覺、觸覺和力感覺等)；第3代是智能機器人，即機器人具有自主控制能力的裝置，可以通過所帶有的各種傳感器感應(yīng)周圍復(fù)雜的動態(tài)環(huán)境信息，然后做出自主判斷，進而自行發(fā)出正確指令，完成預(yù)期工作[2]。

工業(yè)機器人廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如工業(yè)、醫(yī)療、軍事、搶險和家政服務(wù)等，包括廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)等制造業(yè)的點、弧焊機器人，噴涂機器人，搬運機器人；廣泛應(yīng)用于通信和遠距離控制的網(wǎng)絡(luò)機器人；廣泛應(yīng)用于其他非制造業(yè)的機器人，如救援機器人、軍用機器人和服務(wù)機器人等。

工業(yè)機器人想要實現(xiàn)運動，需要對其提供動力，按照動力源的方式可分為液動、氣動和電動機器人。3種驅(qū)動方式各有利弊：液動機器人提供的動力比較大，適合于搬運重載的物體，而且反應(yīng)速度比較快，但是容易產(chǎn)生泄漏，且油液容易被污染；氣動機器人由于氣體的可壓縮性，很難保證運動過程的平穩(wěn)性以及工作的精度；電動機器人不需要泵或空氣壓縮機，結(jié)構(gòu)設(shè)計較簡單，而且工作精度較高，是當(dāng)前工業(yè)機器人大多采用的驅(qū)動方式。

任何一款工業(yè)機器人都只能承載一定范圍的負(fù)荷，否則就會失效，而承載能力是表示機器人工作“力量強度”的指標(biāo)。根據(jù)承載能力可以將工業(yè)機器人劃分為超大型機器人(>1 t)、大型機器人(100 kg～1 t)、中型機器人(10～100 kg)、小型機器人(0.1～10 kg)和超小型機器人(<0.1 kg)。明確了各種類型機器人的承載能力后，就可以根據(jù)實際工作需要選擇合適的類型[3]。

順序信息即機器人軟件程序的機能，是衡量機器人智能水平的1個指標(biāo)，據(jù)此可以分為操縱機械手機器人、單機能機器人、反復(fù)作業(yè)機器人和智能機器人。操縱機械手沒有記憶功能，只能夠直接進行操作；單機能機器人僅具有固定記憶功能，無法進行多種反復(fù)作業(yè)；大部分反復(fù)作業(yè)機器人的作業(yè)程序可以變更，能夠?qū)崿F(xiàn)多種反復(fù)作業(yè)；智能機器人能夠自行處理和決定行動。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

1962年，美國通用汽車公司將第1臺示教工業(yè)機器人投入使用，標(biāo)志著工業(yè)機器人的誕生，之后經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，美國已經(jīng)成為最頂尖的機器人強國之一。起步晚于美國5年的日本在這一領(lǐng)域得到了更為快速的發(fā)展，無論在機器人擁有數(shù)目還是密度上都在世界處于領(lǐng)先地位，成為名副其實的機器人王國。20世紀(jì)90年代中期開始，歐洲和北美的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)在日本機器人發(fā)展的短暫低潮期強大了起來。隨著機器人技術(shù)的日趨成熟，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和智能化程度越來越高，工業(yè)機器人自動化成套裝備已經(jīng)成為自動化作業(yè)的主流方向，工業(yè)機器人的裝機數(shù)和銷售營業(yè)額都有了極大的提升；同時，工業(yè)機器人被推廣到了建筑、采礦和救援等非制造領(lǐng)域。當(dāng)前，國際上知名的工業(yè)機器人公司有日系的安川、OTC、FANUC、松下和川崎等，以及歐系中瑞典的ABB，德國的KUKA、CLOOS，意大利的COMAU及奧地利的IGM公司等[4]。日本安川電機公司于1977年研制出了第1臺全電動工業(yè)機器人，公司的核心產(chǎn)品還包括半導(dǎo)體晶片傳輸機器人，其最早將工業(yè)機器人應(yīng)用到半導(dǎo)體領(lǐng)域。日本FANUC公司成立于1972年，致力于工業(yè)機器人與工廠自動化的研究。公司所研制的R-2000iA系列多功能智能機器人上安裝有視覺傳感器和壓力傳感器，能夠?qū)o序放置的工件撿起并正確裝配起來。瑞典ABB公司于1974年研制的用于搬送物料的工業(yè)機器人IRB6是世界上第1臺能夠?qū)崿F(xiàn)全電控的機器人。德國KUKA公司生產(chǎn)的機器人種類繁多，負(fù)荷為5～1 300 kg，工作領(lǐng)域可小到部件檢測、小部件裝配或打磨等作業(yè)，大到汽車車身側(cè)面加工或貨盤堆垛等較重的作業(yè)。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

工業(yè)機器人可以降低制造成本，減輕勞動強度，同時我國又是世界制造業(yè)大國，因此對工業(yè)機器人的研究與推廣顯得十分迫切。在此背景下，我國于20世紀(jì)70年代對工業(yè)機器人開始展開研究，“七五”期間，我國對基礎(chǔ)技術(shù)、基礎(chǔ)元器件、幾類工業(yè)機器人整機及應(yīng)用工程進行了開發(fā)研究，實現(xiàn)了我國機器人產(chǎn)業(yè)從無到有的跨越。經(jīng)過“八五”和“九五”科技攻關(guān)，我國工業(yè)機器人開始進入實際應(yīng)用階段，而且，“九五”期間在國家“863”項目的支持下，建立了沈陽新松機器人自動化股份有限公司、上海機電一體化工程公司和北京機械工業(yè)自動化所等9個智能機器人主題產(chǎn)業(yè)基地和7個科研基地。90年代后期，我國實現(xiàn)了機器人的商品化，為工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。“十五”期間國內(nèi)工業(yè)機器人的需求以每年15%～20%的速度增長，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大。

國內(nèi)知名機器人企業(yè)與科研機構(gòu)取得了突出的研究成果，例如沈陽新松作為國內(nèi)知名的機器人產(chǎn)業(yè)基地，研制出了RH6弧焊機器人、RD120點焊機器人等工業(yè)機器人及特種機器人。首鋼莫托曼機器人有限公司作為國內(nèi)最主要的機器人生產(chǎn)基地，引進安川UP系列機器人生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)了“SG-MOTOMAN”機器人，并且研制出適用于工業(yè)領(lǐng)域的焊接、裝配、搬運等機器人和機器人工作站。

目前，我國工業(yè)機器人主要是滿足國內(nèi)市場，只有小部分用于出口，并且機器人主要應(yīng)用于國內(nèi)汽車行業(yè)，包括弧焊、點焊、檢測、搬運、研磨拋光和裝配等復(fù)雜作業(yè)，在其他領(lǐng)域仍有廣闊的發(fā)展空間與市場前景。雖然我國發(fā)展水平跟國外仍有一定差距，但是總體而言已經(jīng)基本掌握了工業(yè)機器人設(shè)計、制造及應(yīng)用中的多項關(guān)鍵技術(shù)，工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)得到了長足發(fā)展，在世界工業(yè)機器人領(lǐng)域占有了一席之地。

3 工業(yè)機器人的發(fā)展方向

為了推動工業(yè)機器人的進一步發(fā)展，適應(yīng)新時代的產(chǎn)業(yè)化需求，提出了“敏捷制造”策略?！懊艚葜圃臁钡幕舅枷胧瞧髽I(yè)能迅速以多種形式實現(xiàn)競爭環(huán)境下的敏捷性,主要包括個性化需求滿足、快速反應(yīng)性、低成本、生產(chǎn)系統(tǒng)重組與資源重用等[5]。為此，工業(yè)機器人的發(fā)展呈現(xiàn)出3個方向，即模塊化、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和智能化。

1) 模塊化。所謂模塊化就是為實現(xiàn)產(chǎn)品(系統(tǒng))的總功能，在功能分析的基礎(chǔ)上，將整個產(chǎn)品分解為若干特定模塊，然后通過模塊的不同組合得到不同品種、不同功能的產(chǎn)品，以滿足市場的各種需求[6]。模塊化設(shè)計具有下述幾個優(yōu)點：能夠使機器人便于拆卸，減小安裝空間，方便組件的運送；便于組件的替換，方便維修；通過組件的不同搭配，既可以滿足不同用戶群體的諸多需求，又可以降低制造成本。

2) 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。隨著工業(yè)機器人技術(shù)的日益成熟，機器人不再僅被應(yīng)用于制造業(yè)領(lǐng)域，其也被廣泛地應(yīng)用于非制造業(yè)的各個領(lǐng)域。由于工作環(huán)境復(fù)雜多變，因此對機器人的環(huán)境適應(yīng)性提出了更高的要求，為了適應(yīng)各種惡劣的作業(yè)環(huán)境，需要對機器人的結(jié)構(gòu)進行改進和創(chuàng)新，例如為了服務(wù)于搶險救援場所，仿生足式機器人等新型行走機構(gòu)成為機器人研究的熱點。固定作業(yè)機器人中，為了提高動作靈活度，多關(guān)節(jié)、多自由度的機械臂等直桿機構(gòu)開始出現(xiàn)。

3)智能化。在柔性制造自動化及特殊作業(yè)中，要求機器人要有一定的智能，即檢測功能和判斷功能。為了實現(xiàn)該功能要求，需要大力發(fā)展多傳感器信息融合技術(shù)，通過傳感器獲取的信息與信息庫中存儲的信息進行對照分析，完成檢測識別，進而通過智能系統(tǒng)進行判斷分析，例如在地震救災(zāi)機器人的研制中，為了實現(xiàn)對未知災(zāi)難現(xiàn)場環(huán)境信息的獲取，需要安裝視覺傳感器；為了實現(xiàn)機器人行進中的自主避障，需要安裝紅外測距傳感器等。

4 結(jié)語

工業(yè)機器人的出現(xiàn)是人類科技史上的一個重大成就，如美國和日本等資本主義國家都在工業(yè)機器人領(lǐng)域取得了突出的成績，從而帶動了本國自動化產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，而我國在這一領(lǐng)域尚處于劣勢地位。為了盡快縮短與國外的差距，需要政府大力扶植，發(fā)揮人才優(yōu)勢，在吸取國外先進理論的基礎(chǔ)之上走出一條適合于我國的自主研發(fā)道路，推動我國工業(yè)機器人技術(shù)的飛速發(fā)展，帶動我國經(jīng)濟的發(fā)展。

[1] 孫志杰,王善軍,張雪鑫.工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2011, 27(7):61-62.

[2] 曹文祥,馮雪梅.工業(yè)機器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機械制造，2011,(2):41-43.

[3] 余達太.工業(yè)機器人技術(shù)的現(xiàn)狀及其展望[J].自動化學(xué)報,1987,13(2):1.

[4] 徐方.工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用,2007(5):2-3.

[5] 真彤,祈國寧,吳昭同，等.敏捷制造的總體技術(shù)研究[J].計算機集成制造系統(tǒng),1999,5(3)：1-10.

[6] 單以才.機器人機械操作臂的模塊化設(shè)計及其控制的研究[D].揚州:揚州大學(xué)，2003.

責(zé)任編輯李思文

ResearchStatusandDevelopmentTrendofIndustrialRobot

TIAN Tao1,DENG Shuangcheng2,YANG Zhaolan2,ZHANG Ze1,ZHENG Haiyang3,WANG Fuli2, ZHOU Tangkai2

(1.Beijing University of Technology, Beijing 100124，China; 2. Beijing Institute of Petro-chemical Technology,

Industrial robot is integrated usage of a variety of science and technology, and it′s also the product of highly developed automation technology. Industrial robot is the new high-tech industry after automobile and computer. Industrial robot plays a vital role in promoting the development of production and society. First，the paper introduced the composition of industrial robot, and classified it according to different criteria, second, the research status were compared, and a huge gap between domestic and foreign was presented, last, the paper forecasted its development trend.

industrial robot, automation, high-tech industry, research status, development trend

TP 24

：A

田濤(1988-)，男，碩士研究生，主要從事機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制算法等方面的研究。

2014-08-18