淺談工業(yè)機器人技術在當前的應用及未來發(fā)展

李東安

摘 要：因為計算機技術不斷向智能化方向發(fā)展，工業(yè)機器人技術應用領域向更深程度發(fā)展，已成為一種高新技術產(chǎn)業(yè)，為當前工業(yè)自動化水平發(fā)揮了巨大作用，對未來生產(chǎn)和發(fā)展起越來越重要的作用，而機器人技術應用情況也是一個國家工業(yè)自動化水平高低的重要標志。

關鍵詞：機器人技術；生產(chǎn)；應用；發(fā)展

在20世紀50年代末期，美國采用自動控制和伺服機構等基礎技術上，開發(fā)出了具備獨立通用性工業(yè)用自動化操作裝置，并將這種操作裝置稱之為工業(yè)機器人。

一、機器人是什么

機器人是一種自動化的機器，核心部分是它的大腦——控制器。它不但具備有感知功能、規(guī)劃功能、動作功能、協(xié)同功能和高度的靈活性功能，而且還可模擬人類的行為、思想，以及模擬其他生物的機械。

二、發(fā)展工業(yè)機器人的理由

發(fā)展工業(yè)機器人的理由存在三個方面：

一是惡劣工作環(huán)境及危險工作；

二是特殊作業(yè)場合和極限作業(yè)；

三是自動化生產(chǎn)領域。

人類不愿意做的事情可以交給機器人去做，比如說對人體有害的、有毒的、或高溫危險的，機器人可以把人類從這樣惡劣的作業(yè)環(huán)境中解放出來。

人類不好做的活可以讓機器人去做，比如生產(chǎn)汽車類部件的產(chǎn)線上，工人們天天手持一百多公斤的焊鉗，一天焊幾千個點，就重復性作業(yè)而言，一個是工人耗體力，二個是產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量難達到要求。

人類做不了的工作可以讓機器人去做，這也是發(fā)展機器人非常重要的一個理由，比如說人類對太空的認識和無窮無盡的探索，當人類上不去的時候，可控制機器人上太空，上月球，或深入海洋等代替人類進行探索，都是人類不可達的工作。

三、工業(yè)機器人組成結構

機器人主體、控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)三大基本部分組成了工業(yè)機器人結構。機座和執(zhí)行機構來組成機器人主體，其中包含了腕部、臂部以及手部。

大多數(shù)工業(yè)機器人都設計有機械行走機構，包含有3至6個運動軸自由度，其中腕部就有1至3個運動軸自由度。機器人控制系統(tǒng)則由編程語言所輸入的程序?qū)?zhí)行機構及驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)送指令信號并進行控制。傳動機構和動力裝置組成驅(qū)動系統(tǒng)，用來執(zhí)行所產(chǎn)生相應的機構動作。

四、工業(yè)機器人技術特點

工業(yè)機器人技術特點有以下幾個：

（一）擬人化

在結構上工業(yè)機器人已設計有形似人類行走、大臂、小臂、手腕、手爪、腰轉(zhuǎn)等肢體，計算機是控制系統(tǒng)的主要載體。另外，智能化機器人還具有類似于人類體態(tài)的“生物傳感器”，比如說語言功能、聲覺傳感器、視覺傳感器、力度傳感器、負載傳感器、接觸傳感器等。

（二）可編程

柔性自動化是生產(chǎn)自動化的進一步發(fā)展?？筛鶕?jù)工作環(huán)境的變化需要而對工業(yè)機器人進行在線或離線的編程，因此工業(yè)機器人在小批量以及多品種自動化生產(chǎn)制造過程中可以發(fā)揮較好的作用，也是組成柔性制造系統(tǒng)中一個重要部分。

（三）通用性

通用性是一般的工業(yè)機器人在執(zhí)行不一樣的作業(yè)任務時必須具備的。比方說，在更換了工業(yè)機器人法蘭盤末端操作器（夾具、工具等）情況下都可執(zhí)行不一樣的作業(yè)任務。

五、工業(yè)機器人技術在當前的應用

工業(yè)機器人技術當前被廣泛應用在工業(yè)、軍事、醫(yī)療、科研、娛樂、生活等領域方面，尤其是在工業(yè)制造生產(chǎn)中，工業(yè)機器人可替代人類去執(zhí)行長時間單調(diào)、頻繁重復性的作業(yè)，甚至環(huán)境惡劣、危險下作業(yè)，比如在鋼鐵材料熱處理、沖壓鑄造、焊接、涂裝、塑料成形、機加工等工序上，機器人都可以替代人類來完成對人體有害物料的搬運、噴涂等加工工藝操作。而且在六十年代初期，美國又成功開發(fā)出新型工業(yè)機器人，并廣泛應用在工業(yè)生產(chǎn)中；根據(jù)相關機構統(tǒng)計，美國有60%的工業(yè)機器人被應用在汽車工業(yè)生產(chǎn)中；而同時，全世界被應用于汽車工業(yè)生產(chǎn)中的機器人數(shù)量達到了總使用量的37%，而總使用量的24%用于制造汽車零部件方面。

工業(yè)機器人技術所具備的通用性和靈活性，大程度上能適應多品種及大批量的生產(chǎn)。從上世紀70年代起，人類就巧妙的把數(shù)字化控制機床和機器人結合構成了數(shù)字化柔性制造單元或數(shù)字化柔性集成制造系統(tǒng)的重要組成部分。

六、工業(yè)機器人技術在未來的發(fā)展

《機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》日前發(fā)布，明確提出“十三五”期間機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖。未來的機器人將更加注重解決社會及產(chǎn)業(yè)問題，服務國計民生。既要做人類所做不到的事，又要提高效率；除了在某個領域扮演“專家”既要有的專業(yè)水準，又能當好“萬金油”角色。未來協(xié)作型機器人也將出現(xiàn)，可根據(jù)需要增減機器人關節(jié)數(shù)量更換工具，實現(xiàn)對不同作業(yè)任務的應用。工業(yè)機器人技術涉及到很多交叉性學科技術知識，比如說電子、計算機、機械、控制技術、傳感技術、仿生學、人工智能以及生命科學等，可以說工業(yè)機器人技術發(fā)展和進步也依賴于這些相關學科技術知識。綜合來說，工業(yè)機器人未來發(fā)展趨勢有幾個方面：

（一）機器人智能化

未來發(fā)展的一個重要方向就是使機器人智能化，可分為以下兩個研究層次去考慮機器人智能化：

一是使機器人模擬人類的智能行為，解決不確定、非線性、復雜的自動化問題。

二是更高檔次智能化，即機器人具有與人類類似的邏輯推理和問題求解能力的思維，在面對非常態(tài)結構環(huán)境能自主尋求解決方案并加以執(zhí)行。

（二）機器人多機協(xié)調(diào)化

多機協(xié)調(diào)可以認為是智能化的一個分支。智能化自動生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，對機器人的多機協(xié)調(diào)化作業(yè)精確度要求也越來越高。現(xiàn)在很多智能制造生產(chǎn)線上要求多臺機器人共同完成一個產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，所以每一個機器人就不再是單控制作業(yè)，應該是需要多機協(xié)調(diào)控制動作共同完成。因此，要求多個機器人之間、機器人和生產(chǎn)系統(tǒng)之間必須協(xié)調(diào)作業(yè)。

（三）機器人標準化

重要而又艱巨的任務就是使機器人標準化。相對生產(chǎn)制造業(yè)的發(fā)展來說必須要做到機器人標準化，但是機器人廠家之間的不同導致很難進行通信和零部件互換。機器人標準化不單單是技術層面的問題，也涉及到企業(yè)與企業(yè)之間的認同和利益問題。

（四）機器人模塊化

智能機器人結構應盡最大努力做到簡單緊湊，把模塊化發(fā)展到整機結構設計以及它的高性能部件上。選用交流伺服電動機作為驅(qū)動，向小型和高輸出方向發(fā)展；其控制裝置、編程軟件也要向小型化、智能化以及模塊化發(fā)展。

（五）機器人微型化

微型化機器人屬于21世紀頂端技術之一。目前已開發(fā)出人類手指大小的微型機器人，最終目標是把設計尺寸控制在毫米級以下的微型移動機器人甚至直徑為幾百微米或更小微型機器人。

七、機器人技術在國內(nèi)領域中存在的問題

中國目前在機器人技術領域雖然在部分方面達到了世界先進水準，但是總體上依舊遠遠落后于國際領先水平。其原因我認為有如下幾點：

1）中國在工業(yè)機器人技術的領域地位上落后。20世紀60年代初提出工業(yè)機器人的概念之后美國日本就開始進行工業(yè)機器人的開放和研究，而中國是直到20世紀8O年代初才開始起步，從這一點就可以看出中國已經(jīng)落后了30年左右的時間。不僅如此，在20世紀80年代起步時期，中國也因資金匱乏，在工業(yè)機器人技術領域研發(fā)中一直進展緩慢，導致落后更為嚴重。

2）鑒于歷史原因，中國工業(yè)機器人技術水平落后于世界先進水平，所研發(fā)生產(chǎn)的工業(yè)機器人可靠性不高，先進工業(yè)機器人仍是依靠從國外進口，進口工業(yè)機器人成本較高，大部分企業(yè)以及單位無法承受這么高的成本。

因此，中國的工業(yè)機器人銷路并不發(fā)達，沒有市場的推動，導致中國工業(yè)機器人的研發(fā)進展緩慢。

3）當前，中國仍無大規(guī)模機器人產(chǎn)業(yè)的制造商，無法形成產(chǎn)業(yè)鏈，在國際競爭中會使國產(chǎn)工業(yè)機器人處于劣勢地位而制約中國工業(yè)機器人技術的發(fā)展。

4）中國精加工行業(yè)比較薄弱，無法滿足生產(chǎn)先進工業(yè)機器人所需要的加工精度，大大制約了國產(chǎn)工業(yè)機器人的發(fā)展。

5）從國家角度來說，中國目前待業(yè)人口比較多，尤其農(nóng)民工偏多。工人在工廠主要從事一些體力勞動，一旦盲目大量引入工業(yè)機器人必將會導致失業(yè)人口增加，失業(yè)人口過多則嚴重影響社會安定。

因此，我認為我國的工業(yè)機器人行業(yè)在發(fā)展道路上要充分考慮到以下幾點情況：

第一：我國工廠自動化生產(chǎn)發(fā)展必然趨向于工業(yè)機器人技術，國家對國產(chǎn)工業(yè)機器人應當有更多的策略與經(jīng)濟支持，引進國外高新技術與人才，加強資金投入與建設。

第二：批量生產(chǎn)滿足多運動關節(jié)工業(yè)機器人、并聯(lián)機器人、移動機器人的本體，使國產(chǎn)工業(yè)機器人在焊接、搬運、噴涂、加工、裝配、檢測、清潔生產(chǎn)等領域?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；蓱?。

第三：繼續(xù)研發(fā)滿足智能自動化制造生產(chǎn)需求，滿足小批量個性化定制制造、柔性制造相適應，能夠完成動態(tài)、復雜作業(yè)使命，能夠與人類協(xié)同作業(yè)的新一代機器人。

八、結束語

工業(yè)機器人被應用不僅僅能提高產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量，更大程度上改善了勞動環(huán)境，保障了人身安全，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率，以及節(jié)省了原材料消耗等。從制造業(yè)擴大到其他非制造業(yè)，應用范圍在不斷地擴大，例如建筑業(yè)機器人、采礦機器人以及水電系統(tǒng)維修維護機器人等應用到各種非制造行業(yè)當中。此外，在工業(yè)、軍事、科研、醫(yī)療、娛樂、生活等領域方面都應用工業(yè)機器人，例如警備機器人、醫(yī)療機器人、機器人偵察機、家政服務機器人等已有應用實例。與計算機網(wǎng)絡技術一樣，工業(yè)機器人被廣泛應用也日益改變著人類的生活和生產(chǎn)方式。因此，工業(yè)機器人未來發(fā)展是十分樂觀的，也是人類機械化提高的一個重要標志。在新的世紀里，工業(yè)機器人行業(yè)在應用上必定得到更快速、更廣泛的發(fā)展。

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