工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)綜述

余天榮

摘 要 工業(yè)機(jī)器人既是先進(jìn)制造業(yè)的關(guān)鍵支撐裝備，大力發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，對于打造中國制造新優(yōu)勢，推動(dòng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級，加快制造強(qiáng)國建設(shè)具有重要意義。文章概述工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，核心內(nèi)容，以及未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞 工業(yè)機(jī)器人;關(guān)鍵技術(shù);現(xiàn)狀;趨勢

1工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)主要指的是四大核心零部件的技術(shù)：減速器、電機(jī)、伺服、系統(tǒng)。機(jī)器人的基礎(chǔ)技術(shù)與智能制造其他領(lǐng)域的技術(shù)有著諸多共性，發(fā)展國產(chǎn)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)對推動(dòng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級，解決勞工荒、人工成本快速上漲等現(xiàn)實(shí)問題有重要的意義。

目前我國機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)取得了一定的進(jìn)步，但與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，還存在較大差距。主要表現(xiàn)在：關(guān)鍵技術(shù)起步晚，基礎(chǔ)弱;核心零部件依賴進(jìn)口;核心技術(shù)創(chuàng)新能力薄弱等。核心零部件長期依賴進(jìn)口的局面短期內(nèi)依然難以改變，導(dǎo)致國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)成本壓力大，也限制了國內(nèi)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和成長[1]。

2工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

2.1 本體設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

（1）傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

擬定總體方案，確定機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式，并據(jù)此進(jìn)行初步的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，三維建模。要求設(shè)計(jì)者對機(jī)器人常見的結(jié)構(gòu)形式，常見的傳動(dòng)原理和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，減速器的類型和特點(diǎn)非常的熟悉和了解，要有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力和經(jīng)驗(yàn)。

（2）減速器選型

要對減速器的結(jié)構(gòu)類型，性能參數(shù)的含義有深刻理解，會(huì)對減速器進(jìn)行選型和計(jì)算校核。要會(huì)對減速器進(jìn)行檢測、測試，檢測的內(nèi)容主要包括噪音、抖動(dòng)、輸出扭矩、扭轉(zhuǎn)剛度、背隙、重復(fù)定位精度和定位精度等。

減速器的振動(dòng)會(huì)引起機(jī)器人末端的抖動(dòng)，降低機(jī)器人的軌跡精度。減速器振動(dòng)有多種原因，其中共振是共性的問題，機(jī)器人企業(yè)必須掌握抑制或者避免出現(xiàn)共振的方法。

（3）電機(jī)選型

必須要對電機(jī)的工作特性非常了解，并會(huì)對電機(jī)扭矩、功率、慣量進(jìn)行計(jì)算和校核。

（4）仿真分析

進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的仿真分析，對電機(jī)、減速器的選型校核，對本體零部件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度校核，降低本體重量，提高機(jī)器人工作效率，降低成本。對三維模型進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算出固有頻率，有助于進(jìn)行共振抑制。

（5）可靠性設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用最簡化設(shè)計(jì)原則;本體鑄鐵件采用綜合性能較好的球墨鑄鐵材料，鑄鋁件采用流動(dòng)性好的鑄造材料，采用金屬模鑄造;裝配要有詳細(xì)的裝配工藝指導(dǎo)書，裝配過程中有部件和單軸的測試;裝配完后要有整機(jī)性能測試和耐久拷機(jī)測試;提高整機(jī)的防護(hù)等級設(shè)計(jì)，提高電柜的抗干擾能力，以適用不同工作環(huán)境的使用。

2.2 電機(jī)伺服關(guān)鍵技術(shù)

（1）電機(jī)

①輕量化

對機(jī)器人來說，電機(jī)的尺寸和重量非常敏感，通過高磁性材料優(yōu)化、一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)、加工裝配工藝優(yōu)化等技術(shù)的研究，提高伺服電機(jī)的效率，減小電機(jī)空間尺寸和降低電機(jī)重量，是機(jī)器人電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

②高速

在減速比不能較大調(diào)整的情況，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速則直接影響著機(jī)器人的末端速度和工作節(jié)拍;而且速比太低會(huì)影響電機(jī)的慣量匹配，因此提高電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速也是機(jī)器人電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

③直驅(qū)、中空

隨著協(xié)作機(jī)器人的不斷成熟和推廣，機(jī)器人結(jié)構(gòu)的輕量化、緊湊化要求提高，發(fā)展高力矩直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)、盤式中空電機(jī)等機(jī)器人專用電機(jī)也是未來的趨勢。

（2）伺服

①快速響應(yīng)，精確定位

伺服的響應(yīng)時(shí)間直接影響到機(jī)器人的快速起停效果，影響機(jī)器人的工作效率和節(jié)拍。

②無傳感器方式實(shí)現(xiàn)彈性碰撞

安全性是衡量機(jī)器人性能的一個(gè)重要指標(biāo)。加入力或力矩傳感器會(huì)使結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，成本更高，基于編碼器、電機(jī)電流耦合關(guān)系的無傳感彈性碰撞技術(shù)，可以在不改變本體結(jié)構(gòu)，不增加本體成本的條件下，在一定程度上提高機(jī)器人的安全性。

③驅(qū)動(dòng)多合一、驅(qū)控一體

驅(qū)動(dòng)多合一，多核CPU多軸驅(qū)控一體化集成技術(shù)，提高系統(tǒng)性能，降低驅(qū)動(dòng)體積與成本。

④在線自適應(yīng)抖振抑制

工業(yè)機(jī)器人懸臂結(jié)構(gòu)極易在多軸聯(lián)動(dòng)、重載及快速起停時(shí)引起抖動(dòng)。機(jī)器人本體剛度要與電機(jī)伺服剛度參數(shù)相匹配，剛度過高，會(huì)造成振動(dòng)，剛度過低會(huì)造成起停反應(yīng)緩慢。機(jī)器人在不同的位置和姿態(tài)，以及在不同的工裝負(fù)載下剛度都不一樣，很難通過提前設(shè)置伺服剛度值能滿足所有工況的需求。在線自適應(yīng)抖振抑制技術(shù)，提出免參數(shù)調(diào)試的智能控制策略，同時(shí)兼顧剛度匹配、抖振抑制的需求，可以抑制機(jī)器人末端抖動(dòng)，提高末端定位精度。

2.3 控制關(guān)鍵技術(shù)

（1）運(yùn)動(dòng)解算及軌跡規(guī)劃

運(yùn)動(dòng)求解，最佳路徑規(guī)劃，提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度和工作效率。

（2）動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償

一般工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)串聯(lián)懸臂式結(jié)構(gòu)，剛性弱，運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，容易發(fā)生變形和抖動(dòng)，是一個(gè)需要運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的課題。為了改善機(jī)器人的動(dòng)態(tài)性能和提高運(yùn)動(dòng)精度，機(jī)器人控制系統(tǒng)必須建立動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償。補(bǔ)償?shù)膬?nèi)容主要包括重力補(bǔ)償、慣量補(bǔ)償、摩擦補(bǔ)償、耦合補(bǔ)償?shù)取?/p>

（3）標(biāo)定補(bǔ)償

機(jī)器人機(jī)械本體由于加工誤差和裝配誤差的原因，難以避免會(huì)和理論數(shù)學(xué)模型存在偏差，會(huì)降低機(jī)器人TCP精度和軌跡精度，如在焊接和離線編程使用時(shí)會(huì)受到嚴(yán)重影響。通過檢測和算法標(biāo)定補(bǔ)償機(jī)器人的模型參數(shù)，可以較好地解決此問題。

（4）工藝包完善

控制系統(tǒng)要與實(shí)際工程應(yīng)用相結(jié)合，系統(tǒng)除不斷升級，功能更加強(qiáng)大外，還要根據(jù)行業(yè)應(yīng)用的需求不斷開發(fā)和完善工藝包，有利于積累行業(yè)工藝經(jīng)驗(yàn)，對客戶來說使用更方便，操作更簡單，效率更高[2]。

3工業(yè)機(jī)器人技術(shù)未來的發(fā)展趨勢

3.1 人機(jī)協(xié)作

隨著機(jī)器人從與人保持距離作業(yè)向與人自然交互并協(xié)同作業(yè)方面發(fā)展。拖動(dòng)示教、人工教學(xué)技術(shù)的成熟，使得編程更簡單易用，降低了對操作人員的專業(yè)要求，熟練技工的工藝經(jīng)驗(yàn)更容易傳遞。

3.2 自主化

目前機(jī)器人從預(yù)編程、示教再現(xiàn)控制、直接控制、遙操作等被操縱作業(yè)模式向自主學(xué)習(xí)、自主作業(yè)方向發(fā)展。智能化機(jī)器人可根據(jù)工況或環(huán)境需求，自動(dòng)設(shè)定和優(yōu)化軌跡路徑、自動(dòng)避開奇異點(diǎn)、進(jìn)行干涉與碰撞的預(yù)判并避障等。

3.3 智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化

越來越多的3D視覺、力傳感器會(huì)使用到機(jī)器人上，機(jī)器人將會(huì)變得越來越智能化。隨著傳感與識(shí)別系統(tǒng)、人工智能等技術(shù)進(jìn)步，機(jī)器人從被單向控制向自己存儲(chǔ)、自己應(yīng)用數(shù)據(jù)方向發(fā)展，逐漸信息化。隨著多機(jī)器人協(xié)同、控制、通信等技術(shù)進(jìn)步，機(jī)器人從獨(dú)立個(gè)體向相互聯(lián)網(wǎng)、協(xié)同合作方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐方.工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2007， 30（05）：2-4.

[2] 吳振彪.工業(yè)機(jī)器人[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，2006：200.