基于系統(tǒng)動力學(xué)的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑研究

王尊

摘要：工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)作為新興產(chǎn)業(yè)的代表，是實現(xiàn)制造強國戰(zhàn)略的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是帶動中國經(jīng)濟發(fā)展的新引擎，具有高風(fēng)險、高投入、高產(chǎn)值等特點，在新時期，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展也呈現(xiàn)出新的規(guī)律，受到了我國政府和專家學(xué)者的關(guān)注。研究機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本特征、內(nèi)涵、要素、結(jié)構(gòu)以及作用路徑，有助于揭示機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最優(yōu)路徑。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)動力學(xué);工業(yè)機器人;產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑

1系統(tǒng)動力學(xué)簡介分析

（簡稱SD—systemdynamics）的出現(xiàn)于1956年，創(chuàng)始人為美國麻省理工學(xué)院（MIT）的福瑞斯特（J.W.Forrester）教授。系統(tǒng)動力學(xué)（systemdynamics）運用“凡系統(tǒng)必有結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定系統(tǒng)功能”的系統(tǒng)科學(xué)思想，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部組成要素互為因果的反饋特點，從系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來尋找問題發(fā)生的根源，而不是用外部的干擾或隨機事件來說明系統(tǒng)的行為性質(zhì)。系統(tǒng)動力學(xué)對問題的理解，是基于系統(tǒng)行為與內(nèi)在機制間的相互緊密的依賴關(guān)系，并且透過數(shù)學(xué)模型的建立與操弄的過程而獲得的，逐步發(fā)掘出產(chǎn)生變化形態(tài)的因、果關(guān)系，系統(tǒng)動力學(xué)稱之為結(jié)構(gòu)。

2系統(tǒng)動力學(xué)工業(yè)機器人模擬仿真研究

工業(yè)機器人動力學(xué)可以分為動力學(xué)正問題與逆問題兩大部分.動力學(xué)正問題即為在已經(jīng)得知機器人執(zhí)行器的驅(qū)動力的情況下來計算關(guān)節(jié)移動、速度與加速度等數(shù)據(jù);動力學(xué)逆問題即為在已經(jīng)得知機器人關(guān)節(jié)位移、速度與加速度的情況來計算機器人執(zhí)行器的驅(qū)動力.主要對動力學(xué)逆問題進行研究.一般工業(yè)機器人動力學(xué)研究方式包括牛頓-歐拉法、高斯法等，不同的方法擁有不同的特點與優(yōu)勢.現(xiàn)針對拉格朗日法進行探析。

任何機械系統(tǒng)中下列等式成立：

在式（1）中，L為拉格朗日函數(shù)，K為系統(tǒng)總動能，P為系統(tǒng)總勢能.

系統(tǒng)動力學(xué)狀態(tài)的拉格朗日方程為：

在（2）中，L即為拉格朗日函數(shù)，n為機器人連桿數(shù)量，qi為廣義坐標(biāo)，q·為廣義速度.工業(yè)機器人動力學(xué)方程的計算步驟如下：第一，計算求解某一連桿質(zhì)點的速度;第二，計算求解各個連桿的動能與總動能;第三，計算求解各個連桿的位能與總位能;第四，建立機器人拉格朗日方程;第五，計算求知得出動力學(xué)方程.現(xiàn)羅列機器人總動能、機器人系統(tǒng)總位能公式。

為從上述公式可以看出，工業(yè)機器人的動力學(xué)方程十分復(fù)雜，如果想通過人工計算來獲得機器人在空間位置中運動關(guān)節(jié)的力矩分布或計算工業(yè)機器人某一條路徑上的力矩難度很高，利用仿真軟件來對其進行仿真計算則相對更加簡便。在眾多虛擬樣機仿真軟件當(dāng)中，ADAMS是其中較為杰出的一種。

在使用過程中首先要建立機械系統(tǒng)動力學(xué)模型;該軟件采用拉格朗日法來建立動力學(xué)方程;在經(jīng)過各種計算與分析后，得出位移、速度等各種指標(biāo)曲線;ADAMS能夠?qū)ο到y(tǒng)性能進行預(yù)測，進行峰值載荷求解等.傳統(tǒng)工業(yè)機器人動力開發(fā)周期長，節(jié)奏緩慢，投入成本高，產(chǎn)品質(zhì)量難以得到顯著提升.而使用ADAMS軟件則可以對機器人在各種工作狀態(tài)下的運動進行進行模擬仿真，以便第一時間完整全面地掌握機器人的各項指標(biāo)信息，以便找出隱藏的問題進行修改，一直到獲得安全可靠的設(shè)計方案。

因此，在進行樣機的設(shè)計開發(fā)過程中為了實現(xiàn)最佳的效果則可以利用計算機仿真技術(shù)ADAMS來進行處理，其可以通過持續(xù)的虛擬樣機試驗來獲得安全可靠的設(shè)計方案，以降低開發(fā)設(shè)計成本，減少開發(fā)時間.建立虛擬樣機模型首先要建立機器人虛擬模型，然后將模型導(dǎo)入ADAMS當(dāng)中，進而在ADAMS環(huán)境中進行建模.建模過程如下：

第一，設(shè)置工作環(huán)境;第二，給機器人的部件進行命名與定義，并且確定其質(zhì)量信息;第三，施加荷載，機器人肘部上裝設(shè)了送絲部件，質(zhì)量大約為6kg，因此使用ADAMS中的單向力荷載在機器人肘部上位置加60N負(fù)載.機器人末端裝設(shè)了焊槍，質(zhì)量為3kg，因此可以在機器人末端施工30N載荷模擬負(fù)載;第四，在機器人關(guān)節(jié)角度裝設(shè)傳感器裝置，利用sensor來設(shè)置其轉(zhuǎn)動范圍與距離;第五，驗證模型，對建立的模型進行驗證，核對其正確性，是否存在冗余約束.

3基于系統(tǒng)動力學(xué)的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑研究

機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展所受到的影響因素主要有人力、經(jīng)費、創(chuàng)新環(huán)境和科技等，然而一些研究指出，時間跨度如果較短，那么對機器人發(fā)展產(chǎn)生顯著影響的要素就是企業(yè)創(chuàng)新活動。所以，在本次研究中，可以將創(chuàng)新要素當(dāng)成本系統(tǒng)的關(guān)鍵驅(qū)動，并可以據(jù)此對該產(chǎn)業(yè)差異性的創(chuàng)新環(huán)境所對應(yīng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展變化展開相應(yīng)的模擬分析。在完成上述工作之后，還需要借助動力學(xué)方法，對系統(tǒng)內(nèi)部諸多變量及其不同子系統(tǒng)之間的因果關(guān)系進行定性分析。這也可以利用VENSIM軟件系統(tǒng)繪制相關(guān)變量的反饋機制，并構(gòu)建相應(yīng)的模型結(jié)構(gòu)。

機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平主要體現(xiàn)在產(chǎn)品銷售收入，目前，機器人產(chǎn)業(yè)又分為三種，第一種是機器人系統(tǒng)集成，第二種是機器人本體，第三種是機器人關(guān)鍵零部件。機器人系統(tǒng)集成是為最終用戶提供機器人系統(tǒng)解決方案，通過利用已有機器人本體，為不同行業(yè)用戶提供集成服務(wù)，位于產(chǎn)業(yè)鏈的下游應(yīng)用端。目前，其發(fā)展已經(jīng)到了一個“分水嶺”，有逐步向機器人本體領(lǐng)域延伸的趨勢。對機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展進行系統(tǒng)分類梳理，可以避免產(chǎn)業(yè)一刀切，有助于研究機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的不同階段、不同路徑。

在產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，國家產(chǎn)業(yè)政策在全方位支持機器人系統(tǒng)集成、機器人本體和關(guān)鍵零部件產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時，應(yīng)優(yōu)先重點支持機器人系統(tǒng)集成產(chǎn)業(yè)發(fā)展，同時重點布局機器人本體和關(guān)鍵零部件研發(fā)。在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中期及以后較長時間，建議機器人系統(tǒng)集成產(chǎn)業(yè)發(fā)展交給市場，國家產(chǎn)業(yè)政策應(yīng)重點支持機器人本體和關(guān)鍵零部件研發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，特別是“十三五”后期，應(yīng)更加聚焦基礎(chǔ)零部件、基礎(chǔ)制造工藝和基礎(chǔ)材料等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)研發(fā)，為制造強國建設(shè)奠定堅實基礎(chǔ)。

4結(jié)語

系統(tǒng)動力學(xué)應(yīng)用范圍日益擴大，幾乎遍及各個領(lǐng)域，逐漸形成了比較成熟的新學(xué)科——系統(tǒng)動力學(xué)。機器人的應(yīng)用大力推動了世界工業(yè)的發(fā)展.近幾年來，機器人研究領(lǐng)域?qū)C器人的動力、控制、技術(shù)等方面的研究取得了眾多的令人矚目的成果.相信在未來伴隨著計算機技術(shù)、智能化控制技術(shù)的發(fā)展，機器人技術(shù)領(lǐng)域?qū)碛芯薮蟮陌l(fā)展空間，實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

參考文獻：

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（作者單位：ABB（中國）有限公司遼寧分公司）