小型工業(yè)機器人的設計狀況與前景

小型工業(yè)機器人的設計狀況與前景

????? 工業(yè)機器人、機械手在先進制造技術(shù)領域中扮演著極其重要的角色，是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設備，是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務， 在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。機械手技術(shù)涉及到力學、機械學、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學領域，是一門跨學科綜合技術(shù)。

　　? 1 國內(nèi)外設計狀況

　　? 1.1 機器人領域

　　? 機器人技術(shù)與信息技術(shù)一樣，在強化產(chǎn)業(yè)競爭力方面是極為重要的戰(zhàn)略技術(shù)領域。機器人是先進制造技術(shù)和自動化裝備的典型代表， 是人造機器的“終極”形式。它涉及到機械、電子、自動控制、計算機、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡等多個學科和領域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成，因此它的發(fā)展與眾多學科發(fā)展密切相關(guān)。一方面， 機器人在制造業(yè)應用的范圍越來越廣闊，其標準化、模塊化、網(wǎng)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(shù)和裝備的方向發(fā)展;另一方面，機器人向著非制造業(yè)應用發(fā)展以及微小型方向發(fā)展，并將服務于人類活動的各個領域?？傮w趨勢是，從狹義的機器人概念向廣義的機器人技術(shù)概念轉(zhuǎn)移，從工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)向解決方案業(yè)務的機器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機器人技術(shù)的內(nèi)涵已變?yōu)椤办`活應用機器人技術(shù)的、具有在實世界動作功能的智能化系統(tǒng)”。

　　? 工業(yè)機器人由操作機(機械本體) 、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)工成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率， 改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。

　　? 機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動， 而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置， 既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力， 又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力， 從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物， 它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設備， 也是先進制造技術(shù)領域不可缺少的自動化設備.

　　? 1.2 機械手領域

　　? 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特 點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務， 在構(gòu)造和性能上 兼有人和機器各自的優(yōu)點， 尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機 械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力， 在國民經(jīng)濟 各領域有著廣闊的發(fā)展前景。機械手技術(shù)涉及到力學、機械學、 電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科 學領域， 是一門跨學科綜合技術(shù)。

　　? 2 工業(yè)機器人的研究趨勢

　　? 目前， 國外機器人技術(shù)正在向智能機器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展， 其現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

　　? (1) 工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠 性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97 年的6.5萬美元。

　　? (2)機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化;由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人 產(chǎn)品問市。

　　? (3)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu); 大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和 可維修性。

????? (4)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。

　　? (5)機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來， 這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一， 紛紛探索開拓其實際應用的領域。

　? 　3 有關(guān)工業(yè)機械手的設計技術(shù)

　　? 3.1 機器人機構(gòu)技術(shù)

　　? 目前已經(jīng)開發(fā)出了多種類型機器人機構(gòu)， 運動自由度從3自由度到7或8自由度不等，其結(jié)構(gòu)有串聯(lián)、并聯(lián)及垂直關(guān)節(jié)和平面關(guān)節(jié)多種。目前研究重點是機器人新的結(jié)構(gòu)、功能及可實現(xiàn)性，其目的是使機器功能更強、柔性更大、滿足不同目的的需求。另外研究機器人一些新的設計方法， 探索新的高強度輕質(zhì)材料，進一步提高負載/自重比。同時機器人機構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。

　? 　3.2 機器人控制技術(shù)

　　? 現(xiàn)已實現(xiàn)了機器人的全數(shù)字化控制，控制能力可達21軸的協(xié)調(diào)運動控制;基于傳感器的控制技術(shù)已取得了重大進展。目前重點研究開放式、模塊化控制系統(tǒng)，人機界面更加友好，具有良好的語言及圖形編輯界面。同時機器人的控制器的標準化和網(wǎng)絡化以及基于Pc機網(wǎng)絡式控制器已成為研究熱點。編程技術(shù)除進一步提高在線編程的可操作性之外， 離線編程的實用化將成為重點研究內(nèi)容。

　　? 3.3 數(shù)字伺服驅(qū)動技術(shù)

　　? 機器人已經(jīng)實現(xiàn)了全數(shù)字交流伺服驅(qū)動控制，絕對位置反饋。目前正研究利用計算機技術(shù)，探索高效的控制驅(qū)動算法，提高系統(tǒng)的響應速度 和控制精度;同時利用現(xiàn)場總線(PROFIBUS)技術(shù)，實現(xiàn)的分布式控制。

　　? 3.4 多傳感系統(tǒng)技術(shù)

　　? 為進一步提高機器人的智能和適應性， 多種傳感器的應用是其問題解決的關(guān)鍵。目前視覺傳感器、激光傳感器等已在機器人中成功應用。下一步的研究熱點集中在有效可行的(特別是在非線性及非平穩(wěn)非正態(tài)分布的情形下)多傳感器融合算法， 以及解決傳感系統(tǒng)的實用化問題。

　　? 3.5 機器人應用技術(shù)

　　? 機器人應用技術(shù)主要包括機器人工作環(huán)境的優(yōu)化設計和智能作業(yè)。優(yōu)化設計主要利用各種先進的計算機手段， 實現(xiàn)設計的動態(tài)分析和仿真， 提高設計效率和優(yōu)化。智能作業(yè)則是利用傳感器技術(shù)和控制方法， 實現(xiàn)機器人作業(yè)的高度柔性和對環(huán)境的適應性， 同時降低操作人員參與的復雜性。目前， 機器人的作業(yè)主要靠人的參與實現(xiàn)示教， 缺乏自我學習和自我完善的能力。這方面的研究工作剛剛開始。

　? 　3.6 機器人網(wǎng)絡化技術(shù)

　　? 網(wǎng)絡化使機器人由獨立的系統(tǒng)向群體系統(tǒng)發(fā)展， 使遠距離操作監(jiān)控、維護及遙控腦型工廠成為可能， 這是機器人技術(shù)發(fā)展的一個里程碑。目前， 機器人僅僅實現(xiàn)了簡單的網(wǎng)絡通訊和控制， 網(wǎng)絡化機器人是目前機器人研究中的熱點之一。

　? 　3.7 機器人靈巧化和智能化發(fā)展

　　? 機器人結(jié)構(gòu)越來越靈巧， 控制系統(tǒng)愈來愈小， 其智能也越來越高， 并正朝著一體化方向發(fā)展。

　??? 3.8 工業(yè)機器人的技術(shù)發(fā)展趨勢

　　? 機器人是最典型的機電一體化裝備，技術(shù)附加值很高，應用范圍很廣，作為先進制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會的新興產(chǎn)業(yè)，將對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展起越來越重要的作用。從近幾年世界機器人推出的產(chǎn)品來看，工業(yè)機器人技術(shù)正在向智能機器和智能系統(tǒng)的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要為結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化，控制技術(shù)的開放化、PC化和網(wǎng)絡化，伺服驅(qū)動技術(shù)的數(shù)字化和分散化，多傳感器融合技術(shù)的實用化，工作環(huán)境設計的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化，以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡化和智能化等方面。

　? 　4 新興技術(shù)在機器人上的應用

　　? 4.1 微機在機器人上的應用

　　? 微操作系統(tǒng)作為MEMS研究領域的一個重要分支受到各發(fā)達國家的高度重視， 紛紛投入大量資金進行微操作機器人系統(tǒng)的研究， 現(xiàn)已研制出多種各具特色的微操作機器人實驗樣機系統(tǒng)。大多數(shù)工業(yè)機器人是按照給定的程序做簡單重復的動作(如焊接、裝配、搬運等)， 不需要太強的智能。而對于微操作機器人來說，情況就有很大不同。因為被操作對象十分微小， 操作人員不可能十分清楚它們的精確位置， 況且外界環(huán)境的變化使得它們的相對位置不定，微觀世界里的物理法則及力學特性與宏觀世界也大相徑庭， 這就要求機器人有很強的自動識別能力和決策能力。

　　? 4.2 藍牙在機器人上的應用

　　? 機器人智能技術(shù)中最為重要的相關(guān)領域是機器人的多感覺系統(tǒng)和多傳感信息的集成與融合。藍牙技術(shù)是用于替代電纜或連線的短距離無線通信技術(shù)。機器人采集信號可以通過在智能機器人上安裝一個帶有藍牙模塊的探測器作為接收設備來完成各種不同通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換和信息共享以及同外部通信之間的數(shù)據(jù)交換功能， 同時還負責對各個從設備的管理和控制。

　　? 5 我國工業(yè)機器人的發(fā)展前景

　　? 有人認為， 應用機器人只是為了節(jié)省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發(fā)展機器人不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會主義制度的優(yōu)越性決定了機器人能夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經(jīng)濟建設帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟效益，而且將為我國的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領域的發(fā)展做出卓越的貢獻。

　? 　我國機器人學研究起步較晚， 但進步較快， 已經(jīng)在工業(yè)機器人、特種機器人和智能機器人各個方面區(qū)的了明顯的成就。近年來我國的機器人自動化技術(shù)也取得了長足的發(fā)展， 但是與世界發(fā)達國家相比， 還有一定的差距， 如可靠性低于國外產(chǎn)品;機器人應用工程起步較晚， 應用領域窄， 生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距。我國目前從事機器人研發(fā)和應用工程的單位相對較少， 工業(yè)機器人的擁有量遠遠不能滿足需求量， 長期大量依靠從國外引進。

　　? 我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術(shù)、運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù)， 生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應用， 弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看， 我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離， 如： 可靠性低于國外產(chǎn)品; 機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距; 在應用規(guī)模上， 我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)。當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”， 品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)， 對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃， 搞好系列化、通用化、模化設計， 積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。