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工業機器人全方位（wèi）解讀

2016-8-19 來源：轉載作者：

自從20世紀60年代初人類創造（zào）了第一台工業（yè）機器人以後，機器人技術得到了迅速的發展，在眾多製造業領域中，工業機器人應（yīng）用最廣泛的（de）領域是汽車及汽車零部件製造業，並（bìng）且正在不斷地向其他領域拓展，如機械加工行業、電子電氣行業、橡膠及塑料工業、食品（pǐn）工業、木材與家具製造業等領域中。在工業生產中，磨拋加（jiā）工（gōng）機器人、焊接機器人、激光加工機器人、真空機器（qì）人、噴塗機器人、搬運機器（qì）人等工業機器人都已被大量采用。

一、工業機（jī）器人的發展背景

1920年，捷克劇作家（jiā）卡裏（lǐ）洛·奇別克在其科幻劇本《羅薩姆萬能機器（qì）人製造公司》（Rossum's Universal Robots）首次使用了ROBOT這個名詞，之後便成為機器人（rén）的代名詞。

1938年（nián）3月（yuè），The Meccano Magazine報道了一（yī）款搬運機（jī）器人（rén）模型，這是最早的關於以工業應用為（wéi）目標的機器人模（mó）型的報道。它由GriffithP．Taylor於1935年設計，可以通過一個電動機實現5個軸的（de）運動。到了1954年（nián），美國的G.C.Devol設計出第（dì）一台電子可編（biān）程序的工（gōng）業機器人。而（ér）1960年美國AMF公司生產了柱坐標型Versatran機器人，可進行點位和軌跡（jì）控製，這是世界上第一種應用於工業生產的機器人。

在1974年，Cincinnati Milacron公司成功開（kāi）發了多關節機器人。到了1979年，Unimation公司推出PUMA機器人，它是一（yī）種（zhǒng）多關節、全電機驅動、多（duō）CPU二級控製的機器（qì）人，采用VAL專用語言，可配視覺、觸覺、力（lì）覺傳感器，在當時是技術最先進的工業機器人。現在的工業機器人在結構（gòu）上大體都以此為基（jī）礎。這一時期的機器人屬（shǔ）於“示教再現”（Teach-in/Playback）型機器人，隻具有記憶、存儲能力，按相應（yīng）程序重（chóng）複作業，對周圍環境基本沒有感（gǎn）知與反饋控製能力。

進入80年代，隨著傳感技術，包括視覺傳感器、非視覺傳感器以及信息（xī）處理技術的發展，出（chū）現了第二（èr）代機（jī）器人——有感（gǎn）覺的機器人（rén）。它能夠獲得作（zuò）業環（huán）境和作業對象的（de）部分（fèn）相關（guān）信（xìn）息，進行一定的實時處理，引導機器人進行作業。第二代機器人（rén）已在工業生產中得到了廣泛應用（yòng）。

目前（qián）各國正在研究的“智能機器人”，它不僅具有（yǒu）比第二代機器人更加優秀的環境感知能力（lì），而且還（hái）具有邏輯思維、判斷（duàn）和決策能力，可根據作業要求與（yǔ）環境信息自主地進行工作（zuò）。

二、工業機器人的應用場景

自從20世紀60年代初人類（lèi）創造了第一（yī）台工業機器人以後，機器人就顯示（shì）出（chū）它極大的生命力，在（zài）短短50多年的時間中，機器人技術得到了迅速的發展，在眾多製造業領域中，工業機器人應用最廣泛的領域是汽車及汽車零部件製造（zào）業，並且正在（zài）不（bú）斷地向其他領域拓展，如機械（xiè）加（jiā）工行業、電（diàn）子電氣行業、橡膠及塑料工業、食品工業、木材與家具製（zhì）造業等領域中。在工業生產（chǎn）中，焊接（jiē）機器人、磨拋加工機器人、焊接機器人、激光加工機器人、噴塗機（jī）器人、搬運機器人、真空機器人等工業機器人都已被大量采用（yòng）。下麵是對工業機器人的應用場景及技術特點的一些介（jiè）紹。

工業機器（qì）人的應用場景

三、工業機器人（rén）現狀

伴隨著工業機器（qì）人的日漸興起，“機器換人”將成為趨勢。富士康此前曾宣布，將在三年內（nèi）購置百萬台機器人，預計到2016年將（jiāng）在（zài）山西晉城建成“世界最大智能化機器人（rén）生產（chǎn）基地”。

汽車、電子（zǐ）、食品、化工（gōng）、塑膠橡膠、金（jīn）屬製（zhì）品六大製造行業（yè），被看做是（shì）當前應用工業（yè）機（jī）器人的主要領域，機構預測未來會有100萬～200萬台的年需求量，占中國工業（yè）機器人市場需求的七成左右。

截至2014年9月份，整個中國機器（qì）人（rén）企業已達近420多家。另外（wài），目前（qián）中國各地正在建設（shè）逾30個機器（qì）人產業園。

工業機器人之所以能在中（zhōng）國市場異軍突起（qǐ），首先是（shì）因為在（zài）成本上，機器人通常僅為人工（gōng）成本的四（sì）分之一；其次，機（jī）器人在（zài）質量、效率（lǜ）、管理等方麵還能帶來很多新的附加值。所（suǒ）以，在（zài）機器人技術快速提升（shēng）、價格大幅下降、人工短缺、人力成本上升等因素的綜（zōng）合作用下，中國的工業機（jī）器人產業正處於（yú）一個井噴時（shí）代。

四、工業機器人（rén）關（guān）鍵技術

1、機器人基本係統構成

工業（yè）機器人由3大部分6個子係統組成。3大部分是機械部分、傳感部分和控製部分。6個子係統可分為機械結（jié）構（gòu）係統、驅動係統、感（gǎn）知係統（tǒng）、機器人環境交互係統、人機交互係統和控製係（xì）統。

工業機器人係統構成

1)工業機器（qì）人的機械結構係統由（yóu）機座、手臂、末端操作（zuò）器三大部分組（zǔ）成，每（měi）一個（gè）大件都有若幹個自由度的機械係統。若基座具備（bèi）行走機構，則構成行（háng）走機器人；若基座不（bú）具備行走及彎腰機構，則構成單機器人臂。手臂一般由上臂（bì）、下臂和手腕組成。末端操作器是直接裝在手腕上的一個重要部件，它可以（yǐ）是二手指或多手指的手抓，也可以是噴漆槍、焊具等作（zuò）業工具。

2)驅動係統，要使機器（qì）人運作（zuò）起來（lái），需要在各個（gè）關節即每個運動自由度上安置傳（chuán）動（dòng）裝置，這就是驅動係統。驅動係統可以是液壓傳（chuán）動、氣壓傳動、電動傳動（dòng）、或者把它們結合起來應用綜（zōng）合係統（tǒng），可以是直接驅（qū）動或者通過同（tóng）步帶、鏈條、輪係、諧（xié）波齒輪等機（jī）械傳動機構進行間接傳動（dòng）。

3)感知係統由內（nèi）部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成，用以獲得內部和外部環境狀態中有（yǒu）意義的信息。智能傳感器（qì）的使用提高了機器人的機（jī）動性、適應性和智能化的水準。人類（lèi）的感受（shòu）係統對感知外部世界信息是極其靈（líng）巧的，然而，對於一（yī）些特殊的信息，傳感器比人類的感受係統更有效。

4)機器人環境交（jiāo）換係（xì）統是現代工業機器人與外部環境中的設（shè）備互換聯係和（hé）協調的係統（tǒng）。工業機器人與（yǔ）外部設備集成為一個功能單元，如加（jiā）工單元、焊接單元、裝配單元等。當（dāng）然，也可以是多台機器人、多台機床或設備、多個零件存儲裝置等集成為一個去執行複雜（zá）任務的功能單元。

5)人機交換係統是操作（zuò）人員（yuán）與機器人控製並與機器人聯係的裝置，例（lì）如，計算機的標準終端，指令控製台，信息顯（xiǎn）示板，危險信號報警器等。該係統歸納起來分為兩大類：指令給定裝置和信息顯示裝置。

6)機器人控製係統（tǒng）是機器人的大腦，是決定機器人功能和性能的主（zhǔ）要因素。

控製係統的任務是（shì）根據機器人的作（zuò）業指令程（chéng）序以及傳感器反饋回來的信號支配機器（qì）人的執行（háng）機構去完成規定的運（yùn）動和功能（néng）。假（jiǎ）如工業機器人不具備信息反饋（kuì）特征，則為開環（huán）控製係（xì）統；若具備信息反饋特征，則（zé）為閉環控製係統。根據控製原理，控製係統可分為程（chéng）序控製係統、適應性控製係統和人工智能控製係統。根據控製運行的形式，控製係統可分為點位控製和軌跡控製。點位型隻控製執行機構（gòu）由一點到另一點的準確定（dìng）位，適用於機床上下料、點焊和一般（bān）搬運、裝卸等作業；連續軌跡型可控製（zhì）執行機構按給定軌跡運動，適用於連（lián）續（xù）焊接和塗裝等作業。一套完整的工業機器人包括機器人本體、係統軟件、控製櫃、外圍機械設備、CCD視覺、夾具/抓手、外圍（wéi）設備PLC控製櫃、示教器/示教（jiāo）盒。

工業機器人設備

下麵重點對機器人的驅動係（xì）統、感知係統作出介紹。

2、機器人的驅動係統（tǒng）

工業機器人（rén）的驅動係統，按動力源分為（wéi）液壓，氣（qì）動和電（diàn）動（dòng）三大類（lèi）。根（gēn）據需要也可由這三種基本類型（xíng）組（zǔ）合（hé）成複合式的驅動係統。這三類基（jī）本驅動係統的各（gè）有自（zì）己的（de）特點。

液（yè）壓驅動係統：由於液壓技術是一種比較成熟的（de）技術。它具有動力大、力(或力矩)與慣量比大、快速響應（yīng）高、易於實現直接驅動等特點。適於在承載能力大，慣量大以及在防焊（hàn）環境中工作的（de）這些機器人中應用。但液壓係統需進行能量轉換(電能轉換成液壓能)，速度控製多數情況下采（cǎi）用節流調速，效率比電動驅動係統低。液壓係統的液體泄泥會對環境產生汙染，工作噪聲也較高。因這些（xiē）弱點，近年來，在負（fù）荷為100kg以下（xià）的機（jī）器人（rén）中往往被電動係統所取代。

青島（dǎo）華東（dōng）工程機械有限公司研製的全液壓重載機（jī）器人（rén）如圖所示。其大跨度的（de）承載可達到2000kg，機器（qì）人（rén）的活動半徑可達到近6m，應用在（zài）鑄鍛行業。

全液壓（yā）重（chóng）載機器人

氣壓驅動（dòng）具有速度快、係統結構簡單、維修方便、價格低等優（yōu）點。但是由於氣壓裝置的工作壓強低，不易精確定位，一般僅用於工業機器人末端執（zhí）行器（qì）的驅（qū）動。氣動手抓、旋轉氣缸和氣動（dòng）吸盤（pán）作（zuò）為（wéi）末端執行（háng）器可用於（yú）中、小負荷的工（gōng）件抓（zhuā）取和裝配。氣動吸盤和氣動機器人手爪如圖所示。

氣動吸盤和氣（qì）動機器人手爪

電（diàn）機驅動是現代工（gōng）業機器人的（de）一種主流驅（qū）動方式，分為4大類電（diàn）機：直流伺服電機（jī）、交流伺服電（diàn）機、步進電機和（hé）直（zhí）線電機。直（zhí）流伺服電機（jī）和交流伺服電機采用閉環控製（zhì），一般用於高精（jīng）度（dù）、高速（sù）度的機器人（rén）驅動；步進電機用於（yú）精度和速度要求不高的（de）場合，采用開環控製；直線（xiàn）電（diàn）機及其驅（qū）動控製係統在技術上已日趨（qū）成熟，已具有傳統傳動裝（zhuāng）置無法比擬的優越性能，例如適（shì）應非常高速和非常低速應用、高加速度（dù），高精度，無空回、磨損小（xiǎo）、結構簡單、無需減速機和齒輪絲杠聯軸器等。鑒於並聯機器人中有大量的直線（xiàn）驅動需（xū）求，因此直線電機在（zài）並聯機器人領域（yù）已經得到了廣泛應用。

3、機器人的感知係（xì）統

機器人感知係統把機器人各種內部狀態信息和環（huán）境信息從信號轉變為機器人自身或者機器人之間能夠理解和應用（yòng）的數據（jù）、信息，除了需要感（gǎn）知與自身工作狀態相關的機械量，如位移（yí）、速（sù）度、加速度（dù）、力和（hé）力矩外（wài），視覺感（gǎn）知技術是工業機器人感知的一個重要方麵。

視覺伺服係統將（jiāng）視（shì）覺信息作為反饋信號，用於控製調整（zhěng）機器人的位置（zhì）和姿態。這方麵的應用主要體現在半導體和電子行業。機器視覺係統還在質量檢測、識別工件、食品分揀、包裝的各（gè）個方麵得（dé）到了廣泛應（yīng）用。

通常，機器人視覺伺（sì）服（fú）控製是基於位置的視覺（jiào）伺服或者基於（yú）圖像的視覺伺服，它（tā）們分別又稱（chēng）為三維視覺伺服和二維視覺伺服，這兩種方法各有其優點和適用性，同時也存在一些（xiē）缺陷，於是有人提出了2.5維視覺伺服方法。

基於位置的（de）視覺伺服係統，利用（yòng）攝（shè）像機的參數來建立圖像信息與機器人末（mò）端執行器的位置/姿態信息之間（jiān）的映射關係（xì），實現機器人末端執行器位置的閉環控製。末端執行器位置與姿態誤差由實時拍攝（shè）圖像（xiàng）中提取的末端（duān）執行器位置信息與定位目標的幾何模型來（lái）估算，然後基於（yú）位置與姿態誤差，得到各關節的新位姿參數。基於位置的視覺伺（sì）服要（yào）求末（mò）端執行器（qì）應始終可以在（zài）視覺場景中被觀測（cè）到，並計（jì）算（suàn）出其三（sān）維位置（zhì）姿態信息。消除圖像（xiàng）中的幹擾和噪聲是保證位置與姿態誤差計算（suàn）準確的關鍵（jiàn）。

二維視覺伺服通（tōng）過攝像機拍攝的圖像與給定的圖像（不是三（sān）維幾何信息）進行特征比（bǐ）較，得出誤差信（xìn）號。然後，通（tōng）過關節控製器和視覺控（kòng）製器和機器人當前的（de）作業（yè）狀態進行修正，使機器人完成（chéng）伺服控製（zhì）。相比三維視覺（jiào）伺服，二維視覺伺服對攝像機及機器人的（de）標定（dìng）誤差具有較強的魯棒性，但是在視覺伺服控製器的（de）設計時，不可避免地會遇到圖像雅克比矩陣的奇異性（xìng）以及局部極小（xiǎo）等問題。

針對三（sān）維和二維（wéi）視覺伺服方法（fǎ）的局限性，F.Chaumette等人提出了2.5維（wéi）視覺伺服方法。它將攝像機平動位移與（yǔ）旋轉的閉環控製解耦，基於圖（tú）像特征點，重構物體三維空間中（zhōng）的方位及成像深度（dù）比率，平動部分用圖（tú）像（xiàng）平麵上的特征點坐標表示。這種方法能成功地（dì）把圖像信號和基於圖像提取的位姿信號進（jìn）行有機結合，並綜合他們產生的誤差信號（hào）進行反饋，很大程度上解決了魯棒（bàng）性、奇異性、局部極小等問（wèn）題。但是，這種方法仍存在一些問題需要解決（jué），如怎（zěn）樣確保伺服過（guò）程中參考物體（tǐ）始終位於攝像機視野之內，以（yǐ）及分解單應（yīng）性矩陣時存在解（jiě）不唯一等問題。

在建立視覺控製器模型（xíng）時，需要（yào）找到一種合適的模型來描述機器人的（de）末端執行器和攝像機的映射關係。圖像雅克比矩陣的方法是機器人視（shì）覺伺服研究領域中廣泛使用的一類方法。圖像的雅克比矩陣是時變的，所以，需要在線計算或估計。

4、機器人（rén）關鍵基礎部件

機器人共4大組成部分，本體成本占22%，伺（sì）服係統占24%，減速器占（zhàn）36%，控製器占12%。機器（qì）人關鍵基（jī）礎部（bù）件是指構成機器人傳動（dòng）係統，控製係統和人機交互係統，對機器人性能起到關鍵影響作用（yòng），並具有通用性和模塊化（huà）的部件單元。機器人關鍵基礎部件主要分成以下三部分：高精度機器人減速機，高性能交（jiāo）直流伺服電（diàn）機和驅動器，高性能機器（qì）人控（kòng）製器等。

1）減速機（jī）

減速機是機器人的關鍵部件（jiàn），目前主要使用兩種類型的減速機：諧波齒輪減速機和RV減速機。

減速機應（yīng）用在機器人關節處

諧（xié）波傳（chuán）動方法由美國發明家C.WaltMusser於20世紀（jì）50年代中期發明。諧波齒輪減（jiǎn）速機主（zhǔ）要由波（bō）發生器、柔（róu）性齒輪（lún）和剛性齒輪3個基本構件組成，依（yī）靠波發生器使柔性齒輪產生可控彈（dàn）性變形，並與剛性齒輪相齧合來傳遞運動和動力，單級傳動（dòng）速比可達70～1000，借助柔輪變形可做到（dào）反轉無側隙齧合。與（yǔ）一般減速機比（bǐ）較，輸出力矩相同時，諧（xié）波齒輪減速（sù）機的體積可減小2/3，重量可（kě）減輕1/2。柔輪承受較大的（de）交變載荷，因而其材料（liào）的抗疲勞強度、加工和熱處理要求較高（gāo），製造工藝複雜，柔輪性（xìng）能是高品質諧波齒輪減速機的關鍵。

諧波齒輪（lún）減速機傳動原理

德國人（rén）LorenzBaraen於（yú）1926年提出擺（bǎi）線針輪行星（xīng）齒輪傳動原理，日本帝人株式（shì）會社（shè）（TEIJINSEIKICo.，Ltd）於20世紀80年代率先開發了RV減速機。RV減速機由（yóu）一個（gè）行星齒輪減速機的前級和一個擺線針輪減速機的後級組成。相比於諧波齒輪減速（sù）機，RV減速機具有更好（hǎo）的（de）回轉精度和精度保持性。

減速機

陳（chén）仕賢（xián）發明了活齒傳動技術（shù）。第四代活齒傳動——全滾（gǔn）動（dòng）活齒傳動（oscillatory roller transmission，ORT）已成功地應用到多種（zhǒng）工業產品中（zhōng）。在ORT基礎上提出的複式滾動活齒傳動（compound oscillatory roller transmission，CORT）不但具有RV傳動類似的優點（diǎn），而且克服了RV傳動曲軸軸承受力大、壽命（mìng）低的（de）缺點，進一（yī）步提高了使用壽（shòu）命和承載（zǎi）能力；CORT的結（jié）構使其在同樣（yàng）的精度指標下回差（chà）更小，運動精度和剛度更高，緩解了RV傳動要求製造（zào）精（jīng）度高的缺陷，可相（xiàng）對降低加工要求，減少製造成本（běn）。CORT是我國自主開發的，擁（yōng）有自主知識產權。鞍山耐磨合金研究所和（hé）浙江恒豐泰減速機製造有限公司均開發（fā）成功（gōng）了機器人用CORT減速機。

ORT減速機 CORT減速機

目前在高精度機器人減速機方麵，市場份額的75%均兩家（jiā）日本（běn）減速機公司壟斷，分別為提供RV擺線針輪減速機的日本Nabtesco和提供高性能（néng）諧波減速機的日本Harmonic Drive。包括 ABB, FANUC, KUKA,MOTOMAN在內國際主流（liú）機器人廠商的減速機均由以上兩家公司提供，與國內機器人公司選擇的通用（yòng）機型有所不同的（de）是，國際主流機器人廠商均與上述兩（liǎng）家公司簽（qiān）訂了戰略合作關係，提供的產品大部分（fèn）為在通用機型基礎（chǔ）上根據各廠商的特殊要求進行改進後的專用型號。國內在（zài）高精度擺線針輪減速機方麵研究起步較晚（wǎn），僅在部分院校，研究所有（yǒu）過相關研究。目前尚（shàng）無成熟產品應用於工業機器人。近年來國內部分廠商和院校開始致力高精度擺線針輪減速機的（de）國產化和產業化研究，如浙江恒（héng）豐泰，重慶大學機械傳動國家重點實驗室，天津減速機廠（chǎng），秦川機床廠（chǎng），大連鐵道學院等。在諧波減速機方麵，國內已有可替代產品，如北京中技克美，北京諧波傳動（dòng）所，但是相應產品在（zài）輸入（rù）轉速（sù），扭（niǔ）轉（zhuǎn）高度，傳動精度和效率（lǜ）方麵與日本產（chǎn）品（pǐn）還存在不小的差距，在（zài）工業機器人上的成熟（shú）應用還剛剛起步。國內外（wài）工業機器人主流高精度諧波減速機性能（néng）比較（jiào）如下表所示。

表1 主流高精（jīng）度諧波減速機性能比較

注：上表比較數據來自相（xiàng）近型號：

HD ：CSF-17-100

中技克美：XB1-40-100

傳動效率測試工況（kuàng）：輸入轉速1000r/min，溫度40°

扭轉剛度測試條件：20%額定扭矩內

國內外工業機器人（rén）主流高精度擺線針（zhēn）輪減速機性能比較如下表所（suǒ）示。

表2 主流高（gāo）精度RV擺線針輪減（jiǎn）速機性能比較

注：上表比較數據來自相近型號：

RV：100C

CYCLO：F2CF-C35

傳動（dòng）效率測試工（gōng）況：輸出轉速15r/min，額定扭矩

2）伺服電機

在伺服電機（jī）和驅（qū）動（dòng）方麵，目前歐係機器人的驅動部（bù）分主要（yào）由倫茨，Lust，博世力士（shì）樂等公司提供，這（zhè）些（xiē）歐係電機及驅動（dòng）部件（jiàn）過載能力，動態響應好（hǎo），驅動器開放（fàng）性強，且具有總線接口，但是（shì）價格昂貴。而日係品牌工業機器（qì）人關鍵部件主要由安川，鬆下，三菱等公司提供，其價格相對降低，但（dàn）是（shì）動態響應能力較差（chà），開放（fàng）性較差，且大部分隻具備模擬量和脈（mò）衝控製方式。國內近年來也開展了（le）大功率交流永磁同步電機及驅動部分基礎研（yán）究和產業化，如哈爾濱（bīn）工業大學，北京和利時，廣州數控等單位，並且具備了一點的生產能力，但是其動態性能，開放性和可靠性還需要更多的實際（jì）機器人（rén）項目應用進行驗證。

伺服（fú）電機

3）控（kòng）製器

在機器人（rén）控製（zhì）器方麵（miàn），目前國外主流（liú）機器人廠商的控製器均為在通用的多軸運動（dòng）控製器平台基礎上進行自主研發。目前通用的多軸控製器平台主要分為以嵌入式處理器（DSP，POWER PC）為核（hé）心的運動控（kòng）製卡和以工控機加實時係統為核心的PLC係統，其（qí）代表分別是（shì）Delta Tau的PMAC卡和Beckhoff的TwinCAT係統。國內的在運動控製卡方麵，固高公司已經開發出（chū）相應成熟（shú）產品，但是在機器人上的應用還相對較少。

5、機器人操（cāo）作係統

通用（yòng）的機器（qì）人操作係統（robot operating system，ROS）是為機器（qì）人而設（shè）計的標準化（huà）的構造平台，它使得每一位機器人設計師都可以使用同樣（yàng）的操作係統來進行機器人軟件開發。ROS將推（tuī）進機器人行業向硬件、軟件獨立的方向發展。硬件、軟件（jiàn）獨立的開發模式，曾極大促進了PC、筆記（jì）本電腦和智能手機技術的發展和快速進步。

ROS的開發難度比計算機操作係統更大，計算機隻需要處（chù）理一些定（dìng）義非常明確的數學運算任務，而機器人需（xū）要麵對更為複（fù）雜的實際運動操作。ROS提供標準操作（zuò）係（xì）統服務，包括硬件抽象、底層設（shè）備控製、常（cháng）用功能實現、進（jìn）程（chéng）間消息以及（jí）數（shù）據包管理（lǐ）。

ROS分（fèn）成兩層，低層是操作係統（tǒng）層，高層則（zé）是用戶群貢獻的機器人實現不同（tóng）功能的各種軟件包。現有的機器人操作係（xì）統架構主要（yào）有基於linux的Ubuntu開源操作（zuò）係統。另外，斯坦福（fú）大學、麻省理工學院、德國慕尼（ní）黑大學等機構已經開發出了各類ROS係統。微軟機器（qì）人開（kāi）發團隊2007年也（yě）曾推（tuī）出（chū）過一款“Windows機器人版”。

6、機器人的運動規劃

為了提高工作效率，且使機器人能用盡（jìn）可能（néng）短的時（shí）間（jiān）完成特定的任務，必須有合理的運動規劃。離線運動規劃分為路徑規劃和軌跡規劃。

路徑規劃的目標是使路徑與障礙物的距離盡量遠同時路徑的長度盡量短；軌跡規劃的目的主要是機器人關節空間移動中（zhōng）使得機器人的運行時間盡可能短，或者能量盡可能小。軌跡規劃在路徑規劃的基礎上加入時間序列信息，對（duì）機器人執行任務時的速度與加速度進行規劃，以滿（mǎn）足光滑性和速度（dù）可（kě）控性等要求。示教再現是實現路徑規劃的方法之（zhī）一，通（tōng）過操作空間進行示教並（bìng）記錄示教結果，在工作過程（chéng）中加以複現，現場示教（jiāo）直接（jiē）與機器人需要完成的動（dòng）作對應，路徑直觀且明確。缺點是需要經驗豐富的操作工人，並消耗大量的時間，路徑不一定（dìng）最優化。為解決上述問題，可以建立（lì）機器（qì）人虛擬模型，通過虛擬的可視化操作完成（chéng）對作業（yè）任務的路徑規劃（huá）。

路（lù）徑規劃可在關節空間中進行。Gasparetto以（yǐ）五次B樣條為關節軌跡的插值函數，並將（jiāng）加加速度的平方（fāng）相對於運動時間的積分作為目標（biāo）函數進行優化，以確保（bǎo）各個關節運動（dòng）足夠光滑。劉鬆國通過采用五次B樣條對機器（qì）人的（de）關節軌跡進（jìn）行插補計算，機器人各個關節（jiē）的速度、加速度端點值，可根據平滑（huá）性要求進行任（rèn）意配（pèi）置。另（lìng）外，在關節空間的軌跡規（guī）劃可避免操作空間的奇異性問題（tí）。Huo等人設計了一種關節空間中避免奇（qí）異性的關節軌跡優化算法，利用6自由度弧焊機器人在任務過程中某個關節功能上的（de）冗餘，將機器人奇異（yì）性（xìng）和關節限製作為約束條（tiáo）件（jiàn），采用TWA方（fāng）法進行優化（huà）計算。

關節空間路徑規劃與操作空間（jiān）路徑（jìng）規劃對比，具有以下優點：

①避免了（le）機器人在操作空間中的奇異性問題；

②由於機器人的運動是通過控製關節電機的運動，因此在關節空間中，避免（miǎn）了大量的正運動學和逆運動學計（jì）算；

③關節空間中各個關節軌跡便於控製的優化。

五、工業（yè）機器人分類

工業機器人按不同的方法可分下述類型：

工業機器（qì）人分類

1.從機械結構（gòu）來看，分為串聯機器（qì）人和並聯機器人（rén）。

1）串聯機器人的特點是一個軸的運動會改變另一個軸的坐標原點，在位置求解上，串聯機器人的正解容易，但反解（jiě）十分困難；

2）並聯機器人采用並聯（lián）機構，其一個軸的運（yùn）動則不（bú）會（huì）改變另一個軸的坐標原點。並聯機器人具有（yǒu）剛度大、結構穩定、承載能力大、微動精度高、運動負荷小的優點。其正解困難反解（jiě）卻非常容易。串聯機器人和並聯機器人如圖（tú）所示。

串聯（lián）機器人並聯機器人

2.工業機（jī）器（qì）人按操作機坐標形式分以下（xià）幾類：（坐標形式是指操（cāo）作機的手臂在運動時所取的（de）參考坐標（biāo）係的形式。

1）直角坐（zuò）標型工業機器人

其運動部分由三個相互垂直的直線移動（即PPP）組成，其工作空間（jiān）圖形為長方形（xíng）。它在各個軸向的移動距離，可在各個坐（zuò）標軸上直（zhí）接讀出，直觀性強，易於（yú）位置和姿態的編程計算，定位（wèi）精度高，控製無耦（ǒu）合，結構簡單，但機（jī）體所占空（kōng）間（jiān）體積大，動（dòng）作範圍小，靈活性差，難與（yǔ）其他工業機器人協調（diào）工作（zuò）。

2）圓柱坐標型工業（yè）機器人

其（qí）運動形式是通過一個轉動和兩（liǎng）個移動組成的運（yùn）動係統來實現的，其工作空間圖形為圓柱，與直角坐標型工業機器人相比，在相同的工作空間條件下，機體所占體積小，而運動範圍大，其位置精度僅次於直角坐標型機器人，難（nán）與其他工業機器人協（xié）調工作。

3）球坐標型工業機（jī）器人

球坐標型工業機器人又稱極坐標型工業機（jī）器人，其手臂的運動由兩個轉動和（hé）一個直線移動（即RRP,一個回轉（zhuǎn），一個俯仰和一（yī）個伸縮運動）所組成，其工作空間為一球體，它可以作上（shàng）下俯仰動作並能抓取（qǔ）地麵上或教低位置的協調工件，其（qí）位（wèi）置精度高，位置誤差（chà）與臂長成正比。

4）多關節型工業（yè）機器（qì）人

又稱回轉坐標型工業機器人，這種工業機器（qì）人的手臂與（yǔ）人一體上肢類似，其前三個（gè）關節是回轉副（即RRR），該工業機器人一般由（yóu）立柱和大小臂組成，立柱與大臂見形成肩關節，大臂和小臂（bì）間形成肘關節（jiē），可使（shǐ）大臂做回轉（zhuǎn）運動和（hé）俯仰擺動，小臂做仰俯擺動（dòng）。其（qí）結構最緊湊，靈活性大，占地麵積最小，能與其他工業機器人協調工作，但位置精（jīng）度教低，有平衡問題，控製耦合，這種工業機（jī）器人應（yīng）用越（yuè）來越廣泛。

5）平麵關節型工業機器人

它采用一（yī）個移動關（guān）節和兩個回轉（zhuǎn）關節（即PRR），移動關節實現上下運動，而兩個回轉關節（jiē）則控（kòng）製前後、左右運（yùn）動。這種（zhǒng）形式的工業機器人又稱（SCARA(Seletive Compliance Assembly Robot Arm)裝配機器人。在水平方向則具有柔（róu）順性，而在垂直方向則有教大的剛性。它結構（gòu）簡單，動作靈活，多用於裝配作業中，特別適合小（xiǎo）規（guī）格零件的插（chā）接（jiē）裝配，如在電子（zǐ）工業的插（chā）接、裝配中應用廣泛。

3.工業機器人按程序輸入方式區分有編程輸入型和示教輸入型兩類：

1）編程輸入型是將計算機上已（yǐ）編好的作業程序文件，通過RS232串口或者以太網等通（tōng）信（xìn）方式傳送到機器人控製櫃。

2）示教輸入型（xíng）的示教方法有（yǒu）兩種：示教盒示教和操作者直接領動執行機構示教。

示教盒示教由操作者用手動控製器（qì）（示教盒），將指令信號傳給驅動係統，使執（zhí）行機構按要（yào）求（qiú）的動作順序和運（yùn）動軌跡操演一遍。采用示教盒進行示教的工業機器人使用比較普遍，一般的工業機器人（rén）均（jun1）配（pèi）置示教盒示教功能，但是對於工作軌跡複雜的情況，示教盒示教並不能達到理想的效果，例如用（yòng）於複雜曲麵的噴漆工（gōng）作（zuò）的（de）噴漆機器人。

機器（qì）人示教盒

六、工業機器人性能評判指標

表示機器人特性（xìng）的（de）基本參數（shù）和性（xìng）能指標主要有工作空間、自（zì）由度、有效負（fù）載、運動精度、運動特性、動態特性等。

工業機器人性能評判指標

1.工（gōng）作空間（Work space）工作空（kōng）間是指機器人（rén）臂杆的特定部（bù）位在一定條件下所（suǒ）能（néng）到達空間的位置集合。工作空間的性狀和大小（xiǎo）反（fǎn）映了機器人工作能力的大小。理解機器人的工作空間時，要注意（yì）以（yǐ）下幾點：

1)通（tōng）常工業機器人說明書中表示的工（gōng）作空間指的（de）是手腕上（shàng）機械接口坐標係的原點在空間能達到的範圍，也（yě）即手（shǒu）腕端部法蘭的中（zhōng）心點在空間所能到達的範圍，而不是末端執行器端（duān）點所能達到的範圍。因此，在設計和選用時（shí），要注意（yì）安裝末端執行器後，機器人實際所（suǒ）能達到的工作空間（jiān）。

2)機器人（rén）說明書上提供的工作空間往往（wǎng）要小於（yú）運動（dòng）學（xué）意義上的最（zuì）大空間。這（zhè）是因為在可（kě）達（dá）空間中，手臂位姿不同時（shí）有效負載、允（yǔn）許達到的最大速度和最大（dà）加速度都不一（yī）樣，在臂杆最大位置（zhì）允（yǔn）許的極限值通常要比其（qí）他位置（zhì）的小些。此外，在機器人（rén）的（de）最大可達空間邊界（jiè）上可能存在自由度退化的問題，此（cǐ）時的位（wèi）姿稱為奇（qí）異位形。

3)除了在工作空間邊緣，實際應用中（zhōng）的工業機器人還可能由於受（shòu）到機械（xiè）結構的（de）限製，在工作空間的內部也存在著臂端不（bú）能達到的區域，這就是常（cháng）說的空洞或空腔。空腔是指（zhǐ）在工作空間內臂端不能（néng）達（dá）到的完全（quán）封閉空間。而空洞是指在沿轉軸周圍全長上臂端都不能達到的空間。

下圖以鬆下焊接機器人TA-1400為例說明工作空間（jiān）：綠色部分即手腕上機（jī）械接口坐標（biāo）係的原點（diǎn）在空間能達到的（de）範圍。

工作空間

2.運動（dòng）自由度是指機器（qì）人操作機在（zài）空間（jiān）運動所需（xū）的變（biàn）量數，用以表（biǎo）示機（jī）器人動作靈活（huó）程度的參數，一般是以沿軸線移動和繞軸線轉動的獨立運動的（de）數目來表示。

自由物體在空間自六個自由度（三個轉動自由度和三個移動（dòng）自（zì）由度）。工（gōng）業機器人往往是（shì）個開式連杆係，每個關節運動副隻有一個自由（yóu）度，因此通常機器人的自由（yóu）度數目就等於其關節數。機器人的自由度數目越多，功能就（jiù）越強。日前工業機器人通常具有4—6個自由度。當機器人的關節數（自由度）增加到對末端執行器的定向和定位不再起作用時，便出現了冗餘自（zì）由度。冗餘度的出現增加了機器人工作（zuò）的（de）靈活型，但也使控製變得更加複雜（zá）。

工業機器（qì）人在運動方式上，總可以分為（wéi）直線運動（簡記為P）和旋轉運動（簡記為R）兩種，應用簡記符號P和R可以表（biǎo）示操（cāo）作機運動（dòng）自（zì）由度的特點，如RPRR表（biǎo）示機器人操作機具有四（sì）個自由度，從基座開始到臂端，關（guān）節（jiē）運動的方式（shì）依次為旋轉-直線-旋轉-旋轉（zhuǎn）。此外（wài），工業（yè）機器人的運動自由度還有運動範圍的限製。下圖為具有6個旋轉自由度的串聯機器人。

具有6個自由度的串聯機（jī）器（qì）人

3.有效負載(Payload)

有效負載是指機器人操作（zuò）機在工作（zuò）時臂端可能搬運的物體重量或所能承受的力或力矩，用以表示操（cāo）作機的負荷能力。機器人在（zài）不同位姿時，允許的最大可搬運質量（liàng）是不同的，因此機器人的額定可搬運質量是指其臂杆在工作空間中任意位姿時腕關節端部都能搬運的最大質量。

4.運動精度(Accuracy)

機器人機械係統的精度主要涉及位姿精度、重複位姿精度（dù）、軌（guǐ）跡（jì）精度、重複軌跡精度等位姿精度是指指令位姿和從同（tóng）一方向接近該（gāi）指令位姿時的實到位姿中心之間的偏差（chà）。重（chóng）複位姿精度是指對同指令位姿從同一方向重複響應n次後實到位姿的不一致程度。軌跡精度是指機器人（rén）機械（xiè）接口從同一方向n次跟隨指令軌跡的接近程度。軌跡（jì）重複精度是指對一（yī）給定軌跡在同方向（xiàng）跟隨n次後實到軌跡之（zhī）間的不一致程度。

5.運動特性（Sped）

速度（dù）和加速度是（shì）表明機器人運動特性的主要指標（biāo）。在機器人說明書中，通常提供了主要運動自由（yóu）度的最大穩定速（sù）度，但在實際應（yīng）用中（zhōng）單純考慮（lǜ）最大穩定速度是不夠的，還應注（zhù）意其最大（dà）允許加速度。

6.動（dòng）態特性結構動態參數主要包括質量、慣（guàn）性矩、剛度、阻尼係數、固有頻率和振（zhèn）動模態。

設計時應該盡量減小質量和慣量。對於（yú）機器人的剛度，若剛度差，機器（qì）人的位姿精度和係統固（gù）有頻率將（jiāng）下降，從而導致係統動態不穩定；但對於某些作業（yè）（如裝配操作），適當地增加柔順性是有利的，最理想的（de）情況是希望機器人臂杆的剛（gāng）度可調。增加係統的（de）阻尼對於縮（suō）短振蕩（dàng）的衰減時間、提高係統的動態穩定性是有利的。提高係統的固有頻（pín）率，避開工作頻率範圍（wéi），也有利於（yú）提高係統的穩定性。

七、工業機器人麵臨的技術挑戰

1、機器人市場外資占（zhàn）九（jiǔ）成

機器人市場一（yī）片欣欣向榮，但是中國機器人（rén）產業卻不容樂觀（guān）。根據市場統計，中國大陸工業機器人市場為外（wài）商廠商所壟斷，日係品牌廠商占52%，歐洲廠商占30%，剩餘約10%為中（zhōng）國大（dà）陸廠商。

由於機器人（rén）產業進入門檻相當高，因此全（quán）球機器（qì）人市場（chǎng）排名前四大廠商分別為日本發那科，安川電機、ABB與KUKA，合（hé）計達50%的市場占（zhàn）有率（lǜ）。

而另一方麵，未來30年中國大陸工業（yè）機器人市場將至少保（bǎo）持30%以上的高速增長。為此，全球品牌機器人大廠積極擴大在中國大陸市場上的機器人業務銷售規模（mó），包括（kuò）發（fā）那科、安川電機、ABB與KUKA等（děng）均積（jī）極在中國大（dà）陸（lù）卡位、設廠。目前中國大陸的工（gōng）業機器人雖（suī）然產業化初步取得一（yī）些進展，但由於在精度（dù）、速度（dù）等方麵不如國外廠商同類產品，致使這些產品產業化應用程度較低，市（shì）場（chǎng）份額很小；一些產品的技術水平僅僅相當於國外上世紀90年代中期的水平。

中國機器人產（chǎn）業聯盟數據統計中心主任李曉佳表示，2013年中國購買並組裝近（jìn）3.7萬台工業機器人，其中外資機器人普遍以6軸或以上高端（duān）工業（yè）機（jī）器（qì）人（rén）為主，幾乎壟斷了汽車（chē）製造、焊接等高端行業領域，占比96%。而國產機器人主要應用還是以搬運和上下料機器人為主，處（chù）於行業的低（dī）端（duān）領域。

值得關注的是，目前我國機器人產業（yè）發展與國外（wài）差距有進一步被拉大的風險。目前我國機器人產業總體上還處於起步（bù）階段，工業機器人缺乏品牌認知度，最（zuì）大的機器人企業年產（chǎn）機器人僅有幾千台。隨著國外機器人企業（yè）紛（fēn）紛將我國作為生產基地，自主品牌工業機器人企業發展空（kōng）間將進一步被（bèi）壓（yā）縮。

同時，由於關鍵核心部件受製於人（rén），產業空心化（huà）風險擴大（dà）。工業機器人（rén）三大關鍵部（bù）件（電機和服務器、減速機、控製係統）主要來源於（yú）國（guó）外，中國大（dà）陸廠商相對缺乏具有競爭（zhēng）力（lì）的研發製造能力，長期依賴進口。由於產業鏈上遊無核心零部件製造商支（zhī）撐，因此將長期受製於人。

2、工業機器人麵臨的技術挑戰

我們要清醒地看（kàn）到中國工（gōng）業機器人產業發展麵臨的巨大挑（tiāo）戰。首先，機器人的頂層（céng）架構設計（jì）和基礎技術被（bèi）發達國家控製，在機器人成本結構中比重較大的減速機、伺服電機、控製（zhì）器、數控係統都嚴重依賴進口，國產機器人並不具備顯著成本優勢。

其次，存在低端鎖定的風險。一方（fāng）麵，發達國家不會輕易向中國轉移（yí）或授權機器人核心技術、專利，中（zhōng）國機（jī）器人企（qǐ）業（yè）通過參與國際標準製定、技術合作研發進入中高端市場的阻礙很多；另一方麵，地方政府對產業的盲目投資可能形成過剩產能，導致重複建設和低價競爭。

再次（cì），機器人研發、製造與應用之間缺乏有效銜接。機器人相關（guān）技術研發領先的高校和院所（suǒ）並不（bú）具備市場開拓能力，而企業在基礎研（yán）發上的投入還非常低（dī），國內產學研結（jié）合又（yòu）存（cún）在諸（zhū）多體製機製障礙，導致研發與製造（zào）環（huán）節脫節。

針對外資壟斷國內市場的現狀，專家建議，要（yào）通過多種途徑來（lái）尋求“突圍”和（hé）趕超：首先是要加強對國際（jì）機器（qì）人技術的跟（gēn）蹤研究，製定出台符合我國發展實際的“機器人技術路線圖”，明確技術發展的步驟、重點（diǎn）突破（pò）的（de）關鍵核心技術、工藝（yì）與零部件以及產（chǎn）業化路徑。

其次，是要確立符合我國發展實際的機器人發展模式。加（jiā）強行業（yè）細分（fèn）領域的集成應用，加強產學研用結合的集體攻關，重點突破關鍵核心部件，盡快（kuài）形成機器人本體、關鍵零部件、係統集（jí）成商等機（jī）器人全產業鏈的整（zhěng）體（tǐ）推進。

另（lìng）外，要加快培育工業機器人龍頭企業和（hé）品牌。我國應將（jiāng）培育與發展自（zì）主品牌工業機器（qì）人作為打（dǎ）造中國經濟升級版的（de）一（yī）項重要任（rèn）務。出台工業機器人產業目錄，協（xié）同推進開展工業機器人的國產化（huà）工作。

八、工（gōng）業機器人知名廠商

工業機器人技術水平（píng）日趨成熟，已經成為一種標準設備而（ér）得到工業界廣泛應用，從而也形成了一（yī）批較有影響力的、著名（míng）的工業（yè）機器人公司（sī）。其（qí）主要分為日係（xì）和（hé）歐美係，日係中主要有FANUC、安（ān）川、鬆（sōng）下、不二越、川崎、愛普生等公司；歐美（měi）係中（zhōng）主要有德國的KUKA、瑞典的ABB、瑞士的史（shǐ）陶比爾、意大利的COMAU公（gōng）司。在國內，工業機器人產業剛剛起步（bù），但增長的（de）勢頭非常強勁，如新鬆、安徽埃夫特。

工業機器人的知（zhī）名廠商

6家知名廠商機器人對比

轉載：製造業生態圈（quān）e-works整（zhěng）理

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