工業機器人創新方興未艾模塊（kuài）化設計共享市場藍海-機（jī）器人-數控（kòng）機床市場（chǎng）網

您現在的（de）位置：機器人> 技（jì）術前沿（yán）>工業機器人創新（xīn）方（fāng）興未艾模塊化設計共享市場藍（lán）海

工業機器人創新方興未艾模塊化設計共享市場藍海

2020-5-19 來（lái）源（yuán）：數控（kòng）機床市場作者：劉瀟（xiāo）

1 引言

模塊化設計簡單地說，就是（shì）程序的編寫不是開（kāi）始就逐條錄（lù）入計算機語句和指令，而是首（shǒu）先用主程序、子程（chéng）序、子過程等框架把軟件的主要結構和流程描述出來，並定義和調試好各個框架之間的輸入（rù）、輸出鏈接關係。逐步求精的（de）結果是得到（dào）一係列以功能塊為單位的算法描述。以功能塊為單（dān）位進行程序設計，實（shí）現其（qí）求解算法的方法稱為模塊化，其目的是為了降低程序（xù）複（fù）雜度，使程序設計、調試和（hé）維護等操作簡單化。為提高機器人控製（zhì）係統設計（jì）的工（gōng）作效率,提出基於模塊化思想的（de）控（kòng）製係統設計方法。把控製係（xì）統的硬件（jiàn）部分（fèn）和軟件部分按功能（néng）分解成一（yī）係列（liè）標準模塊,將標準模塊（kuài）按照實際（jì）需要的設計結構進行組合,即可實現（xiàn）機器人（rén）控製係統的設（shè）計。采用這種模塊化方（fāng）法實現機（jī）器（qì）人控製係（xì）統設計上的簡單（dān）化,功（gōng）能（néng）上的靈（líng）活（huó）化。

2 工業機器人模塊化設計快（kuài）速的（de）完成產品開發

模塊化設計是（shì）指（zhǐ）在（zài）對一定範圍內的（de）不同功能或相同（tóng）功能不同性能、不同規格的（de）產品進行功能分（fèn）析的基礎上劃分並設計出係列功能模塊，通過模塊的選擇和組合可以構成不（bú）同的產品，以滿足市場的不同需求的設計方法。隨著社會（huì）的發展和技術的進步及客（kè）戶需求的不斷增加（jiā）變化,在（zài）各行業都需順應變化。提高設計、變形（xíng）設計效率,提高產（chǎn）品通用性，降低生產製造和管理成本成為每個企業的追求。模塊化（huà）設計思想開始應用於機（jī）械產品的設計和管理當中。

近些年來，模塊化機器人一直（zhí）是機器人結構設計領域的（de）熱門課（kè）題之一。國內移動機器人的發（fā）展非常迅猛，如搬運機器人、送餐機（jī）器（qì）人、酒店配送機器人、巡檢（jiǎn）機器人（rén）等等，機器人導航技術在近年來取得了實（shí）質性的進展。移動機器人製造實現模塊化運作，對機器人企（qǐ）業而言，產品製（zhì）造成本會大（dà）大（dà）降低。隨著機器人應用（yòng）範（fàn）圍逐漸擴（kuò）大，個性化需求日益增（zēng）多，模塊化機器人（rén）的（de）應用空間（jiān）將越來（lái）越廣。工業機器人產品複雜（zá）配置眾（zhòng）多，模塊化（huà）設計可大大提高產品的通用性,降（jiàng）低生產製造和管理成本；Top-Down設計和協同設計可大幅度地提高設（shè）計和變（biàn）型設計效率,提高產品設計的準確性。研（yán）究（jiū）模塊化設計（jì）思想和Top-Down協同設計技術，將其應用於工業機器人的設計研發和數據管理。可大大提高產品的通用性，降低管理成（chéng）本。提高了設計研發效率，提（tí）高產品設計的準確性，提高新產品一次設（shè）計的成功率，減少產品變形設計時間，降低新產品設計開發的周期和成本，保證產品數據的準確和唯一性。

機器人（rén）一（yī）般（bān）是由驅動裝置、執行機構、檢測裝置和控製係統和複雜機械等（děng）組成。驅動裝置是驅使執行機構運動的（de）機構，按照控製係統發出的指令信號，借助於動力元件使機器人進行動作。它輸入（rù）的（de）是電信號，輸（shū）出的是線、角位移量。機器人使用的驅動裝置主要是電力驅動裝置，如步進電機、伺服電（diàn）機等，此外也有采用液壓、氣動等驅動裝置（zhì）。

執行機構即機器人本（běn）體，其臂部一般采用空間開鏈連杆機構，其中運動副常稱為機（jī）器人高科技產物關節，關節個數通常即為機器人的（de）自由度數。根據關節配置型式和運動坐標形式（shì）的不同，機器人執行機構（gòu）可分為直角坐標式、圓柱坐（zuò）標式（shì）、極坐標式和關節坐標式等類型。

控製係（xì）統一種是集中式控製，即機器人的全（quán）部控製由一台微型（xíng）計算機完成。另一（yī）種是分散（級）式控製，即（jí）采用多台微機來分擔機（jī）器（qì）人（rén）的控製，如當采用上、下兩級微（wēi）機共同完成機器人的控製時（shí），主機常（cháng）用（yòng）於負（fù）責係統的管理、通（tōng）訊、運動學和動力學計算，並向下級微機發（fā）送指（zhǐ）令信（xìn）息；作為下級從（cóng）機，各關節分別（bié）對應一個CPU，進行插補運算和伺（sì）服控製處理，實現給定的運動，並向主（zhǔ）機反饋信息。

檢測裝置（zhì）的作用是實時檢測機器（qì）人的運動及工作情況，根（gēn）據需要反饋給控製係統，與設定（dìng）信息進行比較後，對執行機構進行調整，以保（bǎo）證機器人的（de）動作（zuò）符合預定的要求。

每個客戶需求（qiú）都是不同的，機器人（rén）產品的內部結構也是不同的，有些要求視覺產品要做到非常小的尺寸等等，各家的ID設計都不一樣，因此，機器人產品模塊化製造目前（qián）還比較困難。如果要實現機器（qì）人製造模塊化運作，那要涉及所有部件標準化的問題，這樣機器人製造商在（zài）尋找技術的時候也能夠更加方便。協同設計是指各成員（yuán）在計算機以（yǐ）及網絡應用的支持下（xià），通過分工與（yǔ）協作，在同（tóng）一平台（tái）下共同完成某一設計目標的設計方法（fǎ）。模塊化設計思想需結合公司的生產、製造以及工藝的實際情況進行，不同公司生產製造的（de）實際情況是不一樣的。因此同樣的產品（pǐn）其模塊化分是不完全一致的。對於工（gōng）業機器人產品的每個大（dà）的係統當中可由不同（tóng）的模塊組成。每個模塊下都有各種不同配（pèi）置，每個配置中對（duì）應一個生產實例(生產編碼)。

工業機器人的結構和模塊的劃分，除了能夠支持實際的開發（fā）流程外，強大的三維建模工具Creo還提供了更加（jiā）強大的功能。其Top-Down設計工具可以方便快速的傳遞設計（jì）參數、幾（jǐ）何以及設計意圖，通過Creo基本的相關性的功能，設計意圖的變更（gèng）可以（yǐ）自頂向下（xià）的快速傳遞，直到最底層的零件和圖紙。從（cóng）而使產品的修改性大大提高，修改的（de）工作量也大大降低，同時還能保證各部件設（shè）計的一致性（xìng）。使得所有設計者操作（zuò）的是同一套產品數（shù）據，極大地促進了設計（jì）溝通，保證（zhèng）整個項目組能夠協同（tóng）、快速的完（wán）成產品開發（fā）。

3 工業機器人產品模塊化設計的優勢和特征

模塊化設計簡單（dān）地說就是程（chéng）序的編寫不（bú）是開始就逐（zhú）條錄入計算機語句和指令，而是首先用主程序、子程（chéng）序、子過程等框架把軟件的主要結構和流程描述出來，並定義和調試好各個框架之間的輸入、輸出鏈接關係（xì）。逐步求精的結（jié）果是（shì）得到（dào）一係列以功能塊（kuài）為單位的算法描述。以功能塊為單位進行程序設計，實（shí）現其求解算法的方法稱為模塊化（huà）。

功能多樣的機器人在人們生產和生活中越來越具有不可（kě）或缺的作用。其中模塊化機（jī）器人更直接（jiē）明（míng）了的展現了其功能多樣的特點（diǎn）。模塊化產品設計是在對一定範圍（wéi）內的不同功能或相同功能、不同性能、不同規格的產品進行功能分析的基礎上，劃分並設計出一係列功能模塊，通過模塊的選擇和組合構成不（bú）同的顧客定（dìng）製的產品，以滿（mǎn）足市場的不同需（xū）求。這是（shì）相似性原（yuán）理在產品功能（néng）和結構上的應用，是一種實現標準化與多（duō）樣化的有機結合（hé）及多品種、小批量（liàng）與（yǔ）效率的有效統一的標準化方法。隨著科學的發展和技（jì）術的進步,移動機器人（rén）已經能夠代替人類執行越來（lái）越多的任務了。尤其物流產業（yè）對經濟發（fā）展的貢獻日益突出，碼垛是提高物流係統中物資搬運效率和（hé）存（cún）儲利用率的重要手段（duàn），使用碼垛機器人代替人工碼垛已經成為物流行業發展的趨勢。碼垛機（jī）器人可以提高生產效率和產品質量，並提高係統應對新的物流需求的（de）能力。研究（jiū）具有自主知識產權的碼垛（duǒ）機器人對（duì）於提高民族（zú）企業的競爭力具有重要的意義。

模塊化設計就是將產品的某些要素組合在一起，構（gòu）成一個具有特定功能的子係統，將這個（gè）子係統作為通（tōng）用性（xìng）的模（mó）塊與其他產品要素進行多種組合，構成新的係統，產生多種不同功能或相同功能、不同性能的係列產品。模塊是模塊化設計和製造的功能單元，具有三大特征：一是相對獨立性（xìng），可以對模塊單獨進行設計、製造、調試（shì）、修改（gǎi）和存儲，這便於由（yóu）不同的專業化企業分別進行（háng）生產（chǎn）；二是互換性，模塊接口部位的結（jié）構、尺寸（cùn）和參數標準（zhǔn）化，容（róng）易實現模塊間的互換，從而使模塊滿足更大數量的不（bú）同產品的需要；三是通用性，有利於實現橫（héng）係列、縱係列（liè）產品間的模塊的通用，實現跨係列產品間的模（mó）塊的通用。

模塊化的目的是為了降低程序（xù）複雜（zá）度，使程序設計、調試和維護等操作簡單化。改變某個子功能隻需相應（yīng）改變相應模塊即可。模塊機（jī）器人（rén）是由標準的相互獨立的製造模塊組成，每個模塊有驅動（dòng）部分、動力源等。不（bú）同的模塊組合在一起，由一個信息的控製（zhì）係統控製，構成具有特殊功能的機器人。模塊化設計是綠色設計方法之一，它已經從（cóng）理念轉變為較成熟的設計方法。將綠（lǜ）色設計思想與模塊化設計方法結合起來（lái），可以同時滿足產品的功能屬性和環境屬性，一（yī）方麵可以縮短產品研發與製造周期（qī），增（zēng）加產品係（xì）列，提高產品質（zhì）量，快速（sù）應對市場變化（huà）；另一方（fāng）麵可（kě）減少或消除對環境的不（bú）利影響，方便重用、升級、維修和（hé）產品廢棄後的拆卸、回收和處理。力求以少量的模塊組成盡可能多的產品，並（bìng）在滿足要求的基礎上使產品精度高、性（xìng）能（néng）穩定、結構簡單、成本低廉，模塊間的聯係盡可（kě）能簡（jiǎn）單；模塊（kuài）的係列化，其目的在於（yú）用有限的產品品（pǐn）種和（hé）規格來最大（dà）限（xiàn）度又經濟合理地滿足用戶的要求（qiú）。

模塊化分布式控製係統大大降低了機器人（rén）的成本，同時讓原本複雜的機器人結（jié）構變得簡單，使得安裝與使（shǐ）用都（dōu）變得容易了許多，在工作的（de）時候（hòu）不需要花費（fèi）很多時間去維護，使一般企業的技術人員都可以（yǐ）修理這些機器人（rén），降低（dī）了後期的維護成本。模塊化產品是實現以大批量的效益進行單件生產目標的一種有效方法。產品模（mó）塊化也是支持用（yòng）戶（hù）自（zì）行設計產品的一種有效方法。產品模塊是（shì）具有獨立功能和輸入、輸出的標準部件。這裏的部件，一般包括分（fèn）部件、組（zǔ）合件和零（líng）件等。雖然我國在機器人行（háng）業（yè）的起步比較晚（wǎn），但是通過自（zì）主研發技（jì）術，機器人技術領域上也屢創佳績，機器人自動化係統模塊化設（shè）計的出（chū）現，將引領我國工業機器人走向功能化、簡約化方向發展，提高（gāo）在世界範圍內的競爭力。

如今,機（jī）器人的發展（zhǎn）突飛猛進,機器人服（fú）務已經覆蓋了人們生活、工作、娛樂的方方方麵。隨著人類的需求（qiú）的不斷增加,對機（jī）器人領域的探索也越（yuè）走越遠,機（jī）器人模塊化技術已（yǐ）在（zài）各個領域的產品研究和開發中廣泛應用。現在無人化操作趨勢（shì）非常明顯，例如銀行營業廳，現在基本上都是通過手機或電腦直接（jiē）操作，人們已經很少去銀行線下營業廳了；還比如聯（lián）通4G卡銷售（shòu），大部（bù）分都（dōu）是通過互（hù）聯網進行銷售，隻要你在（zài）網上下單，馬上就有專門的業務跟進把卡寄到你指定的地址（zhǐ），內含20元的話費，你隻要激活就可以（yǐ）了。以前聯通的工作人員很關注每一個店麵的（de）爭奪戰，現在店麵爭奪戰基本上很少看（kàn）到了。這種現象更準確的（de）說是“線上交易”，現在越來越多的企業開始把業務挪到線上交易，而且已經形成趨勢。因為線上交（jiāo）易帶來的是（shì）極低的運營成本，而且是跨（kuà）越區域的，特別是公共服（fú）務領（lǐng）域，5G時代下，線（xiàn）上交易將會變（biàn）得更加頻繁，人們不用再花時間浪（làng）費在路途上，直接通過線上交易就可完成，現在很多新技術都在（zài）加（jiā）快推進這一過程。

與傳統機器人相對比,模塊（kuài）化機器人具（jù）有柔（róu）性高、容錯性強和自修複能力強、成本（běn）低等優點。模塊化結構簡單, 易於加工等優點,各模塊之間可以相互替換,實現快速組（zǔ）裝（zhuāng）。為保證產品的品質,需要通（tōng）過對工業機器人的樣機及零部件首樣進行可靠性測試（shì）,有時為了得到一個（gè）比較好（hǎo）的零件，往往一次設計不合格還要進行第二次設（shè）計修改，測試（shì）完（wán）成後大部分的部件都會采用報廢處理，經過一係列的試驗，中間會產生大量的物（wù）料成本的浪費，對環境資源造成了極大的影響。采用（yòng）機（jī）械設計軟（ruǎn）件後（hòu），構建工業機器人（rén）的數字化模型，就可在計算機中完善設（shè）計,減少物理樣機的試製,在增強工業機器人產品可靠性的基礎上（shàng）,減少資（zī）源的（de）浪（làng）費。

在工業（yè）機器人設計過程中，產品的性能是否能夠滿足應用的要（yào）求，是非常重要的。尤其（qí）是一些（xiē）關鍵部（bù）位的結構，如果頻繁的損壞，就會直接（jiē）導致工業機器人工作效率低下，部件報廢更換頻繁，所以好的產品結構設計十分重要，一些生產廠家在設計過程中，針對重要部位的零部件結構，通過使用（yòng）仿真分析（xī）模塊將其進（jìn）行仿真分析，並針對仿真結果對結構做進一（yī）步的修改確認，保證了設計產品的質量，減少了不必要的維（wéi）修（xiū）。

機器人及自動化（huà）係統（tǒng）的模塊化設計及（jí）製造理念是機器人自動化係統全部（bù）由一個個的獨（dú）立模塊組成，各模塊之間使用統一（yī）的（de）通訊協議，不（bú）同模塊可以靈活搭建，形成（chéng）功能（néng）不同的自動化係統。這就（jiù）像兒童玩積木那麽簡單，根（gēn）據功能需要，選擇合（hé）適的模塊，然後形成個性化的產品。利用（yòng）模（mó）塊化的新概念，我國機（jī）器人（rén）行業（yè）實現了彎道超車，提高了在市場上的競爭力。

4 工業機器人產品的（de）模（mó）塊（kuài）化設計效益突顯

模塊化設計是指在對一定範圍內的不同（tóng）功能或相同功能不同性能、不（bú）同規格的產品進（jìn）行功能分析的（de）基（jī）礎（chǔ）上，劃分並設計出一係列功能模塊，通過模塊的選擇（zé）和組合可以構成不同的產品，以滿（mǎn）足市場的不同需求（qiú）的設計方法。產品模塊要求通用程度高，相對於產品的非模塊部分生產批量大，對降低成本和減少各種投入較為有利。但在另一方麵又要求模塊適應產品的不（bú）同功能、性能、形態（tài）等多（duō）變的因素，因此對模塊的（de）柔性化要求就大大提高。對於生產來說（shuō），盡可能（néng）減少模塊的（de）種類，達到一物多用的目（mù）的。對於產品的使用來說，往往又希望擴（kuò）大模塊的（de）種類，以（yǐ）更多地增（zēng）加品種。針對這一矛（máo）盾，設計時必須從產品係統的整體出發，對產品功能、性能、成本諸（zhū）方麵的問題進行全麵綜合分析，合理確定模塊的（de）劃分。

模塊化設計的基礎是設計庫，在模塊化（huà）的設計過程中，通過應用設計軟（ruǎn）件建立計算機輔（fǔ）助（zhù）建模（mó）係統，建立典型產品的全參數化三維實體模（mó）型，通（tōng）過PDM係統，來管理和配置這些文件，建立企業設計庫資源。用戶（hù）可根據（jù）需求或實際選擇各模塊，使工業機器人（rén）的規格和性能更貼近（jìn）用戶工況，研發（fā）人員也能夠方便對（duì）可重用零件進（jìn）行共享，減（jiǎn）少新零（líng）件的再開發，有效減少配（pèi）件種類，在產品的（de）研發（fā）、製造和使用領域都（dōu）給企（qǐ）業帶來環保效益（yì）。

模塊是產品知識的載體,模塊的重用就是設計知識的重用,大量利用已有的經過試驗、生產和市場驗證的模塊（kuài）,可（kě）降低設計風（fēng）險,提高產（chǎn）品的可靠性和設計質量。模（mó）塊功（gōng）能的獨立性和接口的一致性，使模塊研究（jiū）更加專業化和深入，可不斷通（tōng）過升級自身性能來提高產品的整體性能和可靠性，而不會影響到產品其他模塊（kuài）。設計（jì）和零（líng）部件的重用可以大（dà）大縮短設（shè）計周期；並行的產品（pǐn）開發和測試可（kě）以大大縮短設計周期；利用已（yǐ）有成（chéng）熟模塊可大大縮短采購周期、物流周期和生產製造周期，從而加快產品上市時間；如果劃分模塊時考慮到企業售後服務的特定需求，同樣可以縮短服務周期和耗費資源（yuán）時間。模塊（kuài）化產品是實現以大批量的效益進行單件生產目標的一種有效方法。產品（pǐn）模塊化也（yě）是支（zhī）持用戶（hù）自行設計產（chǎn）品的一種（zhǒng）有效方法。產（chǎn）品模塊是具有獨立功能和輸入、輸出的標準部件。這裏的部件，一般包括分部件、組合件和零（líng）件等。用（yòng）戶常不滿足（zú）於企（qǐ）業（yè）提供的現（xiàn）有工業機器人產品的品種和規格，在訂貨（huò）時（shí）常常（cháng）附（fù）加很多技術要求。這就要求工業機器人在性能（néng）和結構上（shàng）也必須多樣化。工業機器人產品結（jié）構比較複雜，設計、生產周期比較長，如果逐一進行設計，將會耗費了大量的資源（yuán）。這就需（xū）要實施以麵向（xiàng）模塊和功能（néng）分析（xī）為主要特征的模塊化設計來縮短開發周期、減少製造成本（běn）。

模塊（kuài）化設計技術（shù）是由產品係列化（huà）、組合化（huà）、通用化和標準化的需求而孕育的。係列化（huà）的目的在於用有限品（pǐn）種和規（guī）格的產品來最大限度,且（qiě）較經濟合理地滿足需求方對產品的要求。組合化是采用一些通用（yòng）係列部件與較（jiào）少數量的專用部件、零件組合而成（chéng）的專用產品（pǐn）。通用化是借（jiè）用原有產品（pǐn）的成熟零部件,不但能縮短設計周期,降低成本，而且還增加了產品的質量可靠性。標準化零（líng）部件實際上是跨品種、跨廠家甚至跨行業的（de）更大範圍零部件通用化。由於這種（zhǒng）高度的通用（yòng）化,使得零（líng）部件可由工廠（chǎng）的單獨部門或專門工（gōng）廠去單獨進行專業化製造。

模塊化產品設（shè）計是在對一定範圍內的不同功能或相同功能（néng）、不（bú）同性能、不同規格的產品進（jìn）行功能分析的基礎上，劃分並設計（jì）出一係列功能模塊，通過模塊的（de）選擇和（hé）組合構成不同的顧客定製的產品，以滿足市場的不同需求。係（xì）列產品中的模（mó）塊是一種（zhǒng）通（tōng）用件，模塊化與係列化已成為裝備產品（pǐn）發展的趨勢。根據模（mó）塊化（huà）的設計思（sī）路，將工業機器人按結構分成（chéng）若幹模（mó）塊，每個模塊都有相對固定的功能，其規（guī）格可近乎無極地微調，而且各模塊間彼此相（xiàng）互兼容。

從（cóng）技（jì）術層麵上分析,所有機器人係統無非是（shì）由傳感、驅動、控製等基本功能（néng）模（mó）塊構成。基於（yú）機器人係統的這一特點,以及未來（lái）服務機器人形態和功（gōng）能上的多樣化需（xū）求（qiú）,機器人模塊化（huà）設計（jì）是能（néng）夠根據用戶的功能需求,將具有一定功能（néng）的相關模塊進行組合,構成特定（dìng）構形的機器人,這一過程即（jí）機器人模塊化設計。這種模塊間的組合並不僅指機械重構,還包括控製算（suàn）法、電氣硬件和（hé）係統軟件等的重構。模塊重用可大大降低設計成（chéng）本；采用成熟的經過驗證的模塊，可提高采購批量，降低采購和物流成本；采用成熟的（de）經過生產驗證的模塊，可大大減（jiǎn）少由於新產品的投產對生產係統調整的頻率，使新產品更容易生產製（zhì）造（zào），可以降低生產製造成本；產（chǎn）品（pǐn）平（píng）台中及平台（tái）之間存在（zài）大量的互換（huàn）模塊，可以降低（dī）售後服務成本。

由於工業機器人的使（shǐ）用範（fàn）圍比較廣（guǎng）泛，作業環境又是多種多樣的。機器人的整體發展趨勢將從工業機器人（rén）向各種類型服務機器（qì）人方向發展,工業機器人的基本機能是（shì）示教再現機能,通常示教的內容存儲在機器人的控製裝置內（nèi）,通過再現自（zì）動（dòng）實現機器人的各種單純的重複性動（dòng）作,完成機器人特定作業。服務機器人,如護理老人、殘疾人或（huò）日（rì）常家用服務機器人,須具備準確（què）判（pàn）斷、適應環境、自主移動和獨立操作等功能。而且服務機器人不同於工業機（jī）器人的最顯著特點（diǎn）,即需要滿足（zú）不同用戶的個性化需（xū）求（qiú）,所以服務（wù）機器人應具備形態和功能的多樣性。傳統的機器人開發模式無法滿（mǎn）足未來服務機器人產業發展的要求。

產品（pǐn）模塊化設計按照自頂向下研究分類，包括（kuò）係統級模塊、產品級模塊、部件級模塊、零件級模塊；再按照功（gōng）能及加（jiā）工和組合要求研究分（fèn）類，包括基本模塊、通用模塊、專（zhuān）用模（mó）塊；然後按照接口組合（hé）要求（qiú）研究分類，包括內部接口模塊、外部接口模塊。以產品級模塊化為例，就是在（zài）需求調查的基礎上（shàng），對裝備產品的構成進行分析，考察（chá）其中的功能互換性與幾何互換性的關係，並（bìng）劃（huá）分基本模塊、通用模塊或專用模塊，以（yǐ）模（mó）塊為基礎進（jìn）行內部接口、外部接口設計（jì），通過加、減、換、改（gǎi）相應模塊以構成新的產品，並滿足裝備產品的功能指標（biāo）的要求。

采用基於功能構件劃（huá）分（fèn）的機器人（rén）模（mó）塊化設計方（fāng）法,將提高軟（ruǎn）件及功能構件在不同機器（qì）人係統上的可重用性,降低機器人開發成本,促進機器人的應（yīng）用的普及,而（ér）應用領域的拓展,反過來又會進一步促進了機器人技術的發展, 從而形成良性循（xún）環。

模塊功能的獨立性和接口的一致性，使各個模塊可以相對（duì）獨立地設（shè）計和發展，可（kě）進行並行（háng）設計、開發和並行試驗、驗（yàn）證。模塊的不同組（zǔ）合能滿足用戶的（de）多樣性需求，易於（yú）產品的配置和變型設計,同時又能保證（zhèng）這種配置變型可以滿足企業批量化生產的需求（qiú）。

5 工業（yè）機器人產品的（de）模塊化設計全方位地滿足市場的多樣化需求

產品多樣化是指企業在生產一兩種主導產品的同時，又發展一些其它種類的產品。實行多角經營。模塊是製造的基本組成元（yuán）素。模塊化設計是把產（chǎn）品結構設計成許多（duō）相互獨立的模塊。對於某種特定的客戶產品訂單，企業（yè）可以將各模塊容易地組合裝配（pèi）成不同形式的產品，來（lái）滿足客戶的需要（yào）。產品（pǐn）的模塊化有些是顯而（ér）易見的（de），客戶可以選（xuǎn）擇他們喜歡的組件並自行組裝；而有些是隱藏的，企業可選（xuǎn）擇各種模塊裝配成品後銷售。

機器人的控製係統作為機器（qì）人的大腦（nǎo）,是決定機器人性能的主（zhǔ）要因素,主要包括軟件和硬件係統。模塊化產品設（shè）計（jì）的目的是以少（shǎo）變應多變,以盡可能少的投入（rù）生產盡可能多的產品,以最為經濟的方法（fǎ）滿足各種要求。由於模塊具有不同的組合可以配置生成多（duō）樣化（huà）的（de）滿足用戶需求（qiú）的產品的（de）特（tè）點,同時模（mó）塊又具有標準的幾何（hé）連接接口和一致的（de）輸入輸出（chū）接口,如果模塊的劃分和接口定義符（fú）合企業批量化生產中采購、生產和服務的實際（jì）情況，這就意味著按照模塊化模（mó）式配置出來的產品（pǐn）是符合批量化生產的實際情況的,從而使定製（zhì）化生產和批量化（huà）生產這對矛盾得到解決。模塊化設計在對產品進行市場預（yù）測、功能分析的基礎上，劃分並設（shè）計出一係列通用的功能模塊；根據用戶的要求，對這些模塊進行選擇和（hé）組合，就（jiù）可以構（gòu）成不同功能、或功能相同但性能不（bú）同、規（guī）格不同的產品。模塊化是在傳（chuán）統設計基礎上發展起來的一種新的設計思想，現已成為（wéi）一種新技術被廣泛應用，尤其是信息時代電子產品不斷推陳出新，模塊化設計的（de）產品正在不斷湧現。如何使產品的（de）模塊化設計全方位地滿足市場的多樣化需求，應（yīng）當引起企業經營者、新產品（pǐn）開（kāi）發人員及其標準（zhǔn）化研究者的高度重視。

模塊化（huà）不僅加快了（le）變革的速度，增大了競爭（zhēng）的壓力，它還改（gǎi）變（biàn）了企（qǐ）業間的關係。在殘酷的創新競爭中，如何在本行業中奪取更多的（de）市場（chǎng）份額（é）就顯得極（jí）為重要。一個企業作為某（mǒu）個需要不斷創新的行業中由百個企業組成（chéng）的模塊製造商（shāng）群體（tǐ）的一員，與作為（wéi）由少數幾個企業占據（jù）壟斷優勢的穩定發展的行業中的成員有著很大的區別，沒有任何（hé）一種發展戰略是永遠奏效的。模塊化市場的雙重結構要求企業在兩種主要的發展戰略中做出慎重（chóng）選擇：企業作為總設計師為多（duō）個模塊構成的產品確立（lì）設計和生產原則；企業也（yě）可以作為模塊製造商為用戶（hù）提供高（gāo）性價比的模（mó）塊產品，以性能和價格在市場上（shàng）擊倒同類廠商。在製造行業中模塊化（huà）的（de）應用（yòng）已非常普遍，一些（xiē）公司正在（zài）把模（mó）塊（kuài）化這個理論擴展到產品生產和（hé）服務的設計上（shàng）來，有些看似和模塊化根本不著邊際的行業（yè）也在嚐試著移植模（mó）塊化理論，提高自身的創新速（sù）度。

模塊化的產品或係統是由標準的模塊組成的（de）。模塊如（rú）何產（chǎn）生，能否有效地組合成產品或係統，產品（pǐn）或（huò）係統的分解和組合的技巧和運用水平，是模塊化的核心問題。隨著機器人技術的發展,機器人更加智能化,更加開放,因此對機器（qì）人的（de）控製係統提出了更高的要求。工業（yè）機器人控製技術的（de）主要任（rèn）務是控製工業機器人在工作空間中的運動（dòng）位置、姿態和（hé）軌跡、操作順（shùn）序及動作時間（jiān）等。碼垛機器人作為（wéi）一種常見（jiàn）的工業機器人,用於食品飲食、化工等行業流水線（xiàn）上,主要功能是實現各類瓶罐箱包類產品的堆放與碼垛。其主要技術特（tè）點（diǎn）是（shì）:加減速頻繁,響應速度快,運動要能夠實時規劃；操作簡單,具有友好（hǎo）的（de）人機交互功能。

可（kě）重構模塊化機器人係統（tǒng）是由一套具有尺寸和性（xìng）能特（tè）征相同或不同的模塊組成的，通過這些模塊能快速裝（zhuāng）配出最適用於完成給（gěi）定任務的機器人。可重構模塊化機器（qì）人係統設計的主要內（nèi）容是（shì）模塊的劃分（fèn）和模塊的功能設計。模塊的劃分（fèn）既要考慮可重構模塊化機（jī）器人的應用範圍、工件特（tè）點和性能，同時模塊本身也要符合每個模（mó）塊單元應是獨立的和具有自封裝的功能；每個模塊單元（yuán）應是可快速連接到（dào）任（rèn）意其它類型的模塊單元；每個模塊單元（yuán）應（yīng）應具備通信功能和數據處理能力；每個模塊單元在運動（dòng）學和動力學上（shàng）應具有獨立性。

模塊化機器人（rén）係統不僅包括模塊化（huà）的機械硬（yìng）件,而且還包括模塊化電氣硬件、控製算法和軟件。模（mó）塊的合理劃分與重構是機器人（rén）模塊化設計的重要研究內容（róng）。要考慮工業機器人是否方便維護，所有的零部件應更換方便，故障的確診和排除要快。高品質的工業機器人的控製係統都已模塊化，可直接與手提電腦（nǎo）聯接，利（lì）用診斷程序快速地查找故障或修改參數設置（zhì）。

模塊化設計已被廣泛應（yīng）用於機床、電子產品、航天、航空等設計（jì）領域。企業一方麵必須利用產品的批量化、標（biāo）準化和通用化（huà）來縮短上（shàng）市（shì）周期、降低產品成本、提高產品質量，另一方麵還要（yào）不斷地進行產（chǎn）品（pǐn）創新使產品越來越個性化，滿足客（kè）戶的定製需（xū）求（qiú）。這（zhè）樣，如何平衡產品的標準化、通用化與定製（zhì）化、柔（róu）性（xìng）化（huà）之間的矛盾，成為贏（yíng）得競爭（zhēng）的關鍵能力。平台（tái）化、模（mó）塊化（huà）的產品設計和生產可以在保持產品較高通用性的同時提供產品的（de）多樣化配置，因此平台（tái）化、模塊化的產品是解決定製化（huà）生產和批量化生產這對矛盾（dùn）的一條出路。

6 工業機（jī）器人產品的模塊化構建人性化（huà）設計（jì）

機器人控製係統是根據指令以及傳感信息控製機器（qì）人（rén）完成一定的動作（zuò）或作業任（rèn）務的裝置,它是機器人的心髒（zāng）,決定了機器人性能的優劣。由於機器人控製係統必須（xū）以機器人機（jī）構（gòu）為依托（tuō）,其各機構單元中所含的控製（zhì）器模塊應具有相（xiàng）對的獨立（lì）性（xìng）,能實現機構模塊（kuài）所設定的控製功能,因此在（zài）每個（gè）機構模塊（kuài）中（zhōng）都應該有（yǒu）一個具有一定控製能力的控製器,各個模塊之間采用總線式的（de）分布式結構,組成多CPU控製係統。由於機器人先天的（de）優勢，越來越多地應用在複（fù）雜（zá）結構環境下，但是在這種環境下很難事先確（què）定機器人的作業任務，其工作環境也存（cún）在（zài）不可（kě）預（yù）料（liào）的情況，而傳統機器人因適（shì）應環境和任務變化的（de）能力較差而不能勝任（rèn）這種要求。為（wéi）提高機器人的環境適應能力（lì），一（yī）種新型機器人應運而生，這種可以根據不同的任務或不同的工作環境改變自身構型的機器人稱之為可重構模塊（kuài）化機器人。國外對（duì）可重構機器人係統已經進行（háng）了大（dà）量的研究，目前已經開發的模塊化機器人係統或可重構機器人係統主要（yào）有兩類：一類是動態可重構機器人係統（tǒng），另一類是靜態可重構機（jī）器人係統。按照機器人形（xíng）態改變方式可分為鏈式機器人、晶格式機器人、移動機器人及混（hún）合式（shì）機（jī）器人（rén）等類型。

機器人及自動化係統的模塊化設計及製造理念是指機器人自動化係統全部由一個個獨立的模塊組成，各模塊間采用統一的通信協議（yì），不同模塊可（kě）以靈活拚裝，形成不同功能的（de）自動化係統。這種機器人積木化（huà）的理念為用戶提供了前所未有的人性化和便捷性。機（jī）器人及自動化（huà）係統的模塊化設計及製造理念是機器人自動化係統全部由一個個（gè）獨立的模塊組成，各模（mó）塊間采用統一的通信協議，不同模塊可以靈活拚裝，形成不同功能的自動化係統。這種（zhǒng）機器人積木化的（de）理念為（wéi）用戶提供了前所未有的（de）人（rén）性化和便捷性。

國（guó）外智能機器（qì）人的設計製造已有幾十（shí）年的積澱（diàn），而我國起步（bù）晚，所以我們就利（lì）用模塊（kuài）化的新理念實現了彎道超車（chē）。據報（bào）道，不久前在第四屆中國（上（shàng）海）國際技術進（jìn）出口交易（yì）會上，優愛寶機器人就將為大家演示基於模（mó）塊化分布（bù）式控製係統的“個人化工業機器人”。其（qí）模塊化分布（bù）式控製係統不但大大降低了機器人的成本，還具備安裝、操控簡便的特點。尤其它在工作時不需要花很多時間去維護，使（shǐ）一般（bān）企業的維修技術工人也能修理我們的機器人（rén）。比如（rú）優愛寶機器（qì）人的SCARA四軸機器人和DELTA型並聯機器人，其內部電機模塊均隻有4根導線，一般普通人就能安裝（zhuāng），更無（wú）電控（電氣）櫃，極易（yì）維護使用。

隨（suí）著全球化科技（jì）競（jìng）爭日趨激（jī）烈（liè），人工智能成為工業界未來必（bì）爭（zhēng）領域，傳（chuán）統機器人（rén）也被賦予了（le）新的發（fā）展路線，非（fēi）柔性的機器人難以滿足時（shí）下發展變化要求，因此可重構模塊（kuài）化機器人成為優選解決方案。可重構模塊化機器人由一組具有相通接口的模塊組成，可根據不同的任務組裝成不同的構型（xíng）。與傳統的機器人相比，可重構模塊化機（jī）器人對任（rèn）務（wù）和環境（jìng）的適應能力（lì）更強，更具有柔性。模塊化（huà）具（jù）有簡化設計製造和維護、縮短研製周期（qī）、降低成本等優點，大（dà）大增強了係統構建時的（de）靈（líng）活性和彈性，已成為機器人（rén）係統研究的熱點。

工業機器人的高效、精確和低應用成本已在規模化工業生產中得到充分體現，但麵對未來多變化和小批量的柔性生（shēng）產需求來講，專用機器人的（de）設計周期和製（zhì）造成本（běn）都成為亟待解（jiě）決（jué）的難題.模塊化概念的引入到機器人設計為柔性加工係統注入了新的活力 ,選（xuǎn）擇適當的模塊機器人拓撲關係和（hé）標準模塊 ,迅速（sù）組成（chéng）模塊機器（qì）人是縮短機器人設計周期和降低製作成本的（de）有效途徑 ,模塊化（huà）機器人將成為未來（lái）柔性加工係統中最重要的設備之一。

長期以來（lái）,移動機器人研究中的數據通信問題一直（zhí）困擾著研究人員,一些（xiē）多（duō）關節、結構複雜的機器人係統不得不（bú）背負著大量的數據線,繁瑣的線纜對機構的（de）運動空間增加了額外的限製,使機器人的運動空間縮小，一種通（tōng）用（yòng）性好、通信性能較強、采用成熟（shú）技（jì）術、運行穩定安全的模塊化通信係（xì）統，適合大多數機器人應用（yòng）,無論主控製（zhì）器簡（jiǎn）單還是複雜,有無操作（zuò）係統或使用任意一種操作（zuò）係統,隻需使用通用標準的硬件接口和簡單有限的數據幀（zhēn）定義就能構成一個（gè）無線透明通道,將大大簡化無線通信的開發過程。當前（qián）機（jī）器人產業既麵（miàn）臨空（kōng）前（qián）的發展機遇,又麵臨嚴峻的挑（tiāo）戰。在世界範圍內,機器人產業尚無統（tǒng）一的體係結構,缺乏相應的基（jī）礎標準體係與接口協議規範,研發工作存在大量低水平的重（chóng）複,不能實（shí）現各種功能（néng）構件（jiàn）的重用與互換,沒有（yǒu）形成專業化配套與產業鏈分工,致使製造成本高昂,嚴重製約了機（jī）器人產業（yè）的形（xíng）成和發展。因此,需要對機器人模塊化體係結構框架設計的關鍵技術進行（háng）研究,包括機器人模塊化體係框架設計,機器人模塊化設計過程仿真係（xì）統設計,典（diǎn）型機器（qì）人功能構（gòu）件示範（fàn）研究。

進（jìn）21世紀，由於人口紅利消失殆盡、勞力成本優（yōu）勢不再以及原材料成本飆升，在一（yī）度充當“世界工廠”的中國，製造業正麵臨嚴峻的（de）挑戰。許多業內人士開始將目光投向工業機器人應用，以（yǐ）期從中獲得答（dá）案（àn），如富士康生（shēng）產線已準備投放百萬機（jī）器人替代人工（報道）。

藍牙無線（xiàn）通信模塊,采用全雙工、時分複（fù）用（yòng）的通信方式,具有很強的抗衰減和抗幹擾能力,與其它工作在相同頻段的係統相比,跳頻更（gèng）快,數據包更短，其軟硬件設計（jì）力求做到通用,使無線通信模塊成為一個透明的通道,PC與機（jī）器（qì）人、機器人與機器人之（zhī）間就像是直接通過串口通信一樣，該模塊將具有廣闊的應用前景。

7 結束語

總之，模塊化設計大大的提高了設計研發效率，提高產（chǎn）品設計的準確性，提高新產品一次（cì）設計的成功率，減少產品變形設計時間，降低新產品設（shè）計開（kāi）發的周期和成本，保證產（chǎn）品數（shù）據的準確和唯一性。我（wǒ）國製造業的升級轉型，減少企業（yè）員工的不合理流動，緩（huǎn）解用工荒難題，自動化工（gōng）業機器人是一項（xiàng）切實可行的解決方案。我國在工業機（jī）器人應用領域（yù）雖然（rán）起（qǐ）步晚、但發展很快。我（wǒ）國工業機器人市場表現強勁，市場容量（liàng）不斷擴大，並有著（zhe）無限發展潛力和增長空（kōng）間，模塊化設計已在（zài）工業機器人廠（chǎng）家推（tuī）廣實施（shī）到產品中。由於模塊化推進了創新的速度，使得企業領導者對競爭者的（de）舉動做出的反應（yīng）時間大大縮短，係列產品中的模塊是一（yī）種通用件，模塊化與係列化已成為現今裝備產品發展的一個趨勢。

參考文獻：

[1] 劉思瑋（wěi）.工業機器人國際產業格局.互（hù）聯網經（jīng）濟2019年第1期（qī）38-43頁

[2] 陳春春.工業機器人產業:現狀、產業鏈及發展模式分析.互聯網經濟2019年第1期（qī）32-37頁

[3] 梁婷,王瑞,關永（yǒng）.工業機器人模塊化建模與驗證.計算（suàn）機工程與設計2019年第1期209-217頁（yè）

[4] 陳（chén）航,殷國富,周曉軍.工業機器（qì）人模塊化設計（jì）研究.機械2009年第3期 56-58頁

投稿箱：
如果您有機（jī）床行業、企業（yè）相關新聞稿件發表，或進行（háng）資（zī）訊合作，歡迎聯係（xì）本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企推薦

業界視（shì）點

| 更多

行業（yè）數據

| 更多（duō）

博文選萃

| 更多

數控機床