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機器換人時代的（de）工業機器人（rén）

2020-11-4 來源：-- 作者：-

《中國製造（zào）2025》規劃（huá）了我（wǒ）國製（zhì）造強（qiáng）國的戰略目標，智能製造成為工業製造轉型的重中之（zhī）重。在（zài）智能化的大勢下，智能（néng）裝備下遊應用領域加（jiā）快拓展，工業機器人發展可期。

工業機器人指的是能在人的控製下智能工作，並能完美替代人力在（zài）生產線上工作的多（duō）關節機械手或多自由度的機器裝置。與人力（lì）相比，工業機器（qì）人具有低成本、高效率以及24小時工（gōng）作的特點。近年來，隨著國內勞動力成本不斷（duàn）上漲，我國製造業勞動力優勢（shì）不顯，製（zhì）造（zào）業亟待向智能化（huà）轉型，工業（yè）機器人呈現強勁發展的態勢。

我國是（shì）工業機器人消費大國，從（cóng）2013年其就連（lián）續兩年（nián）成為全球第一大工業機器人消費市場。汽車（chē）製造、電子、橡膠塑料、軍工、航空製造（zào）、食品工業、醫（yī）藥設備與金屬製品（pǐn）等領域常有工業機器人“身影（yǐng）”。其中汽車工業的應用最多，比例達38%。廣東、江蘇、上海、北京等地是我國工（gōng）業機器人產業主要（yào）集中的地區（qū），擁有的工業機器人數量占據全國工業機器人市場的半壁（bì）江山（shān）。

不（bú）過，由於核心技（jì）術缺乏，我國工業機器（qì）人消費嚴（yán）重依賴國外企業，尤（yóu）其在減速機、伺服電機、控製器等核心（xīn）零（líng）部件上，我國本土機器人企業受製於人（rén），隻能（néng）購買（mǎi）高昂的國外（wài）設備（bèi），這需（xū）要國產工業（yè）機（jī）器人廠商不斷提高（gāo）技術，加大研發水平，早日擺脫國（guó）外機器人品牌對中國工業（yè）機器人消費市場的控製。

考慮（lǜ）到目前全球製造業工業機器人密度為55，而中國工業機器人密度（dù）僅為21，遠低於日韓德美等（děng）發達國（guó）家，以及智能製造背景下，“機器換人”政策（cè）不斷落地，未來我國（guó）工業機器人市場還有很大的增長空間。匯川技術、機器（qì）人（rén）、智雲股份、科遠股份、秦川機床等相關概念公司將在機器人紅利下取得較好發展。

工業機器人的發展階段

工業機器人的發展通（tōng）常可規劃分（fèn）為三代：

1、第一代工業機器人：

通常是指（zhǐ）目前國際上商品化與使用化的“可編程的工業機（jī）器人”，又稱“示教再現工業機器人”，即為了讓工業機器人完成某項作業，首先由操作者將完成該作業所需要的各種知識（如運動軌跡、作業條件、作業順序和作（zuò）業（yè）時間等），通過直接或間接手段，對工業機器人進行“示教”，工（gōng）業機器人將（jiāng）這（zhè）些知（zhī）識（shí）記憶下來後，即可根據“再現”指（zhǐ）令（lìng），在一定精度範圍內，忠實的重複再現各種被示（shì）教的動作。1962年美國萬能自動化公司的第一台Unimate工業（yè）機器人在美國（guó）通用汽車公司投入使用，標誌著第一代工業機器人的誕生。

2、第二代工業機器人：

通（tōng）常是指具有某種（zhǒng）智能（如觸覺、力覺、視覺等）功能的（de）“智能機器人”。即有傳感器得到觸覺、力覺和視覺等信（xìn）息（xī）計算機處理後，控製機器人（rén）的操作機完成相應的（de）適當操作。1982年美國通用汽車在（zài）裝配線上為工業機器人裝備了視覺係統，從而宣布了新一代智能工業機器人的問世（shì）。

3、第三代工業機器人：

即所謂的“隻治式工業機器人”。它不僅具有感知功能，而且還有一定的決策及規劃能力。第一代工業機器人目前仍處（chù）在實驗室研究階段。工業機器人經曆了（le）誕生---成長---成熟期後，已成為製造業中（zhōng）不可缺少的核（hé）心裝備，世界上有約75萬台工業機器人正與工人朋友並肩戰鬥在個條生（shēng）產線上。

特種（zhǒng）機（jī）器人作為機器人家族的後起之秀，由於其用（yòng）途廣泛而大（dà）有後來居上之勢，仿人機（jī）器人、農業機器人、服務機器人（rén）、水下機器人（rén）、醫療機器人、軍用（yòng）機器（qì）人（rén）、娛樂機器人等各種用途發特種機器人紛紛（fēn）麵世（shì），而且正以飛快的速度向（xiàng）實用化邁進。

工業機器人的分類

工業機器人按不同的方法可分下述類型

1、工業（yè）機器人按操作機坐標形式分以下幾類：（坐標形式是指操作機的手（shǒu）臂（bì）在運動時所取的參考（kǎo）坐標係的形式。）

（1）直角坐標型工（gōng）業機器人

其運動部分由三個相互（hù）垂直的直線移動（即PPP）組成，其工作空間圖形為長方形。它在（zài）各個軸向的移動距離，可在各個坐標軸（zhóu）上直（zhí）接讀出，直觀性強，易於位置和姿態的編（biān）程計算，定位精度高（gāo），控製無耦合，結（jié）構簡單，但機體所占空間體（tǐ）積大（dà），動作範圍小（xiǎo），靈活性差，難與其他工業機器人（rén）協調工作。

（2）圓柱坐標型（xíng）工業機器人

其運動形式是通過一個轉動和兩個移動組成的運動係統來（lái）實現的，其（qí）工作（zuò）空間（jiān）圖形為圓柱，與直（zhí）角坐標型工業機器人相比，在相同的工作空間（jiān）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，難與其他工業機（jī）器人協調工作。

（3）球坐標型工業機器人

又稱極坐（zuò）標型工業機器人，其手臂（bì）的運動由兩個轉動和一個直線移動（即RRP,一個回轉，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（tā）可以作（zuò）上下（xià）俯仰動作並（bìng）能抓取地麵上或教低位置的協調工件，其位置精度高，位置誤差（chà）與臂長成正比。

（4）多關節型工業機器人（rén）

又稱回轉坐標型工業機器人（rén），這種工業（yè）機器人的手臂與人一體上肢類似，其前三個關節是回轉（zhuǎn）副（即RRR），該工業機器人一般由立（lì）柱和大（dà）小（xiǎo）臂（bì）組（zǔ）成，立柱與大臂見形成肩關節（jiē），大臂和小臂間形成肘關節（jiē），可使大臂（bì）做回轉運（yùn）動和俯仰（yǎng）擺動（dòng），小臂做仰俯擺動。其結構最（zuì）緊湊，靈活性大，占地麵積（jī）最小，能與其他工業機器人協調工作，但位置精度教低，有平衡問（wèn）題，控製耦合，這種工業機器人應用越來越廣泛。

（5）平麵關節型工業（yè）機器人

它（tā）采用一個移動關（guān）節和（hé）兩個回轉關節（即PRR），移動關節實現上下運動，而兩個回轉關節則控製前後、左右運動。這種（zhǒng）形式的工業機器人又稱（SCARA(Seletive Compliance Assembly Robot Arm)裝（zhuāng）配機器（qì）人（rén）。在水平方向（xiàng）則具有柔順性，而在垂直方向則有教大的剛性。它結構簡單，動作靈活，多用於裝配作業中，特別適合小規格零件的插接裝配，如在電子工業的插接、裝配中應用廣泛。

2、工業機器人按驅動方式分以下（xià）幾類：

（1）氣動式工業機器人（rén）

這類工業機器人以壓縮空氣來（lái）驅動操作機，其優點是空氣來源方便，動作迅（xùn）速，結構簡（jiǎn）單造（zào）價低，無汙（wū）染，缺點（diǎn）是空氣具有（yǒu）可壓縮性，導致（zhì）工作速度的穩定性（xìng）較差，又因氣源壓力一般隻（zhī）有6kPa左右，所以這類工業機器人抓舉（jǔ）力較小，一般隻（zhī）有幾（jǐ）十牛頓，最大百餘牛頓。

（2）液壓式工業機器人

液壓壓力比氣壓壓力高得多，一（yī）般為70kPa左（zuǒ）右，故液壓傳動工業機器人具有較大的抓舉（jǔ）能力，可達（dá）上千牛頓。這類工業機器人結構緊湊，傳動平穩，動作靈敏，但對密封要求（qiú）較高（gāo），且不宜在高溫或低溫環境下工作（zuò）。

（3）電動式工業機器人

這是目前用得（dé）最多的一類（lèi）工業（yè）機器人，不僅因為電動機品種眾多，為工業機器人設計提供了多種選擇（zé），也因為它們可以運用多種靈活控製的方法。早（zǎo）期（qī）多采用步進電機驅動，後來發展了直流伺服驅動單元，目前交流伺服驅動（dòng）單元也在迅速發展。這些驅動單元（yuán）或是（shì）直接驅動操作機（jī），或是通過諸（zhū）如諧波減速器的裝置來減（jiǎn）速後驅（qū）動，結構十分緊湊、簡單。

工業機器人的控製係統（tǒng）

機器（qì）人係（xì）統（tǒng）的結構由機（jī）器人的機（jī）構部分、傳感器組、控製部分及信（xìn）息處理部分組（zǔ）成。其中控製係統是機（jī）器人產業的一個核心環節。

1、工業機器人控製係統所要達到的功能

機器人控製係統用於對操作（zuò）機（jī）的控製，以完成特定的工作（zuò）任務，其基本功能如下：

（1）記憶功能：

存儲作業（yè）順序、運動路徑、運動方式、運動（dòng）速度和與生產工藝有關的信息。

（2）示教功能：

離（lí）線編（biān）程，在線示教，間接（jiē）示教。在（zài）線示（shì）教包括示教盒和導引示教兩（liǎng）種。

（3）與外圍設備聯係功（gōng）能：

輸入和輸（shū）出接口、通信接口、網絡接口、同步接（jiē）口。

（4）坐標設置功能：

有關節、絕對、工具、用戶自定義四種（zhǒng）坐標係。

（5）人機接口：

示教（jiāo）盒、操作麵板、顯示屏（píng）。

（6）傳感器接口：

位置檢測（cè）、視覺、觸（chù）覺、力覺等。

（7）位置伺服功（gōng）能：

機器人多軸（zhóu）聯動、運動控製、速度和加速度控製、動（dòng）態補償等。

（8）故障診斷安全保護功能：

運行時係統狀態監視、故障狀態下的安全保護和故障自診斷。

2、工業機器人（rén）控製（zhì）係統的組成

機（jī）器人控（kòng）製係統組（zǔ）成框圖

（1）控製計算機：

控製係統的調度指揮機構。一般為微（wēi）型機、微處理（lǐ）器有32位、64位等（děng），如奔騰係列CPU以（yǐ）及其他類型CPU。

（2）示教盒：

示（shì）教機器人的工作軌跡和參數設定，以及所有人（rén）機交互操作，擁有自己獨立的CPU以及存儲單元，與主計（jì）算機之間（jiān）以串行通信方式實現信息交互。

（3）操作麵（miàn）板（bǎn）：

由各種操作按鍵、狀態指示燈構成，隻完成基本功能（néng）操作（zuò）。

（4）硬盤和軟盤存儲存：

儲機器人工作程序的外圍（wéi）存儲器。

（5）數字和模擬量輸入輸（shū）出：

各種狀態和控製命令的輸入或輸出。

（6）打（dǎ）印機接口：

記錄需要輸出（chū）的各種信息。

（7）傳感器接口：

用於信（xìn）息的自動檢測，實現機器人柔順控製（zhì），一般為力覺、觸覺（jiào）和視覺傳感器。

（8）軸（zhóu）控製器：

完成機器人各關節位（wèi）置、速度（dù）和（hé）加速度控製。

（9）輔（fǔ）助設備控製：

用於和機器人配合的輔助設備控製，如手爪（zhǎo）變位器等。

（10）通（tōng）信（xìn）接口：

實現機器人和其（qí）他設備的（de）信息交換，一般有串行接口、並行（háng）接口等。

（11）網絡接口：

1）Ethernet接口：可通過以太網實現數台或單台機器人的直接PC通信，數據傳輸速率高達（dá）10Mbit/s，可直接在PC上用windows庫函數進行應用程（chéng）序編程之後，支持TCP/IP通信協議，通過Ethernet接口將數據及程序裝入（rù）各（gè）個機器人控製器中。

2）Fieldbus接口：支持（chí）多種流（liú）行（háng）的（de）現場（chǎng）總線規格，如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。

3、工業機器人控製係（xì）統分類

（1）程序控製係統：

給每一個自由度施加一定規律的控製作用，機器人就可實現要求（qiú）的空間軌跡。

（2）自適（shì）應控（kòng）製係（xì）統：

當外界條件變化時，為保證所要（yào）求的品質（zhì）或為了隨著經（jīng）驗的積累而自行改（gǎi）善控製品質（zhì），其過程是基於操作機（jī）的狀（zhuàng）態和伺服誤差的觀察，再調整非線性（xìng）模型的參數，一直到誤差消失為止。這種係統的結構和參數能隨時間（jiān）和條件自動改變。

（3）人工智能係統：

事先無法編製運（yùn）動程序，而是要求在（zài）運動過程中根據所（suǒ）獲得的周圍狀態信息，實時確定控製作用。

驅動方（fāng）式：參見工業機器人（rén）驅動係統。

運動方（fāng）式：

（4）點位式：

要求機器人準確（què）控製末端執（zhí）行器的位姿，而與路徑無關；

（5）軌跡式：

要求機器人按（àn）示教的軌跡和速度運動（dòng）。

（6）控製總線：

國際標準總線控製係統。采用國際標準總線作為控製係統的（de）控製總線，如VME、MULTI-bus、STD-bus、PC-bus。

（7）自定（dìng）義總線控製係統：

由生產廠家自（zì）行定義使用的總線作為控製係統總線。

（8）編程方式：

物理設置編程係統。由操作（zuò）者設置固定的限（xiàn）位開關，實現起動，停車的程（chéng）序操（cāo）作，隻能用於簡單的拾起和放置作業。

（9）在線編程：

通過人的示（shì）教來完成操作信（xìn）息（xī）的記（jì）憶過程編程方式，包括直接示教（即手把手示教）模擬示教和示教盒示教。

（10）離線編程：

不對實（shí）際作業的機器人直接示教，而是脫離實際作業環境，生成示教程序（xù），通過使用高級機器人，編程語言（yán），遠程式離線生成機器人（rén）作業軌（guǐ）跡（jì）。

4、機器人控製係統（tǒng）結構

機器（qì）人控製係統（tǒng）按其控製方式可分為三類。

集中控製係統（tǒng）框圖

用一台計算機（jī）實現全部控製功能，結構簡單，成本低，但實時性差，難以擴展，在早期的機（jī）器人中常采用這種結構，其構成框圖，如圖所（suǒ）示。

基於PC 的（de）集（jí）中控製係統裏（lǐ），充分（fèn）利用了PC 資源開放性的特點，可以（yǐ）實現很好的開放（fàng）性：多種控製卡，傳（chuán）感器設備等都（dōu）可以通過標準PCI插槽（cáo）或通過標準串口、並口集成（chéng）到控製係統中。

集中式控製（zhì）係統（tǒng）的優點是：硬件成本較低，便於（yú）信息的采集和分析，易（yì）於實現（xiàn）係統的最優控製，整體性與協調（diào）性較好，基於PC 的係統硬件擴展較為方便。其缺點也顯而易見：係統控製缺乏靈活性，控製危險容易集中，一旦出現故障，其影響麵（miàn）廣，後果嚴重；由於（yú）工業機器人的實時性要求很高，當係統（tǒng）進行大量（liàng）數據計算，會降低（dī）係統實時性，係統對多任務的響應能力也會與係統（tǒng）的實時性相衝突；此外，係（xì）統連線複雜（zá），會降低（dī）係統的可（kě）靠性。

（2）主從控製係統：

采用主、從兩級處理器實現係統的（de）全部控製功能。主CPU實現管理、坐標變換、軌跡生成和係統自診斷等；從（cóng）CPU實現所有（yǒu）關節的動作控製。其構成框圖，如圖。

主從控製方式係統實時性較好，適於（yú）高精度、高速度控製，但其（qí）係統擴展性較差（chà），維修困難。

主從動控製係框（kuàng）圖

（3）分散控製係統(Distribute Control System )：

按係統的（de）性質和方式將係統（tǒng）控製分成幾個（gè）模（mó）塊（kuài），每（měi）一個模塊各有不同的控製任務和控製策略，各模式之間可以是主從關係，也可以是（shì）平等（děng）關係。

這種（zhǒng）方式實（shí）時性好，易於實現高速、高精度控製，易於擴展，可實現智能控製，是目前流行的方式。

其主要思想是“分散控製，集中管理”，即係統對其總體目標和任務可以進行（háng）綜合協調和分配，並通過（guò）子係統的協調工作來完成控製任務，整個係統在功能、邏輯和物理（lǐ）等方麵（miàn）都是分散的，所以（yǐ）DCS 係統又稱為集散控製係統或分散控製係統。

這種結構中，子係統是由控製器和不同被控對象或設備構成的，各個子（zǐ）係統之間通過網絡等（děng）相互通訊（xùn）。分（fèn）布式控製結構提供了一個開（kāi）放、實時（shí）、精確的機器人控製係統。分布式係統中常采用兩級控製方（fāng）式。

兩級（jí）分布式控製係統，通常由上位機、下為機和（hé）網絡組成。上位機（jī）可以進（jìn）行不同的軌跡規劃（huá）和（hé）控製算法（fǎ），下位機進行插補細分、控製優化等的研（yán）究和實現。上位機（jī）和下位機通過通訊（xùn）總線相互協調工作，這裏的通訊總線可以是RS-232、RS-485、EEE-488 以及USB 總線等形式。

現在，以太網和現場總線（xiàn）技術的（de）發展為機器人提供了更快速、穩定、有（yǒu）效的通訊服務。尤其是現場總線，它應用於生產現場（chǎng）、在微（wēi）機化測量控製設備之間實現雙向多結點數字通信（xìn），從而形成了（le）新型的網絡集成式全分布控製係統—現場總線控製係統FCS ( Filed bus Control System )。

在工廠生產網絡中，將可以通過現場總線連接（jiē）的設備統稱為“現（xiàn）場設（shè）備/儀（yí）表”。從係統論的角度來說（shuō），工業機器人作為工廠的生產設備之一，也可以歸納為現場設（shè）備。在機器人係統中引入現場（chǎng）總線技術（shù）後，更有利於（yú）機器人在工業生產環境中的集成。

分布式控製（zhì）係統框圖

分布式控製係統的優點在於：係統靈活性好，控製係統的危險性降低，采（cǎi）用多處理器的分散控（kòng）製，有利於係統功能的並行執行，提高係統的處理效率，縮短響應時間。

對於具有多自由度的工業機（jī）器人而言，集中控製對各個控製軸之間（jiān）的（de）藕合關係處理得很好（hǎo），可以（yǐ）很簡單（dān）的進行補償。但是，當軸的數量增加到使控製（zhì）算法變得很複雜時（shí），其控製性能（néng）會惡（è）化。而且，當係統中（zhōng）軸的數量或控（kòng）製算法變得很複雜時，可（kě）能會導致係統的重新設計。與之（zhī）相（xiàng）比，分布式結構（gòu）的每一個（gè）運（yùn）動軸都由一個控製器處理（lǐ），這意味著，係統有較少的軸間耦合和較高的係統重構性。

“工（gōng）業4.0”是指繼蒸（zhēng）汽機、電（diàn）氣化與自動化後（hòu）的第四次工業革命，它將傳統工業（yè）與（yǔ）數字信息技術結合，借助大數據、雲計算等技（jì）術實現智能生產。在（zài）中（zhōng）國，“工業4.0”意味著國（guó）家製造業的升級，為（wéi）此中國專門提出了“中國製（zhì）造2025”的發展目標，目標提出我國要在2025年前，從製造業大國邁入（rù）製造業強國。

（來源（yuán）：傳感器技術）

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