小型工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計狀況與前景

????? 工業(yè)機(jī)器人、機(jī)械手在先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)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(shè)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(jī)器，它有多個自由度，可用來搬運(yùn)物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)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(yù)期的作業(yè)任務(wù)， 在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。

　　? 1 國內(nèi)外設(shè)計狀況

　　? 1.1 機(jī)器人領(lǐng)域

　　? 機(jī)器人技術(shù)與信息技術(shù)一樣，在強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)競爭力方面是極為重要的戰(zhàn)略技術(shù)領(lǐng)域。機(jī)器人是先進(jìn)制造技術(shù)和自動化裝備的典型代表， 是人造機(jī)器的“終極”形式。它涉及到機(jī)械、電子、自動控制、計算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡(luò)等多個學(xué)科和領(lǐng)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(xué)科發(fā)展密切相關(guān)。一方面， 機(jī)器人在制造業(yè)應(yīng)用的范圍越來越廣闊，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度也越來越高，功能越來越強(qiáng)，并向著成套技術(shù)和裝備的方向發(fā)展;另一方面，機(jī)器人向著非制造業(yè)應(yīng)用發(fā)展以及微小型方向發(fā)展，并將服務(wù)于人類活動的各個領(lǐng)域。總體趨勢是，從狹義的機(jī)器人概念向廣義的機(jī)器人技術(shù)概念轉(zhuǎn)移，從工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)向解決方案業(yè)務(wù)的機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)的內(nèi)涵已變?yōu)椤办`活應(yīng)用機(jī)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(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)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(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)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(jī)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(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置， 既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力， 又有機(jī)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(jī)器的進(jìn)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(wù)性設(shè)備， 也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備.

　　? 1.2 機(jī)械手領(lǐng)域

　　? 工業(yè)機(jī)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(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)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(yù)期的作業(yè)任務(wù)， 在構(gòu)造和性能上 兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點， 尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī) 械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力， 在國民經(jīng)濟(jì) 各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、 電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等科 學(xué)領(lǐng)域， 是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。

　　? 2 工業(yè)機(jī)器人的研究趨勢

　　? 目前， 國外機(jī)器人技術(shù)正在向智能機(jī)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(jī)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(jī)價格不斷下降，平均單機(jī)價格從91年的10.3萬美元降至97 年的6.5萬美元。

　　? (2)機(jī)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(jī)、減速機(jī)、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(jī)器人整機(jī);國外已有模塊化裝配機(jī)器人 產(chǎn)品問市。

　　? (3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)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(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。

　　? (5)機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)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(yīng)用的領(lǐng)域。

　? 　3 有關(guān)工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計技術(shù)

　　? 3.1 機(jī)器人機(jī)構(gòu)技術(shù)

　　? 目前已經(jīng)開發(fā)出了多種類型機(jī)器人機(jī)構(gòu)， 運(yùn)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(jī)器人新的結(jié)構(gòu)、功能及可實現(xiàn)性，其目的是使機(jī)器功能更強(qiáng)、柔性更大、滿足不同目的的需求。另外研究機(jī)器人一些新的設(shè)計方法， 探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載/自重比。同時機(jī)器人機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。

　? 　3.2 機(jī)器人控制技術(shù)

　　? 現(xiàn)已實現(xiàn)了機(jī)器人的全數(shù)字化控制，控制能力可達(dá)21軸的協(xié)調(diào)運(yùn)動控制;基于傳感器的控制技術(shù)已取得了重大進(jìn)展。目前重點研究開放式、模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加友好，具有良好的語言及圖形編輯界面。同時機(jī)器人的控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化以及基于Pc機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點。編程技術(shù)除進(jìn)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(jī)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(jī)技術(shù)，探索高效的控制驅(qū)動算法，提高系統(tǒng)的響應(yīng)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(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性， 多種傳感器的應(yīng)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(jī)器人中成功應(yīng)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(jī)器人應(yīng)用技術(shù)

　　? 機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)主要包括機(jī)器人工作環(huán)境的優(yōu)化設(shè)計和智能作業(yè)。優(yōu)化設(shè)計主要利用各種先進(jìn)的計算機(jī)手段， 實現(xiàn)設(shè)計的動態(tài)分析和仿真， 提高設(shè)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(jī)器人作業(yè)的高度柔性和對環(huán)境的適應(yīng)性， 同時降低操作人員參與的復(fù)雜性。目前， 機(jī)器人的作業(yè)主要靠人的參與實現(xiàn)示教， 缺乏自我學(xué)習(xí)和自我完善的能力。這方面的研究工作剛剛開始。

　? 　3.6 機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)

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

　? 　3.7 機(jī)器人靈巧化和智能化發(fā)展

　　? 機(jī)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(jī)器人的技術(shù)發(fā)展趨勢

　　? 機(jī)器人是最典型的機(jī)電一體化裝備，技術(shù)附加值很高，應(yīng)用范圍很廣，作為先進(jìn)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(jī)器人推出的產(chǎn)品來看，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正在向智能機(jī)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(luò)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(shè)計的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化，以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面。

　? 　4 新興技術(shù)在機(jī)器人上的應(yīng)用

　　? 4.1 微機(jī)在機(jī)器人上的應(yīng)用

　　? 微操作系統(tǒng)作為MEMS研究領(lǐng)域的一個重要分支受到各發(fā)達(dá)國家的高度重視， 紛紛投入大量資金進(jìn)行微操作機(jī)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(jī)器人實驗樣機(jī)系統(tǒng)。大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人是按照給定的程序做簡單重復(fù)的動作(如焊接、裝配、搬運(yùn)等)， 不需要太強(qiáng)的智能。而對于微操作機(jī)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(xué)特性與宏觀世界也大相徑庭， 這就要求機(jī)器人有很強(qiáng)的自動識別能力和決策能力。

　　? 4.2 藍(lán)牙在機(jī)器人上的應(yīng)用

　　? 機(jī)器人智能技術(shù)中最為重要的相關(guān)領(lǐng)域是機(jī)器人的多感覺系統(tǒng)和多傳感信息的集成與融合。藍(lán)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(jī)器人采集信號可以通過在智能機(jī)器人上安裝一個帶有藍(lán)牙模塊的探測器作為接收設(shè)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(fù)責(zé)對各個從設(shè)備的管理和控制。

　　? 5 我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展前景

　　? 有人認(rèn)為， 應(yīng)用機(jī)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(jī)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(jī)器人能夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟(jì)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(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。

　? 　我國機(jī)器人學(xué)研究起步較晚， 但進(jìn)步較快， 已經(jīng)在工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人和智能機(jī)器人各個方面區(qū)的了明顯的成就。近年來我國的機(jī)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(dá)國家相比， 還有一定的差距， 如可靠性低于國外產(chǎn)品;機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚， 應(yīng)用領(lǐng)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(jī)器人研發(fā)和應(yīng)用工程的單位相對較少， 工業(yè)機(jī)器人的擁有量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求量， 長期大量依靠從國外引進(jìn)。

　　? 我國的工業(yè)機(jī)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(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)， 生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺套噴漆機(jī)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(yīng)用， 弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看， 我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)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(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距; 在應(yīng)用規(guī)模上， 我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)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(jī)器人產(chǎn)業(yè)。當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)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(jìn)行全面規(guī)劃， 搞好系列化、通用化、模化設(shè)計， 積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。