小型工业机器人的设计状况与前景

      工业机器人、机械手在先进制造技术领域中扮演着极其重要的角色，是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务， 在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

　　  1 国内外设计状况

　　  1.1 机器人领域

　　  机器人技术与信息技术一样，在强化产业竞争力方面是极为重要的战略技术领域。机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表， 是人造机器的“终极”形式。它涉及到机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成，因此它的发展与众多学科发展密切相关。一方面， 机器人在制造业应用的范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展;另一方面，机器人向着非制造业应用发展以及微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。总体趋势是，从狭义的机器人概念向广义的机器人技术概念转移，从工业机器人产业向解决方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有在实世界动作功能的智能化系统”。

　　  工业机器人由操作机(机械本体) 、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构工成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率， 改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

　　  机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动， 而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置， 既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力， 又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力， 从某种意义上说它也是机器的进化过程产物， 它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备， 也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.

　　  1.2 机械手领域

　　  工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特 点是可通过编程来完成各种预期的作业任务， 在构造和性能上 兼有人和机器各自的优点， 尤其体现了人的智能和适应性。机 械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力， 在国民经济 各领域有着广阔的发展前景。机械手技术涉及到力学、机械学、 电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科 学领域， 是一门跨学科综合技术。

　　  2 工业机器人的研究趋势

　　  目前， 国外机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展， 其现状及发展趋势主要体现在以下几个方面：

　　  (1) 工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠 性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97 年的6.5万美元。

　　  (2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化;由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人 产品问市。

　　  (3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构; 大大提高了系统的可靠性、易操作性和 可维修性。[page]

      (4)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

　　  (5)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来， 这种新型装置已成为国际研究的热点之一， 纷纷探索开拓其实际应用的领域。

　  　3 有关工业机械手的设计技术

　　  3.1 机器人机构技术

　　  目前已经开发出了多种类型机器人机构， 运动自由度从3自由度到7或8自由度不等，其结构有串联、并联及垂直关节和平面关节多种。目前研究重点是机器人新的结构、功能及可实现性，其目的是使机器功能更强、柔性更大、满足不同目的的需求。另外研究机器人一些新的设计方法， 探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比。同时机器人机构向着模块化、可重构方向发展。

　  　3.2 机器人控制技术

　　  现已实现了机器人的全数字化控制，控制能力可达21轴的协调运动控制;基于传感器的控制技术已取得了重大进展。目前重点研究开放式、模块化控制系统，人机界面更加友好，具有良好的语言及图形编辑界面。同时机器人的控制器的标准化和网络化以及基于Pc机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外， 离线编程的实用化将成为重点研究内容。

　　  3.3 数字伺服驱动技术

　　  机器人已经实现了全数字交流伺服驱动控制，绝对位置反馈。目前正研究利用计算机技术，探索高效的控制驱动算法，提高系统的响应速度 和控制精度;同时利用现场总线(PROFIBUS)技术，实现的分布式控制。

　　  3.4 多传感系统技术

　　  为进一步提高机器人的智能和适应性， 多种传感器的应用是其问题解决的关键。目前视觉传感器、激光传感器等已在机器人中成功应用。下一步的研究热点集中在有效可行的(特别是在非线性及非平稳非正态分布的情形下)多传感器融合算法， 以及解决传感系统的实用化问题。

　　  3.5 机器人应用技术

　　  机器人应用技术主要包括机器人工作环境的优化设计和智能作业。优化设计主要利用各种先进的计算机手段， 实现设计的动态分析和仿真， 提高设计效率和优化。智能作业则是利用传感器技术和控制方法， 实现机器人作业的高度柔性和对环境的适应性， 同时降低操作人员参与的复杂性。目前， 机器人的作业主要靠人的参与实现示教， 缺乏自我学习和自我完善的能力。这方面的研究工作刚刚开始。

　  　3.6 机器人网络化技术

　　  网络化使机器人由独立的系统向群体系统发展， 使远距离操作监控、维护及遥控脑型工厂成为可能， 这是机器人技术发展的一个里程碑。目前， 机器人仅仅实现了简单的网络通讯和控制， 网络化机器人是目前机器人研究中的热点之一。

　  　3.7 机器人灵巧化和智能化发展

　　  机器人结构越来越灵巧， 控制系统愈来愈小， 其智能也越来越高， 并正朝着一体化方向发展。[page]

　    3.8 工业机器人的技术发展趋势

　　  机器人是最典型的机电一体化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。从近几年世界机器人推出的产品来看，工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为结构的模块化和可重构化，控制技术的开放化、PC化和网络化，伺服驱动技术的数字化和分散化，多传感器融合技术的实用化，工作环境设计的优化和作业的柔性化，以及系统的网络化和智能化等方面。

　  　4 新兴技术在机器人上的应用

　　  4.1 微机在机器人上的应用

　　  微操作系统作为MEMS研究领域的一个重要分支受到各发达国家的高度重视， 纷纷投入大量资金进行微操作机器人系统的研究， 现已研制出多种各具特色的微操作机器人实验样机系统。大多数工业机器人是按照给定的程序做简单重复的动作(如焊接、装配、搬运等)， 不需要太强的智能。而对于微操作机器人来说，情况就有很大不同。因为被操作对象十分微小， 操作人员不可能十分清楚它们的精确位置， 况且外界环境的变化使得它们的相对位置不定，微观世界里的物理法则及力学特性与宏观世界也大相径庭， 这就要求机器人有很强的自动识别能力和决策能力。

　　  4.2 蓝牙在机器人上的应用

　　  机器人智能技术中最为重要的相关领域是机器人的多感觉系统和多传感信息的集成与融合。蓝牙技术是用于替代电缆或连线的短距离无线通信技术。机器人采集信号可以通过在智能机器人上安装一个带有蓝牙模块的探测器作为接收设备来完成各种不同通信协议之间的转换和信息共享以及同外部通信之间的数据交换功能， 同时还负责对各个从设备的管理和控制。

　　  5 我国工业机器人的发展前景

　　  有人认为， 应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。

　  　我国机器人学研究起步较晚， 但进步较快， 已经在工业机器人、特种机器人和智能机器人各个方面区的了明显的成就。近年来我国的机器人自动化技术也取得了长足的发展， 但是与世界发达国家相比， 还有一定的差距， 如可靠性低于国外产品;机器人应用工程起步较晚， 应用领域窄， 生产线系统技术与国外比有差距。我国目前从事机器人研发和应用工程的单位相对较少， 工业机器人的拥有量远远不能满足需求量， 长期大量依靠从国外引进。

　　  我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术， 生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用， 弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看， 我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离， 如： 可靠性低于国外产品; 机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距; 在应用规模上， 我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业。当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”， 品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术， 对产品进行全面规划， 搞好系列化、通用化、模化设计， 积极推进产业化进程。