我國工業(yè)機器人呈現(xiàn)強勁發(fā)展的態(tài)勢

《中國制造2025》規(guī)劃了我國制造強國的戰(zhàn)略目標，智能制造成為工業(yè)制造轉(zhuǎn)型的重中之重。在智能化的大勢下，智能裝備下游應用領(lǐng)域加快拓展，工業(yè)機器人發(fā)展可期。

工業(yè)機器人指的是能在人的控制下智能工作，并能完美替代人力在生產(chǎn)線上工作的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器裝置。與人力相比，工業(yè)機器人具有低成本、高效率以及24小時工作的特點。近年來，隨著國內(nèi)勞動力成本不斷上漲，我國制造業(yè)勞動力優(yōu)勢不顯，制造業(yè)亟待向智能化轉(zhuǎn)型，工業(yè)機器人呈現(xiàn)強勁發(fā)展的態(tài)勢。

我國是工業(yè)機器人消費大國，從2013年其就連續(xù)兩年成為全球第一大工業(yè)機器人消費市場。汽車制造、電子、橡膠塑料、軍工、航空制造、食品工業(yè)、醫(yī)藥設備與金屬制品等領(lǐng)域常有工業(yè)機器人“身影”。其中汽車工業(yè)的應用最多，比例達38%。廣東、江蘇、上海、北京等地是我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)主要集中的地區(qū)，擁有的工業(yè)機器人數(shù)量占據(jù)全國工業(yè)機器人市場的半壁江山。

不過，由于核心技術(shù)缺乏，我國工業(yè)機器人消費嚴重依賴國外企業(yè)，尤其在減速機、伺服電機、控制器等核心零部件上，我國本土機器人企業(yè)受制于人，只能購買高昂的國外設備，這需要國產(chǎn)工業(yè)機器人廠商不斷提高技術(shù)，加大研發(fā)水平，早日擺脫國外機器人品牌對中國工業(yè)機器人消費市場的控制。

考慮到目前全球制造業(yè)工業(yè)機器人密度為55，而中國工業(yè)機器人密度僅為21，遠低于日韓德美等發(fā)達國家，以及智能制造背景下，“機器換人”政策不斷落地，未來我國工業(yè)機器人市場還有很大的增長空間。匯川技術(shù)、機器人、智云股份、科遠股份、秦川機床等相關(guān)概念公司將在機器人紅利下取得較好發(fā)展。

工業(yè)機器人的發(fā)展階段

工業(yè)機器人的發(fā)展通常可規(guī)劃分為三代：

1、第一代工業(yè)機器人：

通常是指目前國際上商品化與使用化的“可編程的工業(yè)機器人”，又稱“示教再現(xiàn)工業(yè)機器人”，即為了讓工業(yè)機器人完成某項作業(yè)，首先由操作者將完成該作業(yè)所需要的各種知識（如運動軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序和作業(yè)時間等），通過直接或間接手段，對工業(yè)機器人進行“示教”，工業(yè)機器人將這些知識記憶下來后，即可根據(jù)“再現(xiàn)”指令，在一定精度范圍內(nèi)，忠實的重復再現(xiàn)各種被示教的動作。1962年美國萬能自動化公司的第一臺Unimate工業(yè)機器人在美國通用汽車公司投入使用，標志著第一代工業(yè)機器人的誕生。

2、第二代工業(yè)機器人：

通常是指具有某種智能（如觸覺、力覺、視覺等）功能的“智能機器人”。即有傳感器得到觸覺、力覺和視覺等信息計算機處理后，控制機器人的操作機完成相應的適當操作。1982年美國通用汽車在裝配線上為工業(yè)機器人裝備了視覺系統(tǒng)，從而宣布了新一代智能工業(yè)機器人的問世。

3、第三代工業(yè)機器人：

即所謂的“只治式工業(yè)機器人”。它不僅具有感知功能，而且還有一定的決策及規(guī)劃能力。第一代工業(yè)機器人目前仍處在實驗室研究階段。工業(yè)機器人經(jīng)歷了誕生---成長---成熟期后，已成為制造業(yè)中不可缺少的核心裝備，世界上有約75萬臺工業(yè)機器人正與工人朋友并肩戰(zhàn)斗在個條生產(chǎn)線上。

特種機器人作為機器人家族的后起之秀，由于其用途廣泛而大有后來居上之勢，仿人機器人、農(nóng)業(yè)機器人、服務機器人、水下機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、娛樂機器人等各種用途發(fā)特種機器人紛紛面世，而且正以飛快的速度向?qū)嵱没~進。

工業(yè)機器人的分類

工業(yè)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臂在運動時所取的參考坐標系的形式。）

（1）直角坐標型工業(yè)機器人

其運動部分由三個相互垂直的直線移動（即PPP）組成，其工作空間圖形為長方形。它在各個軸向的移動距離，可在各個坐標軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高，控制無耦合，結(jié)構(gòu)簡單，但機體所占空間體積大，動作范圍小，靈活性差，難與其他工業(yè)機器人協(xié)調(diào)工作。

（2）圓柱坐標型工業(yè)機器人

其運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動和兩個移動組成的運動系統(tǒng)來實現(xiàn)的，其工作空間圖形為圓柱，與直角坐標型工業(yè)機器人相比，在相同的工作空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大，其位置精度僅次于直角坐標型機器人，難與其他工業(yè)機器人協(xié)調(diào)工作。

（3）球坐標型工業(yè)機器人

又稱極坐標型工業(yè)機器人，其手臂的運動由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線移動（即RRP,一個回轉(zhuǎn)，一個俯仰和一個伸縮運動）所組成，其工作空間為一球體，它可以作上下俯仰動作并能抓取地面上或教低位置的協(xié)調(diào)工件，其位置精度高，位置誤差與臂長成正比。

（4）多關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人

又稱回轉(zhuǎn)坐標型工業(yè)機器人，這種工業(yè)機器人的手臂與人一體上肢類似，其前三個關(guān)節(jié)是回轉(zhuǎn)副（即RRR），該工業(yè)機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂見形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂做回轉(zhuǎn)運動和俯仰擺動，小臂做仰俯擺動。其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，能與其他工業(yè)機器人協(xié)調(diào)工作，但位置精度教低，有平衡問題，控制耦合，這種工業(yè)機器人應用越來越廣泛。

（5）平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人

它采用一個移動關(guān)節(jié)和兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（即PRR），移動關(guān)節(jié)實現(xiàn)上下運動，而兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)則控制前后、左右運動。這種形式的工業(yè)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順性，而在垂直方向則有教大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)的插接、裝配中應用廣泛。

2、工業(yè)機器人按驅(qū)動方式分以下幾類：

（1）氣動式工業(yè)機器人

這類工業(yè)機器人以壓縮空氣來驅(qū)動操作機，其優(yōu)點是空氣來源方便，動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單造價低，無污染，缺點是空氣具有可壓縮性，導致工作速度的穩(wěn)定性較差，又因氣源壓力一般只有6kPa左右，所以這類工業(yè)機器人抓舉力較小，一般只有幾十牛頓，最大百余牛頓。

（2）液壓式工業(yè)機器人

液壓壓力比氣壓壓力高得多，一般為70kPa左右，故液壓傳動工業(yè)機器人具有較大的抓舉能力，可達上千牛頓。這類工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)，動作靈敏，但對密封要求較高，且不宜在高溫或低溫環(huán)境下工作。

（3） 電動式工業(yè)機器人

這是目前用得最多的一類工業(yè)機器人，不僅因為電動機品種眾多，為工業(yè)機器人設計提供了多種選擇，也因為它們可以運用多種靈活控制的方法。早期多采用步進電機驅(qū)動，后來發(fā)展了直流伺服驅(qū)動單元，目前交流伺服驅(qū)動單元也在迅速發(fā)展。這些驅(qū)動單元或是直接驅(qū)動操作機，或是通過諸如諧波減速器的裝置來減速后驅(qū)動，結(jié)構(gòu)十分緊湊、簡單。

工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)

機器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由機器人的機構(gòu)部分、傳感器組、控制部分及信息處理部分組成。其中控制系統(tǒng)是機器人產(chǎn)業(yè)的一個核心環(huán)節(jié)。

1、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)所要達到的功能

機器人控制系統(tǒng)用于對操作機的控制，以完成特定的工作任務，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、運動速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān)的信息。

（2）示教功能：

離線編程，在線示教，間接示教。在線示教包括示教盒和導引示教兩種。

（3）與外圍設備聯(lián)系功能：

輸入和輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡接口、同步接口。

（4）坐標設置功能：

有關(guān)節(jié)、絕對、工具、用戶自定義四種坐標系。

（5）人機接口：

示教盒、操作面板、顯示屏。

（6）傳感器接口：

位置檢測、視覺、觸覺、力覺等。

（7）位置伺服功能：

機器人多軸聯(lián)動、運動控制、速度和加速度控制、動態(tài)補償?shù)取?br />

（8）故障診斷安全保護功能：

運行時系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護和故障自診斷。

2、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的組成

機器人控制系統(tǒng)組成框圖

（1）控制計算機：

控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮機構(gòu)。一般為微型機、微處理器有32位、64位等，如奔騰系列CPU以及其他類型CPU。

（2）示教盒：

示教機器人的工作軌跡和參數(shù)設定，以及所有人機交互操作，擁有自己獨立的CPU以及存儲單元，與主計算機之間以串行通信方式實現(xiàn)信息交互。

（3）操作面板：

由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構(gòu)成，只完成基本功能操作。

（4）硬盤和軟盤存儲存：

儲機器人工作程序的外圍存儲器。

（5）數(shù)字和模擬量輸入輸出：

各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出。

（6）打印機接口：

記錄需要輸出的各種信息。

（7）傳感器接口：

用于信息的自動檢測，實現(xiàn)機器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。

（8）軸控制器：

完成機器人各關(guān)節(jié)位置、速度和加速度控制。

（9）輔助設備控制：

用于和機器人配合的輔助設備控制，如手爪變位器等。

（10）通信接口：

實現(xiàn)機器人和其他設備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等。

（11）網(wǎng)絡接口

1）Ethernet接口：可通過以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)臺或單臺機器人的直接PC通信，數(shù)據(jù)傳輸速率高達10Mbit/s，可直接在PC上用windows庫函數(shù)進行應用程序編程之后，支持TCP/IP通信協(xié)議，通過Ethernet接口將數(shù)據(jù)及程序裝入各個機器人控制器中。

2）Fieldbus接口：支持多種流行的現(xiàn)場總線規(guī)格，如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。

3、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)分類

（1）程序控制系統(tǒng)：

給每一個自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機器人就可實現(xiàn)要求的空間軌跡。

（2）自適應控制系統(tǒng)：

當外界條件變化時，為保證所要求的品質(zhì)或為了隨著經(jīng)驗的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過程是基于操作機的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時間和條件自動改變。

（3）人工智能系統(tǒng)：

事先無法編制運動程序，而是要求在運動過程中根據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息，實時確定控制作用。
驅(qū)動方式：參見工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)。
運動方式：

（4）點位式：

要求機器人準確控制末端執(zhí)行器的位姿，而與路徑無關(guān)；

（5）軌跡式：

要求機器人按示教的軌跡和速度運動。

（6）控制總線：

國際標準總線控制系統(tǒng)。采用國際標準總線作為控制系統(tǒng)的控制總線，如VME、MULTI-bus、STD-bus、PC-bus。

（7）自定義總線控制系統(tǒng)：

由生產(chǎn)廠家自行定義使用的總線作為控制系統(tǒng)總線。

（8）編程方式：

物理設置編程系統(tǒng)。由操作者設置固定的限位開關(guān)，實現(xiàn)起動，停車的程序操作，只能用于簡單的拾起和放置作業(yè)。

（9）在線編程：

通過人的示教來完成操作信息的記憶過程編程方式，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：

不對實際作業(yè)的機器人直接示教，而是脫離實際作業(yè)環(huán)境，生成示教程序，通過使用高級機器人，編程語言，遠程式離線生成機器人作業(yè)軌跡。

4、機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為三類。

（1）集中控制系統(tǒng)(Centralized Control System )：

集中控制系統(tǒng)框圖

用一臺計算機實現(xiàn)全部控制功能，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但實時性差，難以擴展，在早期的機器人中常采用這種結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成框圖，如圖所示。

基于PC 的集中控制系統(tǒng)里，充分利用了PC 資源開放性的特點，可以實現(xiàn)很好的開放性：多種控制卡，傳感器設備等都可以通過標準PCI插槽或通過標準串口、并口集成到控制系統(tǒng)中。

集中式控制系統(tǒng)的優(yōu)點是：硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，整體性與協(xié)調(diào)性較好，基于PC 的系統(tǒng)硬件擴展較為方便。其缺點也顯而易見：系統(tǒng)控制缺乏靈活性，控制危險容易集中，一旦出現(xiàn)故障，其影響面廣，后果嚴重；由于工業(yè)機器人的實時性要求很高，當系統(tǒng)進行大量數(shù)據(jù)計算，會降低系統(tǒng)實時性，系統(tǒng)對多任務的響應能力也會與系統(tǒng)的實時性相沖突；此外，系統(tǒng)連線復雜，會降低系統(tǒng)的可靠性。

（2）主從控制系統(tǒng)：

采用主、從兩級處理器實現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。主CPU實現(xiàn)管理、坐標變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等；從CPU實現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動作控制。其構(gòu)成框圖，如圖。

主從控制方式系統(tǒng)實時性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統(tǒng)擴展性較差，維修困難。

主從動控制系框圖

（3）分散控制系統(tǒng)(Distribute Control System )：

按系統(tǒng)的性質(zhì)和方式將系統(tǒng)控制分成幾個模塊，每一個模塊各有不同的控制任務和控制策略，各模式之間可以是主從關(guān)系，也可以是平等關(guān)系。

這種方式實時性好，易于實現(xiàn)高速、高精度控制，易于擴展，可實現(xiàn)智能控制，是目前流行的方式。

其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系統(tǒng)對其總體目標和任務可以進行綜合協(xié)調(diào)和分配，并通過子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作來完成控制任務，整個系統(tǒng)在功能、邏輯和物理等方面都是分散的，所以DCS 系統(tǒng)又稱為集散控制系統(tǒng)或分散控制系統(tǒng)。

這種結(jié)構(gòu)中，子系統(tǒng)是由控制器和不同被控對象或設備構(gòu)成的，各個子系統(tǒng)之間通過網(wǎng)絡等相互通訊。分布式控制結(jié)構(gòu)提供了一個開放、實時、精確的機器人控制系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)中常采用兩級控制方式。

兩級分布式控制系統(tǒng)，通常由上位機、下為機和網(wǎng)絡組成。上位機可以進行不同的軌跡規(guī)劃和控制算法，下位機進行插補細分、控制優(yōu)化等的研究和實現(xiàn)。上位機和下位機通過通訊總線相互協(xié)調(diào)工作，這里的通訊總線可以是RS-232、RS-485、EEE-488 以及USB 總線等形式。

現(xiàn)在，以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展為機器人提供了更快速、穩(wěn)定、有效的通訊服務。尤其是現(xiàn)場總線，它應用于生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設備之間實現(xiàn)雙向多結(jié)點數(shù)字通信，從而形成了新型的網(wǎng)絡集成式全分布控制系統(tǒng)—現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS ( Filed bus Control System )。

在工廠生產(chǎn)網(wǎng)絡中，將可以通過現(xiàn)場總線連接的設備統(tǒng)稱為“現(xiàn)場設備/儀表”。從系統(tǒng)論的角度來說，工業(yè)機器人作為工廠的生產(chǎn)設備之一，也可以歸納為現(xiàn)場設備。在機器人系統(tǒng)中引入現(xiàn)場總線技術(shù)后，更有利于機器人在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的集成。

分布式控制系統(tǒng)框圖

分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于：系統(tǒng)靈活性好，控制系統(tǒng)的危險性降低，采用多處理器的分散控制，有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行，提高系統(tǒng)的處理效率，縮短響應時間。

對于具有多自由度的工業(yè)機器人而言，集中控制對各個控制軸之間的藕合關(guān)系處理得很好，可以很簡單的進行補償。但是，當軸的數(shù)量增加到使控制算法變得很復雜時，其控制性能會惡化。而且，當系統(tǒng)中軸的數(shù)量或控制算法變得很復雜時，可能會導致系統(tǒng)的重新設計。與之相比，分布式結(jié)構(gòu)的每一個運動軸都由一個控制器處理，這意味著，系統(tǒng)有較少的軸間耦合和較高的系統(tǒng)重構(gòu)性。

“工業(yè)4.0”是指繼蒸汽機、電氣化與自動化后的第四次工業(yè)革命，它將傳統(tǒng)工業(yè)與數(shù)字信息技術(shù)結(jié)合，借助大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)實現(xiàn)智能生產(chǎn)。在中國，“工業(yè)4.0”意味著國家制造業(yè)的升級，為此中國專門提出了“中國制造2025”的發(fā)展目標，目標提出我國要在2025年前，從制造業(yè)大國邁入制造業(yè)強國。

原文標題：機器換人時代的工業(yè)機器人

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責任編輯：haq