淺析工業(yè)機器人控制技術與精密減速器技術

工業(yè)機器人控制技術

我國工業(yè)機器人的市場主要集中在汽車、汽車零部件、摩托車、電器、工程機械、石油化工等行業(yè)。中國作為亞洲第三大的工業(yè)機器人需求國，市場發(fā)展穩(wěn)定，汽車及其零部件制造仍然是工業(yè)機器人的主要應用領域，隨著我國產業(yè)結構調整升級不斷深入和國際制造業(yè)中心向中國的轉移，我國的機器人市場會進一步加大，市場擴展的速度也會進一步提高。本文就當前工業(yè)機器人的關鍵技術及其應用進行梳理。

機器人控制技術

機器人控制系統(tǒng)是機器人的大腦，是決定機器人功能和性能的主要因素。工業(yè)機器人控制技術的主要任務就是控制工業(yè)機器人在工作空間中的運動位置、姿態(tài)和軌跡、操作順序及動作的時間等。具有編程簡單、軟件菜單操作、友好的人機交互界面、在線操作提示和使用方便等特點。

關鍵技術包括：

（1）開放性模塊化的控制系統(tǒng)體系結構：采用分布式CPU計算機結構，分為機器人控制器（RC），運動控制器（MC），光電隔離I/O控制板、傳感器處理板和編程示教盒等。機器人控制器（RC）和編程示教盒通過串口/CAN總線進行通訊。機器人控制器（RC）的主計算機完成機器人的運動規(guī)劃、插補和位置伺服以及主控邏輯、數(shù)字I/O、傳感器處理等功能，而編程示教盒完成信息的顯示和按鍵的輸入。

（2）模塊化層次化的控制器軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)建立在基于開源的實時多任務操作系統(tǒng)Linux上，采用分層和模塊化結構設計，以實現(xiàn)軟件系統(tǒng)的開放性。整個控制器軟件系統(tǒng)分為三個層次：硬件驅動層、核心層和應用層。三個層次分別面對不同的功能需求，對應不同層次的開發(fā)，系統(tǒng)中各個層次內部由若干個功能相對對立的模塊組成，這些功能模塊相互協(xié)作共同實現(xiàn)該層次所提供的功能。

（3）機器人的故障診斷與安全維護技術：通過各種信息，對機器人故障進行診斷，并進行相應維護，是保證機器人安全性的關鍵技術。

（4）網(wǎng)絡化機器人控制器技術：目前機器人的應用工程由單臺機器人工作站向機器人生產線發(fā)展，機器人控制器的聯(lián)網(wǎng)技術變得越來越重要?？刂破魃暇哂写?、現(xiàn)場總線及以太網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)功能?？捎糜跈C器人控制器之間和機器人控制器同上位機的通訊，便于對機器人生產線進行監(jiān)控、診斷和管理。

移動機器人（AGV）

移動機器人（AGV）是工業(yè)機器人的一種類型，它由計算機控制，具有移動、自動導航、多傳感器控制、網(wǎng)絡交互等功能，它可廣泛應用于機械、電子、紡織、卷煙、醫(yī)療、食品、造紙等行業(yè)的柔性搬運、傳輸?shù)裙δ?，也用于自動化立體倉庫、柔性加工系統(tǒng)、柔性裝配系統(tǒng)（以AGV作為活動裝配平臺）；同時可在車站、機場、郵局的物品分撿中作為運輸工具。

國際物流技術發(fā)展的新趨勢之一，而移動機器人是其中的核心技術和設備，是用現(xiàn)代物流技術配合、支撐、改造、提升傳統(tǒng)生產線，實現(xiàn)點對點自動存取的高架箱儲、作業(yè)和搬運相結合，實現(xiàn)精細化、柔性化、信息化，縮短寧波物流流程，降低物料損耗，減少占地面積，降低建設投資等的高新技術和裝備。

點焊機器人

焊接機器人具有性能穩(wěn)定、工作空間大、運動速度快和負荷能力強等特點，焊接質量明顯優(yōu)于人工焊接，大大提高了點焊作業(yè)的生產率。

點焊機器人主要用于汽車整車的焊接工作，生產過程由各大汽車主機廠負責完成。國際工業(yè)機器人企業(yè)憑借與各大汽車企業(yè)的長期合作關系，向各大型汽車生產企業(yè)提供各類點焊機器人單元產品并以焊接機器人與整車生產線配套形式進入中國，在該領域占據(jù)市場主導地位。

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，焊接生產線要求焊鉗一體化，重量越來越大，165公斤點焊機器人是目前汽車焊接中最常用的一種機器人。2008年9月，機器人研究所研制完成國內首臺165公斤級點焊機器人，并成功應用于奇瑞汽車焊接車間。2009年9月，經過優(yōu)化和性能提升的第二臺機器人完成并順利通過驗收，該機器人整體技術指標已經達到國外同類機器人水平。

弧焊機器人

弧焊機器人主要應用于各類汽車零部件的焊接生產。在該領域，國際大型工業(yè)機器人生產企業(yè)主要以向成套裝備供應商提供單元產品為主。本公司主要從事弧焊機器人成套裝備的生產，根據(jù)各類項目的不同需求，自行生產成套裝備中的機器人單元產品，也可向大型工業(yè)機器人企業(yè)采購并組成各類弧焊機器人成套裝備。在該領域，本公司與國際大型工業(yè)機器人生產企業(yè)既是競爭亦是合作關系。

關鍵技術包括：

（1）弧焊機器人系統(tǒng)優(yōu)化集成技術：弧焊機器人采用交流伺服驅動技術以及高精度、高剛性的RV減速機和諧波減速器，具有良好的低速穩(wěn)定性和高速動態(tài)響應，并可實現(xiàn)免維護功能。

（2）協(xié)調控制技術：控制多機器人及變位機協(xié)調運動，既能保持焊槍和工件的相對姿態(tài)以滿足焊接工藝的要求，又能避免焊槍和工件的碰撞。

（3）精確焊縫軌跡跟蹤技術：結合激光傳感器和視覺傳感器離線工作方式的優(yōu)點，采用激光傳感器實現(xiàn)焊接過程中的焊縫跟蹤，提升焊接機器人對復雜工件進行焊接的柔性和適應性，結合視覺傳感器離線觀察獲得焊縫跟蹤的殘余偏差，基于偏差統(tǒng)計獲得補償數(shù)據(jù)并進行機器人運動軌跡的修正，在各種工況下都能獲得最佳的焊接質量。

激光加工機器人

激光加工機器人是將機器人技術應用于激光加工中，通過高精度工業(yè)機器人實現(xiàn)更加柔性的激光加工作業(yè)。本系統(tǒng)通過示教盒進行在線操作，也可通過離線方式進行編程。該系統(tǒng)通過對加工工件的自動檢測，產生加工件的模型，繼而生成加工曲線，也可以利用CAD數(shù)據(jù)直接加工?？捎糜诠ぜ募す獗砻嫣幚?、打孔、焊接和模具修復等。

關鍵技術包括：

（1）激光加工機器人結構優(yōu)化設計技術：采用大范圍框架式本體結構，在增大作業(yè)范圍的同時，保證機器人精度；

（2）機器人系統(tǒng)的誤差補償技術：針對一體化加工機器人工作空間大，精度高等要求，并結合其結構特點，采取非模型方法與基于模型方法相結合的混合機器人補償方法，完成了幾何參數(shù)誤差和非幾何參數(shù)誤差的補償。

（3）高精度機器人檢測技術：將三坐標測量技術和機器人技術相結合，實現(xiàn)了機器人高精度在線測量。

（4）激光加工機器人專用語言實現(xiàn)技術：根據(jù)激光加工及機器人作業(yè)特點，完成激光加工機器人專用語言。

（5）網(wǎng)絡通訊和離線編程技術：具有串口、CAN等網(wǎng)絡通訊功能，實現(xiàn)對機器人生產線的監(jiān)控和管理；并實現(xiàn)上位機對機器人的離線編程控制。

真空機器人

真空機器人是一種在真空環(huán)境下工作的機器人，主要應用于半導體工業(yè)中，實現(xiàn)晶圓在真空腔室內的傳輸。真空機械手難進口、受限制、用量大、通用性強，其成為制約了半導體裝備整機的研發(fā)進度和整機產品競爭力的關鍵部件。而且國外對中國買家嚴加審查，歸屬于禁運產品目錄，真空機械手已成為嚴重制約我國半導體設備整機裝備制造的“卡脖子”問題。直驅型真空機器人技術屬于原始創(chuàng)新技術。

關鍵技術包括：

（1）真空機器人新構型設計技術：通過結構分析和優(yōu)化設計，避開國際專利，設計新構型滿足真空機器人對剛度和伸縮比的要求；

（2）大間隙真空直驅電機技術：涉及大間隙真空直接驅動電機和高潔凈直驅電機開展電機理論分析、結構設計、制作工藝、電機材料表面處理、低速大轉矩控制、小型多軸驅動器等方面。

（3）真空環(huán)境下的多軸精密軸系的設計。采用軸在軸中的設計方法，減小軸之間的不同心以及慣量不對稱的問題。

（4）動態(tài)軌跡修正技術：通過傳感器信息和機器人運動信息的融合，檢測出晶圓與手指之間基準位置之間的偏移，通過動態(tài)修正運動軌跡，保證機器人準確地將晶圓從真空腔室中的一個工位傳送到另一個工位。

（5）符合SEMI標準的真空機器人語言：根據(jù)真空機器人搬運要求、機器人作業(yè)特點及SEMI標準，完成真空機器人專用語言。

（6）可靠性系統(tǒng)工程技術：在IC制造中，設備故障會帶來巨大的損失。根據(jù)半導體設備對MCBF的高要求，對各個部件的可靠性進行測試、評價和控制，提高機械手各個部件的可靠性，從而保證機械手滿足IC制造的高要求。

潔凈機器人

潔凈機器人是一種在潔凈環(huán)境中使用的工業(yè)機器人。隨著生產技術水平不斷提高，其對生產環(huán)境的要求也日益苛刻，很多現(xiàn)代工業(yè)產品生產都要求在潔凈環(huán)境進行，潔凈機器人是潔凈環(huán)境下生產需要的關鍵設備。

關鍵技術包括：

（1）潔凈潤滑技術：通過采用負壓抑塵結構和非揮發(fā)性潤滑脂，實現(xiàn)對環(huán)境無顆粒污染，滿足潔凈要求。

（2）高速平穩(wěn)控制技術：通過軌跡優(yōu)化和提高關節(jié)伺服性能，實現(xiàn)潔凈搬運的平穩(wěn)性。

（3）控制器的小型化技術：根據(jù)潔凈室建造和運營成本高，通過控制器小型化技術減小潔凈機器人的占用空間。

（4）晶圓檢測技術：通過光學傳感器，能夠通過機器人的掃描，獲得卡匣中晶圓有無缺片、傾斜等信息。

轉載聲明：此文章素材來源于「工大易服」

工業(yè)機器人常用精密減速器技術分析

工業(yè)機器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行裝置的、能夠完成各種移動或工藝來代替人類勞動的通用機器。通常在生產中能代替工人做某些單調、頻繁和重復的長時間作業(yè)，或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)。它能夠提升生產的效率和產品的質量，是企業(yè)補充和替代勞動力的有效方案。

目前工業(yè)機器人發(fā)展特點是高速、精確、機身機構緊湊、多自由度和提高剛性，重點領域還要求重載或響應速度快。例如汽車整車生產的電焊機器人負載大部分在150-300Kg間，而電子領域的裝配機器人則需要快速的響應流水線上的配件。

減速器在機械傳動領域是連接動力源和執(zhí)行機構之間的中間裝置，通常它把電動機、內燃機等高速運轉的動力通過輸入軸上的小齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪來達到減速的目的，并傳遞更大的轉矩。目前成熟并標準化的減速器有：圓柱齒輪減速器、渦輪減速器、行星減速器、行星齒輪減速器、RV減速器、擺線針輪減速器和諧波減速器。80-90年代以來，在新興產業(yè)如航空航天、機器人和醫(yī)療器械等發(fā)展的需求下，需要結構簡單緊湊、傳遞功率大、噪聲低、傳動平穩(wěn)的高性能精密減速器，其中RV減速器和諧波減速器是精密減速器中重要的兩種減速器。

精密減速器應用領域

六軸工業(yè)機器人中精密減速器位置分布

RV（Rot-Vector）減速器

RV減速器是在擺線針輪傳動基礎上發(fā)展起來的，具有二級減速和中心圓盤支承結構。自1986年投入市場以來，因其傳動比大、傳動效率高、運動精度高、回差小、低振動、剛性大和高可靠性等優(yōu)點是機器人的“御用”減速器。

Nabotesco(帝人)RV系列減速器結構圖

Nabotesco(帝人)RV系列減速器

諧波減速器

諧波減速器由三部分組成：諧波發(fā)生器、柔性論和剛輪，其工作原理是由諧波發(fā)生器使柔輪產生可控的彈性變形，靠柔輪與剛輪嚙合來傳遞動力，并達到減速的目的；按照波發(fā)生器的不同有凸輪式、滾輪式和偏心盤式。諧波減速器傳動比大、外形輪廓小、零件數(shù)目少且傳動效率高。單機傳動比可達到50-4000，而傳動效率高達92%-96%。

HarmonicaDrive產品結構示意圖

HarmonicaDriveCSF-LW系列產品

三種常見的諧波減速器類型

諧波傳動嚙合示意圖

普通齒輪傳動嚙合示意圖

行星減速器

行星顧名思義行星減速器就是有三個行星輪圍繞一個太陽輪旋轉的減速器。行星減速器體積小、重量輕，承載能力高，使用壽命長、運轉平穩(wěn)，噪聲低。具有功率分流、多齒嚙合獨用的特性；是一種用途廣泛的工業(yè)產品，其性能可與其它軍品級行星減速器產品相媲美，卻有著工業(yè)級產品的價格，被應用于廣泛的工業(yè)場合。

精密減速器在工業(yè)機器人上的作用

工業(yè)機器人的動力源一般為交流伺服電機，因為由脈沖信號驅動，其伺服電機本身就可以實現(xiàn)調速，為什么工業(yè)機器人還需要減速器呢？工業(yè)機器人通常執(zhí)行重復的動作，以完成相同的工序；為保證工業(yè)機器人在生產中能夠可靠地完成工序任務，并確保工藝質量，對工業(yè)機器人的定位精度和重復定位精度要求很高。因此，提高和確保工業(yè)機器人的精度就需要采用RV減速器或諧波減速器。精密減速器在工業(yè)機器人中的另一作用是傳遞更大的扭矩。當負載較大時，一味提高伺服電機的功率是很不劃算的，可以在適宜的速度范圍內通過減速器來提高輸出扭矩。此外，伺服電機在低頻運轉下容易發(fā)熱和出現(xiàn)低頻振動，對于長時間和周期性工作的工業(yè)機器人這都不利于確保其精確、可靠地運行。

精密減速器的存在使伺服電機在一個合適的速度下運轉，并精確地將轉速降到工業(yè)機器人各部位需要的速度，提高機械體剛性的同時輸出更大的力矩。與通用減速器相比，機器人關節(jié)減速器要求具有傳動鏈短、體積小、功率大、質量輕和易于控制等特點。大量應用在關節(jié)型機器人上的減速器主要有兩類：RV減速器和諧波減速器。

相比于諧波減速器，RV減速器具有更高的剛度和回轉精度。因此在關節(jié)型機器人中，一般將RV減速器放置在機座、大臂、肩部等重負載的位置；而將諧波減速器放置在小臂、腕部或手部；行星減速器一般用在直角坐標機器人上。

數(shù)據(jù) | 工業(yè)機器人系統(tǒng)集成商市場現(xiàn)狀分析

工業(yè)機器人系統(tǒng)集成商處于機器人產業(yè)鏈的下游應用端，為終端客戶提供應用解決方案，其負責工業(yè)機器人應用二次開發(fā)和周邊自動化配套設備的集成，是工業(yè)機器人自動化應用的重要組成。

近幾年，由于國內工業(yè)機器人市場的快速發(fā)展，工業(yè)機器人系統(tǒng)集成商數(shù)量急速擴張，截止到2017年底，工業(yè)機器人系統(tǒng)集成商數(shù)量超過3000家，而在2014年9月份，該數(shù)據(jù)還未超過500。并且國內集成商規(guī)模都不大，企業(yè)中營收規(guī)模超過1億元的不超過100家，絕大部分企業(yè)系統(tǒng)集成業(yè)務營收不超過3000萬元。其中，營收規(guī)模超過3億元的企業(yè)“大企業(yè)”也主要集中于汽車焊接集成領域。

截止于2018年7月23日，行業(yè)調研組織MIR收錄了610家系統(tǒng)集成商，其機器人銷售業(yè)績，能夠占到整體中國機器人行業(yè)的70%以上。MIR還會繼續(xù)收錄系統(tǒng)集成商，計劃到年底將超過1000家。

近期，MIR對這610家集成商的企業(yè)性質、上市狀態(tài)、地區(qū)分布、品牌授權、行業(yè)覆蓋、工業(yè)覆蓋等方面進行了分析，分析結果如下：

國內機器人系統(tǒng)集成商地區(qū)分布

企業(yè)集中于長三角、珠三角地區(qū)。

分析發(fā)現(xiàn)，610家工業(yè)機器人系統(tǒng)集成商區(qū)域集中度較高，長三角（上海、江蘇、浙江）、珠三角（廣東）為兩大集聚區(qū)域，兩地區(qū)企業(yè)合計占比近七成。其中34.3%集中在廣東省，31.8%集中在江浙滬地區(qū)，10.7%集中在京津冀地區(qū)，極度吻合工業(yè)機器人區(qū)域分布特點。

究其原因：汽車、電子行業(yè)生產主要分布在華東華南地區(qū)，上海、武漢、長春、廣州是中國汽車生產基地最為密集的4大地區(qū)，同時，上海、廣州也是電子行業(yè)的發(fā)達地區(qū)，在以上地區(qū)，2017年工業(yè)機器人的銷量占比最大，達50%以上。

國內機器人系統(tǒng)集成商企業(yè)性質分布

610份樣本中，本土系統(tǒng)集成商數(shù)量占據(jù)中國機器人企業(yè)數(shù)量90%以上的比例，但本土系統(tǒng)集成商普遍規(guī)模較小，絕大多數(shù)廠商的年產值并不高。本土企業(yè)優(yōu)秀代表基本集中在汽車整車及汽車零部件領域，例如四川成焊寶瑪、天津福臻、博眾精工、安徽巨一等。

國內機器人系統(tǒng)集成商授權狀態(tài)

MIR收錄的610份樣本中，有369家是授權SI，占60%；241家是非授權SI，占40%。絕大多數(shù)的中小型SI都是非授權SI，品牌選擇主要參考終端客戶的選擇。授權SI中，有359家是機器人外資企業(yè)的授權SI ，有32家是機器人本土企業(yè)的授權SI（有些授權SI授權外資品牌，同時也授權本土品牌）。

可以看出，在中國市場，外資品牌主要的銷售渠道是系統(tǒng)集成商，因為外資工業(yè)機器人主要應用在對集成要求高的汽車和電子行業(yè)，而依靠系統(tǒng)集成商能夠更快速地拓展市場。

國產品牌的機器人應用行業(yè)比較分散，塑料橡膠、食品飲料、電子制造等都是國產機器人主要應用行業(yè)，并以搬運、碼垛等精度和負載要求較低的應用方式為主，在此情況下，終端用戶的集成需求沒有那么高，而在利潤相對較少的情況下，國產機器人廠商也傾向直銷，以獲取更多的利潤。因此國產品牌工業(yè)機器人廠商多以直銷為主。

國內機器人系統(tǒng)集成商上市狀態(tài)

據(jù)統(tǒng)計顯示，目前國內機器人系統(tǒng)集成上市公司大致有60多家，涉及機器人系統(tǒng)集成的上市公司包括沈陽新松、博實股份、天奇股份、廣州數(shù)控、埃斯頓等。新三板公司有北人機器人、巨能機器人、銘賽科技等等。

國內機器人系統(tǒng)集成商行業(yè)覆蓋情況

MIR對610家系統(tǒng)集成商中的541家進行了行業(yè)覆蓋分析，其中464家覆蓋汽車行業(yè)，占比85.8%；204家覆蓋電子行業(yè)，占比37.7%；122家覆蓋家電行業(yè)，占比26.6%；112家覆蓋食品飲料行業(yè)，占比20.7%。

究其原因：還是因為工業(yè)機器人廣泛應用于汽車、電子、家電、食品、金屬加工等行業(yè)。近幾年，中國工業(yè)機器人系統(tǒng)集成商市場主要受汽車行業(yè)發(fā)展帶動，汽車行業(yè)系統(tǒng)集成商數(shù)量較多。目前中國汽車行業(yè)趨于飽和，但其子行業(yè)電動汽車行業(yè)的發(fā)展為中國工業(yè)機器人系統(tǒng)集成商市場提供了新的增長動力。與此同時，隨著工業(yè)機器人向著更深更遠的方向發(fā)展以及智能化水平的提高，工業(yè)機器人系統(tǒng)集成商的行業(yè)覆蓋從傳統(tǒng)制造業(yè)推廣到了其他制造業(yè)，像是半導體、新能源（主要是鋰電池行業(yè)）、醫(yī)療、陶瓷衛(wèi)浴等行業(yè)。以鋰電池為例，鋰電池生產流程里的入殼、化成、分容、封裝、電芯清洗、外觀檢測、電性檢測、模組組裝、裝配壓合、模組焊接、成品檢測等多個環(huán)節(jié)需要用到大量工業(yè)機器人，而且目前鋰電池行業(yè)處于快速發(fā)展階段，多個鋰電池項目都處于上馬及升級改造階段。鋰電池行業(yè)對工業(yè)機器人的大量需求催生了對工業(yè)機器人系統(tǒng)集成商的需求，預計未來幾年鋰電池行業(yè)工業(yè)機器人系統(tǒng)集成商數(shù)量將繼續(xù)保持快速增長。

國內機器人系統(tǒng)集成商工藝覆蓋情況

工業(yè)機器人應用常見于四大領域，分別是搬運、加工、檢查及組裝。各領域又分為多個工藝，具體工藝細分見下表：

MIR對610家系統(tǒng)集成商中的541家進行了工藝覆蓋分析。分析表明，不同行業(yè)系統(tǒng)集成商工藝的覆蓋程度不同，例如在汽車整車及零部件生產中，有大量加工機上下料、設備間搬送、點焊、弧焊、拋光、涂裝、組裝等工序，目前大多都是由工業(yè)機器人完成，因此汽車行業(yè)機器人系統(tǒng)集成商業(yè)務基本都會覆蓋這些工藝段；而電子機器人系統(tǒng)集成商，主要集中在加工機上下料、設備間搬送、點焊、弧焊、組裝等工序。

MIR列舉了幾個重點行業(yè)系統(tǒng)集成商的工藝覆蓋情況，供大家參考。

△數(shù)據(jù)解讀：以汽車行業(yè)為例，MIR分析了464家涉及汽車行業(yè)的工業(yè)機器人系統(tǒng)集成商。分析結果表明有251家業(yè)務覆蓋加工機上下料工藝、47家覆蓋揀選工藝、108家覆蓋碼垛工藝、214家覆蓋設備間搬送工藝、40家覆蓋托板裝載工藝、31家覆蓋移載?排列裝箱工藝。

雖然工業(yè)機器人應用市場需求量逐年遞增，但國產機器人需求量不增反降，國外品牌采購成本高，集成商資金壓力較大。

汽車市場需求量穩(wěn)居第一，對機器人精度穩(wěn)定性更高，機器人本體市場潛移默化的也影響著集成商的競爭市場。

集成商數(shù)量瘋狂式的增長，但成氣候的少之又少，可預見在不久的將來，很多小規(guī)模的集成商將被市場無情的淘汰或者被“大魚”吞并。