[科普中国]-工业机器人

工业机器人是广泛用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，具有一定的自动性，可依靠自身的动力能源和控制能力实现各种工业加工制造功能。工业机器人被广泛应用于电子、物流、化工等各个工业领域之中。1

发展历史20世纪50年代末，工业机器人最早开始投入使用。约瑟夫·恩格尔贝格（Joseph F.Englberger）利用伺服系统的相关灵感，与乔治·德沃尔（GeorgeDevol）共同开发了一台工业机器人——“尤尼梅特”（Unimate），率先于1961年在通用汽车的生产车间里开始使用。最初的工业机器人构造相对比较简单，所完成的功能也是捡拾汽车零件并放置到传送带上，对其他的作业环境并没有交互的能力，就是按照预定的基本程序精确地完成同一重复动作。“尤尼梅特”的应用虽然是简单的重复操作，但展示了工业机械化的美好前景，也为工业机器人的蓬勃发展拉开了序幕。自此，在工业生产领域，很多繁重、重复或者毫无意义的流程性作业可以由工业机器人来代替人类完成。6

20世纪60年代，工业机器人发展迎来黎明期，机器人的简单功能得到了进一步的发展。机器人传感器的应用提高了机器人的可操作性，包括恩斯特采用的触觉传感器；托莫维奇和博尼在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器；麦卡锡对机器人进行改进，加入视觉传感系统，并帮助麻省理工学院推出了世界上第一个带有视觉传感器并能识别和定位积木的机器人系统。此外，利用声呐系统、光电管等技术，工业机器人可以通过环境识别来校正自己的准确位置。6

自20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器的、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。6

20世纪70年代，随着计算机和人工智能技术的发展，机器人进入了实用化时代。像日立公司推出的具有触觉、压力传感器，7轴交流电动机驱动的机器人；美国Milacron公司推出的世界第一台小型计算机控制的机器人，由电液伺服驱动，可跟踪移动物体，用于装配和多功能作业；适用于装配作业的机器人还有像日本山梨大学发明的SCARA平面关节型机器人等。6

20世纪70年代末，由美国Unimation公司推出的PUMA系列机器人，为多关节、多CPU二级计算机控制，全电动，有专用VAL语言和视觉、力觉传感器，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。6

20世纪80年代，机器人进入了普及期，随着制造业的发展，使工业机器人在发达国家走向普及，并向高速、高精度、轻量化、成套系列化和智能化发展，以满足多品种、少批量的需要。到20世纪80年代，机器人进入了普及期，随着制造业的发展，使工业机器人在发达国家走向普及，并向高速、高精度、轻量化、成套系列化和智能化发展，以满足多品种、少批量的需要。6

到了20世纪90年代，随着计算机技术、智能技术的进步和发展，第二代具有一定感觉功能的机器人已经实用化并开始推广，具有视觉、触觉、高灵巧手指、能行走的第三代智能机器人相继出现并开始走向应用。6

组成一般来说，工业机器人由三大部分6个子系统组成。三大部分是机械部分、传感部分和控制部分。6个子系统可分为机械结构系统、驱动系统、感知系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统和控制系统。3

1.机械结构系统

从机械结构来看，工业机器人总体上分为串联机器人和并联机器人。串联机器人的特点是一个轴的运动会改变另一个轴的坐标原点，而并联机器人一个轴运动则不会改变另一个轴的坐标原点。早期的工业机器人都是采用串联机构。并联机构定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。并联机构有两个构成部分，分别是手腕和手臂。手臂活动区域对活动空间有很大的影响，而手腕是工具和主体的连接部分。与串联机器人相比较，并联机器人具有刚度大、结构稳定、承载能力大、微动精度高、运动负荷小的优点。在位置求解上，串联机器人的正解容易，但反解十分困难；而并联机器人则相反，其正解困难，反解却非常容易。3

2.驱动系统

驱动系统是向机械结构系统提供动力的装置。根据动力源不同，驱动系统的传动方式分为液压式、气压式、电气式和机械式4种。早期的工业机器人采用液压驱动。由于液压系统存在泄露、噪声和低速不稳定等问题，并且功率单元笨重和昂贵，目前只有大型重载机器人、并联加工机器人和一些特殊应用场合使用液压驱动的工业机器人。气压驱动具有速度快、系统结构简单、维修方便、价格低等优点。但是气压装置的工作压强低，不易精确定位，一般仅用于工业机器人末端执行器的驱动。气动手抓、旋转气缸和气动吸盘作为末端执行器可用于中、小负荷的工件抓取和装配。电力驱动是目前使用最多的一种驱动方式，其特点是电源取用方便，响应快，驱动力大，信号检测、传递、处理方便，并可以采用多种灵活的控制方式，驱动电机一般采用步进电机或伺服电机，目前也有采用直接驱动电机，但是造价较高，控制也较为复杂，和电机相配的减速器一般采用谐波减速器、摆线针轮减速器或者行星齿轮减速器。由于并联机器人中有大量的直线驱动需求，直线电机在并联机器人领域已经得到了广泛应用。3

3.感知系统

机器人感知系统把机器人各种内部状态信息和环境信息从信号转变为机器人自身或者机器人之间能够理解和应用的数据和信息，除了需要感知与自身工作状态相关的机械量，如位移、速度和力等，视觉感知技术是工业机器人感知的一个重要方面。视觉伺服系统将视觉信息作为反馈信号，用于控制调整机器人的位置和姿态。机器视觉系统还在质量检测、识别工件、食品分拣、包装的各个方面得到了广泛应用。感知系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化水平。3

4. 机器人-环境交互系统

机器人-环境交互系统是实现机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。当然也可以是多台机器人集成为一个去执行复杂任务的功能单元。3

5.人机交互系统

人机交互系统是人与机器人进行联系和参与机器人控制的装置。例如：计算机的标准终端、指令控制台、信息显示板、危险信号报警器等。3

6.控制系统

控制系统的任务是根据机器人的作业指令以及从传感器反馈回来的信号，支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。如果机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。根据控制原理可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统。根据控制运动的形式可分为点位控制和连续轨迹控制。3

特征相比于传统的工业设备，工业机器人有众多的优势，比如机器人具有易用性、智能化水平高、生产效率及安全性高、易于管理且经济效益显著等特点，使得它们可以在高危环境下进行作业。4

1. 机器人的易用性

在我国，工业机器人广泛应用于制造业，不仅仅应用于汽车制造业，大到航天飞机的生产，军用装备，高铁的开发，小到圆珠笔的生产都有广泛的应用。并且已经从较为成熟的行业延伸到食品，医疗等领域。由于机器人技术发展迅速，与传统工业设备相比，不仅产品的价格差距越来越小，而且产品的个性化程度高，因此在一些工艺复杂的产品制造过程中，可以让工业机器人替代传统设备，这样就可以在很大程度上提高经济效率。根据数据统计显示，从2016年到2017年，全球工业机器人的总销量已经从29.4万台突破到34.6万台。可见工业机器人应用范围之广。4

2.智能化水平高

随着计算机控制技术的不断进步，工业机器人将逐渐能够明白人类的语言，同时工业机器人可以完成产品的组件，这样就可以让工人免除复杂的操作。工业生产中焊接机器人系统不仅能实现空间焊缝的自动实时跟踪，而且还能实现焊接参数的在线调整和焊缝质量的实时控制，可以满足技术产品复杂的焊接工艺及其焊接质量、效率的迫切要求。另外随着人类探索空间的扩展，在极端环境如太空、深水以及核环境下，工业机器人也能利用其智能将任务顺利完成。4

3.生产效率及安全性高

机械手，顾名思义，通过仿照人类的手型而生产出来的机械手，它生产一件产品耗时是固定的。同样的生存周期内，使用机械手的产量也是固定的，不会忽高忽低。并且每一模的产品生产时间是固定化，产品的成品率也高，使用机器人生产更符合老板利益。4

工厂采用工业机器人生产，是可以解决很多安全生产方面的问题。对于由于个人原因，如不熟悉工作流程、工作疏忽、疲劳工作等导致安全生产隐患，统统都可以避免了。4

4.易于管理，经济效益显著

企业可以很清晰的知道自己每天的生产量，根据自己所能够达到的产能去接收订单和生产商品。而不会去盲目预估产量或是生产过多产品产生浪费的现象。而工厂每天对工业机器人的管理，也会比管理员工简单得多。5

工业机器人可以24小时循环工作，能够做到生产线的最大产量，并且无需给予加班的工时费用。对于企业来说，还能够避免员工长期高强度工作后产生的疲劳、生病带来的请假等误工的情况。生产线换用工业机器人生产后，企业生产只需要留下少数能够操作维护工业机器人的员工对工业机器人进行维护作业就可以了。经济效益非常的显著。4

关键技术1.本体设计关键技术

（1）传动结构设计

拟定总体方案，确定机器人的结构形式，并据此进行初步的传动结构设计，零件结构设计，三维建模。要求设计者对机器人常见的结构形式，常见的传动原理和传动结构，减速器的类型和特点非常的熟悉和了解，要有较强的结构设计能力和经验。5

（2）减速器选型

要对减速器的结构类型，性能参数的含义有深刻理解，会对减速器进行选型和计算校核。要会对减速器进行检测、测试，检测的内容主要包括噪音、抖动、输出扭矩、扭转刚度、背隙、重复定位精度和定位精度等。减速器的振动会引起机器人末端的抖动，降低机器人的轨迹精度。减速器振动有多种原因，其中共振是共性的问题，机器人企业必须掌握抑制或者避免出现共振的方法。5

（3）电机选型

必须要对电机的工作特性非常了解，并会对电机扭矩、功率、惯量进行计算和校核。5

（4）仿真分析

进行静力学和动力学的仿真分析，对电机、减速器的选型校核，对本体零部件进行强度、刚度校核，降低本体重量，提高机器人工作效率，降低成本。对三维模型进行模态分析，计算出固有频率，有助于进行共振抑制。5

（5）可靠性设计

结构设计采用最简化设计原则；本体铸铁件采用综合性能较好的球墨铸铁材料，铸铝件采用流动性好的铸造材料，采用金属模铸造；装配要有详细的装配工艺指导书，装配过程中有部件和单轴的测试；装配完后要有整机性能测试和耐久拷机测试；提高整机的防护等级设计，提高电柜的抗干扰能力，以适用不同工作环境的使用。5

2.电机伺服关键技术

（1）电机

①轻量化

对机器人来说，电机的尺寸和重量非常敏感，通过高磁性材料优化、一体化优化设计、加工装配工艺优化等技术的研究，提高伺服电机的效率，减小电机空间尺寸和降低电机重量，是机器人电机的关键技术之一。5

②高速

在减速比不能较大调整的情况，电机的最高转速则直接影响着机器人的末端速度和工作节拍；而且速比太低会影响电机的惯量匹配，因此提高电机的最高转速也是机器人电机的关键技术之一。5

③直驱、中空

随着协作机器人的不断成熟和推广，机器人结构的轻量化、紧凑化要求提高，发展高力矩直接驱动电机、盘式中空电机等机器人专用电机也是未来的趋势。5

（2）伺服

①快速响应，精确定位

伺服的响应时间直接影响到机器人的快速起停效果，影响机器人的工作效率和节拍。5

②无传感器方式实现弹性碰撞

安全性是衡量机器人性能的一个重要指标。加入力或力矩传感器会使结构更复杂，成本更高，基于编码器、电机电流耦合关系的无传感弹性碰撞技术，可以在不改变本体结构，不增加本体成本的条件下，在一定程度上提高机器人的安全性。5

③驱动多合一、驱控一体。

驱动多合一，多核CPU多轴驱控一体化集成技术，提高系统性能，降低驱动体积与成本。5

④在线自适应抖振抑制

工业机器人悬臂结构极易在多轴联动、重载及快速起停时引起抖动。机器人本体刚度要与电机伺服刚度参数相匹配，刚度过高，会造成振动，刚度过低会造成起停反应缓慢。机器人在不同的位置和姿态，以及在不同的工装负载下刚度都不一样，很难通过提前设置伺服刚度值能满足所有工况的需求。在线自适应抖振抑制技术，提出免参数调试的智能控制策略，同时兼顾刚度匹配、抖振抑制的需求，可以抑制机器人末端抖动，提高末端定位精度。5

3.控制关键技术

（1）运动解算及轨迹规划

运动求解，最佳路径规划，提高机器人的运动精度和工作效率。5

（2）动力学补偿

一般工业机器人是一个串联悬臂式结构，刚性弱，运动复杂，容易发生变形和抖动，是一个需要运动学和动力学相结合的课题。为了改善机器人的动态性能和提高运动精度，机器人控制系统必须建立动力学模型，进行动力学补偿。补偿的内容主要包括重力补偿、惯量补偿、摩擦补偿、耦合补偿等。5

（3）标定补偿

机器人机械本体由于加工误差和装配误差的原因，难以避免会和理论数学模型存在偏差，会降低机器人TCP精度和轨迹精度，如在焊接和离线编程使用时会受到严重影响。通过检测和算法标定补偿机器人的模型参数，可以较好地解决此问题。5

（4）工艺包完善

控制系统要与实际工程应用相结合，系统除不断升级，功能更加强大外，还要根据行业应用的需求不断开发和完善工艺包，有利于积累行业工艺经验，对客户来说使用更方便，操作更简单，效率更高。5

应用1.在码垛方面的应用

在各类工厂的码垛方面，自动化极高的机器人被广泛应用，人工码垛工作强度大，耗费人力，员工不仅需要承受巨大的压力，而且工作效率低。搬运机器人能够根据搬运物件的特点，以及搬运物件所归类的地方，在保持其形状的和物件的性质不变的基础上，进行高效的分类搬运，使得装箱设备每小时能够完成数百块的码垛任务。在生产线上下料、集装箱的搬运等方面发挥及其重要的作用。4

2.在焊接方面的应用

焊接机器人主要承担焊接工作，不同的工业类型有着不同的工业需求，所以常见的焊接机器人有点焊机器人、弧焊机器人、激光机器人等。汽车制造行业是焊接机器人应用最广泛的行业，在焊接难度、焊接数量、焊接质量等方面就有着人工焊接无法比拟的优势。4

3.在装配方面的应用

在工业生产中，零件的装配是一件工程量极大的工作，需要大量的劳动力，曾经的人力装配因为出错率高，效率低而逐渐被工业机器人代替。装配机器人的研发，结合了多种技术，包括通讯技术、自动控制、光学原理、微电子技术等。研发人员根据装配流程，编写合适的程序，应用于具体的装配工作。装配机器人的最大特点，就是安装精度高、灵活性大、耐用程度高。因为装配工作复杂精细，所以我们选用装配机器人来进行电子零件，汽车精细部件的安装。4

4.在检测方面的应用

机器人具有多维度的附加功能。它能够代替工作人员在特殊岗位上的工作，比如在高危领域如核污染区域、有毒区域、核污染区域、高危未知区域进行探测。还有人类无法具体到达的地方，如病人患病部位的探测、工业瑕疵的探测、在地震救灾现场的生命探测等均有建树。4

安装在工业生产领域中，工业机器人的安装至为重要，若是安装出现问题，不仅会影响机器人设备的使用性能，同时还会导致工业机器人使用寿命降低，并会对工业生产安全造成影响，对企业的经济效益造成损伤，因此做好工业机器人的安装工作十分重要，结合以往的工作经验，笔者认为在工业机器人安装过程中，必须要做好以下三个方面的工作。1

1 了解程序

在实际安装前，相关人员要对工业机器人的工作程序有详细的了解，明确工业机器人设备零部件之间有哪些关系，哪些设备之间的尺寸位置要做到丝毫不差，而哪些可以适当放宽标准。此外还需对安装图纸进行细化分析，要掌握工业机器人的工作原理和功能结构，并在安装前寻找适当的工具和设备，这样才能更好地为安装效果提供保障。1

2 制定方案

要结合现场的实际生产情况，对每台工业机器人安装制定详细的方案，同时还应该制定相关的应急方案，确保面面俱到，放矢有度。此外在实际安装前，还应该制定相关的作业指导书，要在作业指导书中明确具体的操作规程、操作要点、需要人员和自检要求等，从而为工业机器人设备安全提供统一依据。同时作业指导书一式多份，如生产公司、监理部门、安装调试部门、现场安装部门等，都应该各自保留一份，这样若是今后出现相关问题，才能有责可追，避免相互扯皮的问题发生。1

3 认知执行

主要是指每安装完一条工业机器人设备，都需要进行详细的复查，如在安装完工业机器人的连接设备时，就需要对已经安装好的零部件进行关键尺寸的详细复查，这样可以避免因尺寸变化而造成整体返工的问题出现。而在所有的工业机器人设备全部安装结束后，还应该进行一次全面的自检，要尽量在后期调试之前，及时发现问题，并针对性地做出解决，从而达到安装验收一次性合格的高标准，从而为工业机器人设备安装进度提供保障，确保工业机器人设备安装可以在规定的工期内完成。1

调试机器人的安装是在在现场进行的，而真正的生产作业环境会受空间利用率等方面影响，致使机器人的很多姿态受到一定的限制，而这就很容易导致工业机器人在实际工作中，出现震动、移位等现象，并最终导致工业机器人无法按照设计的速度运作，因此在工业机器人安装结束后，投入实际生产工作前，进行现场调试校准就显得至为重要，具体而言，调试工作主要包括以下两个方面。1

1.对工业机器人各轴进行归零调试

机器人在安装出厂后，工业机器人各轴未必是归零的，这样的机器人若是直接投入生产使用，各轴的重心可能没有准确的固定在支撑点上，生产过程中就有可能导致倾斜，这不仅会对正常的工业生产造成影响，同时可能还会危及工作人员的生命安全，因此对工业机器人各轴进行归零调试是十分必要的。通常情况下，工业机器人的各个轴臂上会留下回零点的标志，只需操作各轴回到该位置，就表示各轴调试归零，另外在机器人的底座上也会贴有各轴原点6个轴对应的角度，这都是调试中的重要参考依据。但具体的调试还需根据现场环境和需要完成的任务做出特定的分析，如在这个过程中，相关的调试人员可以特定规划出一条合理的归零“路线”，再通过示教器依次将机器人移动到各个点，然后对相关数据进行记录，最后调试人员结合自身的校对经验反复实验，将工业机器人各轴按照实际生产作业要求进行归零调试。1

2.对工业机器人进行信号处理调试

现代该改良版的工业机器人可按照人工智能的方式，根据指定的原则纲领自动化操作，如可根据接收到的信号，完成信号指令规定的运行轨迹，从而快速适应新的环境。而工业机器人系统并不是单独使用的，在工业机器人投入生产的过程中，必须要与其他外围设备联系在一起，而这些外围设备上的信号必须要通过CC-link和工业生产机器人系统信号联系在一起。因此在机器人安装出厂后，投入实际生产使用前，对工业机器人进行信号处理调试是十分必要的一个环节。具体而言，调试的过程中，需要对CC-link进行设置，但需要注意的是，调试人员设置的CC-ling信号必须要与PCC的型号、主站、从站、站信息保持一致，同时在信号设置结束后，还需要对所有信号进行列表化处理，并且在PLC编程时进行注释，要经过这样的信号调试后，工业机器人才能正式投入生产使用。1

发展趋势1.人机协作

随着机器人从与人保持距离作业向与人自然交互并协同作业方面发展。拖动示教、人工教学技术的成熟，使得编程更简单易用，降低了对操作人员的专业要求，熟练技工的工艺经验更容易传递。5

2.自主化

目前机器人从预编程、示教再现控制、直接控制、遥操作等被操纵作业模式向自主学习、自主作业方向发展。智能化机器人可根据工况或环境需求，自动设定和优化轨迹路径、自动避开奇异点、进行干涉与碰撞的预判并避障等。5

3.智能化、信息化、网络化

越来越多的3D视觉、力传感器会使用到机器人上，机器人将会变得越来越智能化。随着传感与识别系统、人工智能等技术进步，机器人从被单向控制向自己存储、自己应用数据方向发展，逐渐信息化。随着多机器人协同、控制、通信等技术进步，机器人从独立个体向相互联网、协同合作方向发展。5

本词条内容贡献者为:

肖志勇 - 副教授 - 江南大学