[科普中国]-机器人与机电一体化

简介

现代机械的标志是机电一体化，但多功能的机电一体化装置，却应属工业机器人与智能机器人。由于机器人具有多功能性或多用性，以及对环境的自适应性，它是今后制造业中发展最快的一种机电一体化装置。当今，机器人技术的飞跃发展正在向人们的智能概念挑战，它将影响工业生产的模式，并会改变人们的工作方式和生活方式。机器人技术必定是未来自动化的关键技术之一，它会有效地促进科学技术和工业的发展。1

机电一体化就是“利用电子、信息(包括传感器、控制、计算机等)技术使机械柔性化和智能化”的技术，“机电一体化”(mechatronics)一词起源于日本，是由机械(mechanism)和电子(electronics)的两个英语单词合成的一个新的专用名词，顾名思义，机电一体化技术的目标就是将机械技术与电子技术相结合，充分发挥各自的长处，弥补各项技术的不足。机械的强度较高，输出功率大，可以承受较大的载荷，但实现微小运动比较困难。而在电子领域，利用传感器和计算机可以实现复杂的检测和控制，但只利用电子技术无法实现重载运动。将机械技术与电子技术相结合，可以在重载条件下实现微小运动和复杂运动，使机械产品既能够像动物那样灵活动作———柔性化，也能够像人类那样会思考判断———智能化。

机器人是典型的机电一体化产品，是一种综合性的机电一体化技术，包括传动机构、伺服控制、数据处理、人机对话以及与机器人工作性质对应的控制功能等，其系统的构成与实现可按上述的五个要素分述如下：

a.机械装置。机器人的手指、手臂、手臂的连接部分和机座等是使机器人能够运动的机械结构。

b.执行装置。驱动机座上的机体、手臂、手指等运动的电机和电磁铁等。

c.能源。驱动电机的电源和驱动液压系统、气压系统的液压源和气压源。

d.传感器。检测旋转角度和摆动角度的旋转编码器和旋转变压器等，用于监视机器人的运动。

e.计算机。根据来自旋转编码器或测速发电机的信号判断机器人的当前状态，并计算和判断要达到所希望的状态或者移动到某一目标应该如何动作。

机电一体化发展阶段第一阶段20世纪60年代以前为第一阶段，这一阶段称为初级阶段。在这一时期，人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，这些机电结合的军用技术，战后转为民用，对战后经济的恢复起了积极的作用。那时研制和开发从总体上看还处于自发状态。由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。2

第二阶段20世纪70~80年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶段。这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础。大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。这个时期的特点是：①mechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；②机电一体化技术和产品得到了极大发展；③各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。

第三阶段20世纪90年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，机电一体化进入深入发展时期。一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。

中国是从20世纪80年代初才开始在这方面研究和应用。国务院成立了机电一体化领导小组并将该技术列为“863计划”中。在制定“九五”规划和2010年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响。许多大专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作，已经取得了一定成果，但与日本等先进国家相比仍有相当差距。

机电一体化的优势随着机电一体化相关技术的快速发展，机电产品的外观更加人性化、功能更加强大、体积和重量更加轻巧、可靠性更高等。与传统的机电产品相比机电一体化产品具有以下优势：

（1） 功能增强并且应用广泛机电一体化产品最显著的特点就是突破了原来传统机电产品的单技术和单功能的局限性，将多种技术与功能集成于一体，使其功能更加强大。而且能适应于不同的场合和不同的领域，满足用户需求的应变能力较强。

（2） 精度大大提高机电一体化技术简化了机构，减少了传动部件，从而使机械磨损、配合及受力变形等所引起的误差大大减少，同时由于采用计算机检测与控制技术补偿和校正因各种干扰造成的动态误差，从而达到单纯用机械技术所无法实现的工作精度。

（3） 安全性和可靠性提高机电一体化产品一般具有自动监控、报警、自动诊断、自动保护、安全联锁控制等功能。这些功能能够避免人身伤害和设备事故的发生，提高了设备的安全性和可靠性。

（4） 改善操作机电一体化产品采用计算机程序控制和数字显示，具有良好的人机界面，减少了操作按钮及手柄，改善了设备的操作性能，减少了操作人员的培训时间，从而大大简化操作。

（5） 提高柔性所谓柔性，即可以利用软件来改变机器的工作程序，以满足不同的需要。例如，工业机器人具有较多的运动自由度，手爪部分可以换用不同的工具，通过改变控制程序改变运动轨迹和运动姿态，以适应不同的作业要求。

机器人的组成机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。

执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等。

驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有采用液压、气动等驱动装置。

检测装置是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。

控制系统一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。

发展现状在工业发达国家中，工业机器人及自动化生产线成套装备己成为高端装备的重要组成部分及未来发展趋势，工业机器人已经广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、物流、制造业等领域。3

欧洲、日本在工业机器人的研发与生产方面占有优势，其中知名的机器人公司包括ABB、KUKA、FANUC、

YASKAWA等，这四家机器人企业占据的工业机器人市场份额达到60%～80%。美国特种机器人技术创新活跃，军用、医疗与家政服务机器人产业占有绝对优势，占有智能服务机器人市场60%。我国工业机器人需求迫切，以每年25%～30%的速度增长，年需求量在2万～3万台套，国产工业机器人产业化刚刚开始；在区域分布上，沿海地区企业需求高于内地需求，民营企业对工业机器人的需求高于国有企业的需求，各地政府及企业提出了相关发展规划将大力发展机器人产业。

在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用，相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司。日本和欧盟的工业机器人技术最为先进，日本是全球范围内国内工业机器人生产规模最大、应用最广的国家，而隶属于欧盟组织的德国则名列全球第二；韩国在服务类机器人上的发展较为优秀，而美国则侧重于医疗和军事机器人等方面。

根据IFR 预计，全球运行的工业机器人将从2009 年的103.1万台提高到2011年的105.7万台，增长2.5%。到2012年，全球新安装工业机器人将达到10.4万台/年。我国2011年工业机器人销售2.26万台，比2010年增长了51%，成为继日本、韩国之后的全球第三大工业机器人市场，全球工业机器人六大主要市。

我国的工业机器人我国工业机器人面临着历史上难得的发展机遇，包括政策红利、经济转型升级等刚性需求的释放。制造业的转型升级将推动我国高端制造装备的发展，我国制造业需要实现从“大”到“强”，同时国内外经济环境的变化将倒逼产业转型升级，我国制造业将从依靠廉价劳动力、破环资源与环境的粗放式发展模式向依靠提高生产效率、环境友好型的精细式发展模式进行转变。工业机器人作为我国高端装备制造的基础设备之一，是我国“十二五”发展规划中高端制造装备战略性新兴产业的重要组成部分，也是其他战略性新兴产业发展的重要基础装备。随着我国产业的逐步转型升级，以工业机器人为代表的智能装备将实现爆发式增长。

我国工业机器人尽管在某些关键技术上有所突破，但还缺乏整体核心技术的突破，特别是在制造工艺与整套装备方面，缺乏高精密、高速与高效的减速机、伺服电动机、控制器等关键部件。建议对关键技术开展攻关，掌握以下核心技术：模块化、可重构的工业机器人新型机构设计，基于实时系统和高速通信总线的高性能开放式控制系统，在高速、负载工作环境下的工业机器人优化设计，高精度工业机器人的运动规划和伺服控制，基于三维虚拟仿真和工业机器人生产线集成技术，复杂环境下机器人动力学控制，工业机器人故障远程诊断与修复技术等。

机器人关键技术工业机器人灵巧操作技术工业机器人机械臂和机械手在制造业应用中模仿人手的灵巧操作，在感知，高精度高可靠性感知，规划和控制性方面开展关键技术研发，最终达到通过独立关节以及创新机构、传感器，达到人手级别的触觉感知阵列，动力学性能超过人手的高复杂度机械手能够进行整只手的握取，并能做加工厂工人在加工制造环境中的灵活性操作工作。4

工业机器人自主导航技术在由静态障碍物、车辆、行人和动物组成的非结构化环境中实现安全的自主导航，对装配生产线上对原材料进行装卸处理的搬运机器人、原材料到成品的高效运输的AGV工业机器人以及类似于入库存储和调配的后勤操作、采矿和建筑装备的工业机器人均为关键技术，需要进一步进行深入研发技术攻关。

工业机器人环境感知与传感技术来的工业机器人将大大提高工厂的感知系统，以检测机器人及周围设备的任务进展情况，能够及时检测部件和产品组件的生产情况、估算出生产人员的情绪和身体状态，需要攻克高精度的觉、力觉传感器和图像解析算法，重大的技术挑战包括非侵入式的生物传感器及表达人类行为和情绪的模型。通过高精度传感器构建用于装配任务和跟踪任务进度的物理模型，以减少自动化生产环节中的不确定性。

工业机器人的人机交互技术未来工业机器人的研发中越来越强调新型人机合作的重要性，研究全浸入式图形化环境、三维全息环境建模、真实三维虚拟现实装置以及力、温度、振动等多物理作用效应人机交互装置。为了达到机器人与人类生活行为环境以及人类自身和谐共处的目标，需要解决的关键问题包括：机器人本质安全问题，保障机器人与人、环境间的绝对安全共处；任务环境的自主适应问题，自主适应个体差异、任务及生产环境；多样化作业工具的操作问题，灵活使用各种执行器完成复杂操作；人-机高效协同问题，准确理解人的需求并主动协助。