程正富+田永酉+伏春平

摘 要： 工業(yè)機(jī)器人具有穩(wěn)定可靠、工作效率高等優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)的工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)中將發(fā)揮重要作用。本文通過(guò)介紹工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，應(yīng)用以及工業(yè)機(jī)器人的基本種類(lèi)；最后提出了適合我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的重要戰(zhàn)略是工業(yè)機(jī)器人的規(guī)模化應(yīng)用是前提，主機(jī)成本是核心，關(guān)鍵是核心零部件。同時(shí)，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人正面臨良好的時(shí)代發(fā)展機(jī)遇，必須抓住機(jī)遇，理性發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的快速發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 機(jī)器人； 應(yīng)用； 發(fā)展

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.028

0 引言

在現(xiàn)代制造業(yè)中機(jī)器人是不可取代的重要裝置與設(shè)備，是國(guó)家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展方向，是一個(gè)國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力和制造業(yè)水平的核心指標(biāo)。在工業(yè)制造業(yè)中大量使用機(jī)器人，不僅可以克服惡劣環(huán)境對(duì)生產(chǎn)的影響，減少人工的使用，保障工人的安全；而且還能夠幫助企業(yè)節(jié)約生產(chǎn)成本，提高企業(yè)生產(chǎn)效率，也保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。為此，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用對(duì)促進(jìn)中國(guó)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，提升工業(yè)整體水平和核心競(jìng)爭(zhēng)力具有重大意義[1-2]。

1 工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介

工業(yè)機(jī)器人是指工業(yè)生產(chǎn)中的多自由度的機(jī)器裝置，能自動(dòng)執(zhí)行工作，按照自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。工業(yè)機(jī)器人可以按照預(yù)先編排的程序運(yùn)行接受人類(lèi)指揮；現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的規(guī)則自由行動(dòng)。工業(yè)機(jī)器人一般由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、主體三個(gè)主要的部分組成?？刂葡到y(tǒng)，按照程序發(fā)出指令信號(hào)且執(zhí)行；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和動(dòng)力裝置組成，執(zhí)行動(dòng)作；主體，指執(zhí)行機(jī)構(gòu)和機(jī)座兩部分，其中含臂部，腕部和手部，一些機(jī)器人還有行走功能。而從機(jī)械結(jié)構(gòu)方面講，工業(yè)機(jī)器人分為兩大類(lèi)：串聯(lián)機(jī)器人與并聯(lián)機(jī)器人。串聯(lián)機(jī)器人工作的原理是一個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)軸的坐標(biāo)原點(diǎn)的改變，并聯(lián)機(jī)器人的一個(gè)軸運(yùn)動(dòng)則不會(huì)改變另一個(gè)軸的坐標(biāo)原點(diǎn)；就象生活中的串聯(lián)電路和并聯(lián)電路是一個(gè)道理。在機(jī)器人的開(kāi)發(fā)運(yùn)用過(guò)程中，最早的機(jī)器人采用的是串聯(lián)機(jī)構(gòu)；而并聯(lián)機(jī)構(gòu)則具有兩個(gè)及以上的自由度，且并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)的一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)，早在二十世紀(jì)七十年代，Hunt就提出了6個(gè)自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)器人操作器，為并聯(lián)機(jī)器人的研究奠定了基礎(chǔ)。隨著并聯(lián)機(jī)器人的研究的深入，其具有的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、剛度大、承載能力大、運(yùn)動(dòng)負(fù)荷小、微動(dòng)精度高的優(yōu)點(diǎn)日益凸顯；同時(shí)在位置求解上，我們知道串聯(lián)機(jī)器人的正解容易，而反解就有很大的問(wèn)題； 單并聯(lián)機(jī)器人在反解方面就非常容易[3-4]。

2 機(jī)器人在工業(yè)中的應(yīng)用

機(jī)器人在工業(yè)的運(yùn)用中，因某些工種的環(huán)境比較惡劣，危險(xiǎn)系數(shù)比較高，而且技術(shù)水平差，另外一些工種的工作內(nèi)容繁重、單調(diào)、重復(fù)、時(shí)間長(zhǎng)；以上都是工人不喜歡、不愿意從事的工作。所以用機(jī)器人代替工人來(lái)從事這些工作，在一些惡劣環(huán)境中既能夠使辛苦工作的勞動(dòng)者得到解脫，也保護(hù)工人的安全；與工人的勞動(dòng)力相比，機(jī)器人有很多優(yōu)勢(shì)，不僅能適應(yīng)有毒、惡劣的環(huán)境，同時(shí)機(jī)器人沒(méi)有沒(méi)有疲憊感、懈怠情緒，即使長(zhǎng)時(shí)間的工作，機(jī)器人的工作效率和操作的準(zhǔn)確度要高于工人，再加上機(jī)器人不受外界環(huán)境的影響，高危工作都能勝任。所以，機(jī)器人在工業(yè)中很受歡迎，尤其是企業(yè)老板，更喜歡這些不休假、不怕受傷、不停工作的“機(jī)械工人”。雖然機(jī)器人的應(yīng)用提高了工業(yè)的生產(chǎn)效率，但也凸顯出一個(gè)嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題就是機(jī)器人的應(yīng)用，一些依靠大量工人進(jìn)行生產(chǎn)的行業(yè)大量裁員，如何解決這些剩余勞動(dòng)力成為了社會(huì)問(wèn)題。為此，要辯證地看待機(jī)器人在工業(yè)中的應(yīng)用。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器人的應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大?，F(xiàn)在機(jī)器人不僅應(yīng)用于如采礦、冶金、石油等傳統(tǒng)工業(yè)中，也應(yīng)用到了船舶、電力、航天、醫(yī)藥、生化、航空等現(xiàn)代化工業(yè)中，例如先進(jìn)的拋光機(jī)器人、擦玻璃機(jī)器人、打毛刺機(jī)器人、高壓線作業(yè)機(jī)器人、水下機(jī)器人等。同時(shí)，工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代的汽車(chē)工業(yè)中，例如點(diǎn)焊、弧焊、熱處理、噴漆、裝配、上下料、搬運(yùn)、檢測(cè)等。 在物流等領(lǐng)域， 工業(yè)機(jī)器人正逐步代替人工從事繁重枯燥的包裝、搬運(yùn)、碼垛作業(yè)。

3 工業(yè)機(jī)器人的種類(lèi)

在工業(yè)生產(chǎn)中，移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用廣泛， 覆蓋面廣。 下面主要介紹移動(dòng)機(jī)器人中的輪式/履帶式、腿足式和仿人形機(jī)器人， 以及水下機(jī)器人和飛行機(jī)器人的一些研究進(jìn)展。 輪式/履帶式移動(dòng)機(jī)器人主要有智能輪椅以及大型智能車(chē)輛等。定位，一般利用航跡推算、路標(biāo)識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、SLAM、無(wú)線定位等技術(shù)進(jìn)行定位功能；運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與自主控制，基于地圖導(dǎo)航完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和運(yùn)動(dòng)路徑的規(guī)劃；服務(wù)作業(yè)，結(jié)合語(yǔ)音、圖像識(shí)別， 實(shí)現(xiàn)人機(jī)友好交互， 提供服務(wù)。 為工業(yè)服務(wù)的，具有單臂或多臂的移動(dòng)機(jī)器人研究得到重視。當(dāng)下，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等單位開(kāi)發(fā)了多種輪式/履帶式移動(dòng)機(jī)器人， 如可變形機(jī)器人、復(fù)合結(jié)構(gòu)機(jī)器人等， 開(kāi)展了環(huán)境建模、避障路徑規(guī)劃、識(shí)別語(yǔ)音命令、人機(jī)對(duì)話、路標(biāo)識(shí)別定位、作業(yè)臂抓取、多機(jī)協(xié)作等方法研究。腿足式移動(dòng)機(jī)器人是模仿動(dòng)物、昆蟲(chóng)等的運(yùn)動(dòng)方式和腿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的機(jī)器人， 研究包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、步態(tài)設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容。二十世紀(jì)八十年代，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研制出簡(jiǎn)單腿結(jié)構(gòu)的液壓驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人。 由于液壓系統(tǒng)在尺寸、重量、性能、控制和便攜動(dòng)力源等方面存在較大困難。 隨后， 四足機(jī)器人、仿昆蟲(chóng)多足機(jī)器人等多采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。 但也存在負(fù)重比較低、抗沖擊能力弱、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能差等問(wèn)題。近來(lái)，波士頓動(dòng)力公司開(kāi)發(fā)的BigDog，新型液壓驅(qū)動(dòng)四足仿生機(jī)器人， BigDog可負(fù)載300斤， 行走 20km，環(huán)境適應(yīng)性好、負(fù)載能力高、續(xù)航能力強(qiáng)、行走速度快。在國(guó)內(nèi)，國(guó)內(nèi)研制的腿足式移動(dòng)機(jī)器人， 多以電機(jī)為主要驅(qū)動(dòng)方式， 如中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。 山東大學(xué)研制四足機(jī)器人， 實(shí)現(xiàn)了 Trot 動(dòng)步態(tài)行走。 仿人機(jī)器人研究主要目標(biāo)在于機(jī)器人設(shè)計(jì)、步態(tài)生成、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制等方面。 步態(tài)生成有在線生成和離線生成兩種方法。 離線生成方法可完成如行走、產(chǎn)品加工等動(dòng)作，但缺點(diǎn)是無(wú)法適應(yīng)環(huán)境變化； 在線規(guī)劃則實(shí)時(shí)調(diào)整步態(tài)規(guī)劃、確定各關(guān)節(jié)的期望角。日本的本田公司研制的ASIMO仿人機(jī)器人，行走速度可達(dá)1。67m/s， 可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜動(dòng)作的完成等。此外，國(guó)內(nèi)在仿人機(jī)器人方面也開(kāi)展了大量工作，例如 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制開(kāi)發(fā)了雙足機(jī)器人KDW。 北京理工大學(xué)研制的BRH等， 實(shí)現(xiàn)了刀術(shù)表演、太極拳表演、騰空行走等復(fù)雜動(dòng)作。

4 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展

工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)屬于智能高端產(chǎn)業(yè)，在我國(guó)需要不斷的培育；包括培育零部件配套商、整機(jī)制造商、系統(tǒng)集成商等；其中關(guān)鍵零部件、應(yīng)用工藝、應(yīng)用成本都是制約規(guī)模應(yīng)用的主要問(wèn)題，將產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，產(chǎn)學(xué)研，資本投資緊密結(jié)合。首先，工業(yè)機(jī)器人的規(guī)模化應(yīng)用是前提。工業(yè)機(jī)器人只有結(jié)合具體的應(yīng)用工藝、應(yīng)用對(duì)象、應(yīng)用環(huán)境，它的智能化才能發(fā)揮作用；第二， 工業(yè)機(jī)器人的主機(jī)成本是核心。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人，要求成本價(jià)格合理，其中包含的投入大、產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)等問(wèn)題，需要長(zhǎng)期發(fā)展才能在國(guó)內(nèi)國(guó)外行業(yè)內(nèi)形成客戶信賴(lài)的品牌。再經(jīng)過(guò)打通產(chǎn)業(yè)鏈中的上下游，降低機(jī)器人成本將加速工業(yè)機(jī)器人新時(shí)代的到來(lái)，這是支撐工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的必由之路。第三，工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵是核心零部件。核心零部件為伺服電動(dòng)機(jī)、控制器、驅(qū)動(dòng)器、高精度減速器，這些零部件對(duì)機(jī)器人的整體性能指標(biāo)起著決定作用。

總之，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人正面臨良好的時(shí)代發(fā)展機(jī)遇，正在逐步走向產(chǎn)業(yè)化；原始創(chuàng)新與技術(shù)創(chuàng)新，依然是機(jī)器人突破性的發(fā)展關(guān)鍵要素，抓住機(jī)遇，理性發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]北京中智正業(yè)研究院115報(bào)告中心.2011-2015 年中國(guó)工業(yè)機(jī)器人行業(yè)產(chǎn)銷(xiāo)需求預(yù)測(cè)與轉(zhuǎn)型升級(jí)分析報(bào)告[R].北京，2011.

[2]趙剛，程建潤(rùn)，林源園.新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略問(wèn)題[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2010（08）：1-4.

[3]機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用編輯部.我國(guó)工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2013，1（01）：3-5.

[4]顧震宇.全球工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].機(jī)電一體化，2006（02）：6-10.

基金項(xiàng)目： 永川區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（永川工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用研發(fā)及創(chuàng)新應(yīng)用示范，項(xiàng)目編號(hào)：Ycstc，2013ac3001）