智造講堂：工業(yè)機(jī)器人
2021-7-22新聞
1954年，美國(guó)人喬治·德沃爾申請(qǐng)了“可編程關(guān)節(jié)式轉(zhuǎn)移物料裝置”的專(zhuān)利，并與約瑟夫·恩格爾伯格合作成立了世界上第一個(gè)機(jī)器人公司Unimation，研發(fā)出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人Unimate。在此之后的幾十年間，工業(yè)機(jī)器人不僅改變了汽車(chē)制造業(yè)，也拓展到其他制造業(yè)和非制造業(yè)，經(jīng)歷了搖籃階段到實(shí)用階段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和深入，機(jī)器人逐漸向著多傳感器智能控制方向發(fā)展。
「 1. 工業(yè)機(jī)器人定義與分類(lèi) 」
1）工業(yè)機(jī)器人的定義
在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的機(jī)器人被稱(chēng)為工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的機(jī)電一體化設(shè)備，被稱(chēng)為工業(yè)自動(dòng)化的三大支持技術(shù)之一。世界各國(guó)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義不盡相同，且隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，內(nèi)涵的逐漸豐富，工業(yè)機(jī)器人的定義也在隨之變化。
美國(guó)工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)（RIA）、日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)（JIRA）、德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（VDI）以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）等都對(duì)工業(yè)機(jī)器人做出過(guò)定義。目前多采用的是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義，即“工業(yè)機(jī)器人是一種能自動(dòng)控制、可重復(fù)編程，多功能、多自由度的操作機(jī)，能搬運(yùn)材料、工件或操持工具，來(lái)完成各種作業(yè)”。我國(guó)現(xiàn)行的推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)器人與機(jī)器人裝備 詞匯》（GB/T 12643—2013），等同采用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO 8373:2012標(biāo)準(zhǔn)，沿用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織對(duì)工業(yè)機(jī)器人的定義。
2）工業(yè)機(jī)器人的組成
工業(yè)機(jī)器人由執(zhí)行機(jī)構(gòu)（圖1中的1、3）、控制系統(tǒng)（圖1中的2）、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（如液壓缸、電機(jī)等）、檢測(cè)系統(tǒng)四大部分構(gòu)成。
圖1 工業(yè)機(jī)器人的組成
這四部分之間的運(yùn)作關(guān)系如圖2所示，由控制系統(tǒng)傳達(dá)信號(hào)到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置動(dòng)作，檢測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控執(zhí)行裝置的執(zhí)行結(jié)果，并反饋回控制系統(tǒng)，及時(shí)調(diào)整控制信號(hào)。
圖2 工業(yè)機(jī)器人各部分關(guān)系
（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是具有和人手臂相似的動(dòng)作功能，可在空間抓放物體或執(zhí)行其他操作的機(jī)械裝置，通常包括機(jī)座、手臂、手腕和末端執(zhí)行器。見(jiàn)圖1中的1、3。
（2）控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，支配機(jī)器人按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度等指令信息，以實(shí)現(xiàn)重復(fù)運(yùn)動(dòng)。
（3）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是將控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。常見(jiàn)的有電氣、液壓、氣動(dòng)和機(jī)械等方式。
（4）檢測(cè)系統(tǒng)。檢測(cè)系統(tǒng)主要檢測(cè)執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)位置和狀態(tài)，并實(shí)時(shí)將實(shí)際位置、狀態(tài)信息反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將其與設(shè)定值進(jìn)行比較，實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)送給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的指令，使得執(zhí)行系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定位置和狀態(tài)。檢測(cè)系統(tǒng)通常是各種傳感器。
3）工業(yè)機(jī)器人的分類(lèi)
工業(yè)機(jī)器人有多種分類(lèi)方式：①按照程序輸入方式劃分，可分為編程輸入型和示教輸入型兩類(lèi)；②按照驅(qū)動(dòng)方式劃分，可分為液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)等類(lèi)型；③按照機(jī)械結(jié)構(gòu)劃分，可劃分為串聯(lián)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人、串并混聯(lián)機(jī)器人；④按照運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式劃分，可分為圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人、球坐標(biāo)型機(jī)器人、直角坐標(biāo)型機(jī)器人、多關(guān)節(jié)型機(jī)器人、平面關(guān)節(jié)型（SCARA）機(jī)器人等5種；⑤按照應(yīng)用領(lǐng)域劃分，可分為焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、碼垛機(jī)器人、上下料機(jī)器人、包裝機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、切割機(jī)器人等。⑥按照負(fù)載來(lái)劃分，可分為小型負(fù)載機(jī)器人（負(fù)載小于20kg）、中型負(fù)載機(jī)器人（負(fù)載介于20～100kg 之間）和大型負(fù)載機(jī)器人（負(fù)載大于 100kg）。
「 2. 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 」
工業(yè)機(jī)器人具有可編程、擬人化、通用性、機(jī)電一體化等特征?？删幊?，是指工業(yè)機(jī)器人可以隨著其工作環(huán)境變化的需要進(jìn)行再編程，因此，它在小批量、多品種的柔性制造過(guò)程中扮演重要角色，可發(fā)揮均衡、高效率的功用與價(jià)值，是柔性制造系統(tǒng)的重要組成部分之一。擬人化，是指工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)上有類(lèi)似于人體的行走、腰轉(zhuǎn)等動(dòng)作，以及大臂、小臂、手腕、手爪等部位。通用性，是指除了專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人外，一般工業(yè)機(jī)器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)時(shí)具有較好的通用性；比如，更換工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器（手爪、工具等）便可以執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)。機(jī)電一體化，是指工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)等的有機(jī)結(jié)合，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。
工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)中的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)為自動(dòng)化、高效率和安全性。隨著工業(yè)機(jī)器人在現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展過(guò)程中的價(jià)值越來(lái)越突出，工業(yè)機(jī)器人正呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)：
1）工業(yè)機(jī)器人走向智能化
工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展可分為三個(gè)階段，即從第一代的示教再現(xiàn)機(jī)器人（通過(guò)示教存儲(chǔ)信息，工作時(shí)讀出這些信息，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按指令再現(xiàn)示教的操作，廣泛應(yīng)用于焊接、上下料、噴漆和搬運(yùn)等），到帶有簡(jiǎn)單感覺(jué)系統(tǒng)的機(jī)器人（帶有視覺(jué)、觸覺(jué)等功能，可以完成檢測(cè)、裝配、環(huán)境探測(cè)等作業(yè)），再到智能機(jī)器人（不僅具備感覺(jué)功能，而且能在無(wú)人指令情況下，根據(jù)所處環(huán)境自行決策，規(guī)劃出行動(dòng)）。
目前，在工業(yè)中應(yīng)用的機(jī)器人絕大部分都不智能。因此，智能化是未來(lái)工業(yè)機(jī)器人的主要發(fā)展方向。在操作臂技術(shù)上，將向著提高功率密度、通用性、輕量化、多自由度、多種材料、仿人體結(jié)構(gòu)、高負(fù)重與自重比及一體化機(jī)構(gòu)方向發(fā)展。在傳感與感知上，通過(guò)采用識(shí)別、跟蹤、力覺(jué)、視覺(jué)等傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種外部環(huán)境、各種復(fù)雜作業(yè)的自主識(shí)別。在安全技術(shù)上，工業(yè)機(jī)器人由單機(jī)時(shí)代的自身安全進(jìn)化到物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的網(wǎng)絡(luò)安全；在導(dǎo)航技術(shù)上，工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人則向多模態(tài)、室外及無(wú)標(biāo)識(shí)自然導(dǎo)航方向發(fā)展。
2）工業(yè)機(jī)器人由單機(jī)走向多機(jī)協(xié)同
目前工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用仍以單機(jī)自動(dòng)化為主，但在一些應(yīng)用場(chǎng)景環(huán)節(jié)已實(shí)現(xiàn)了多機(jī)器人的協(xié)同應(yīng)用。比如，在汽車(chē)行業(yè)的車(chē)身噴涂、焊接等場(chǎng)景，往往一個(gè)工位上需要有多臺(tái)機(jī)器人來(lái)協(xié)同工作，與此同時(shí)工業(yè)機(jī)器人主流廠商也針對(duì)這些場(chǎng)景推出了多機(jī)器人協(xié)同應(yīng)用解決方案。以安川電機(jī)為例，在2020年中國(guó)國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)上，安川電機(jī)就展示了商用車(chē)白車(chē)身焊接及噴涂工位的多機(jī)器人協(xié)同應(yīng)用。其中，在商用車(chē)白車(chē)身噴涂工位，安川電機(jī)展示了利用噴涂機(jī)器人、開(kāi)門(mén)機(jī)器人等四款不同的機(jī)器人共同完成車(chē)身的噴涂作業(yè)；而在商用車(chē)白車(chē)身的焊接工位，同樣也是在一個(gè)工位內(nèi)配置多種類(lèi)型的機(jī)器人，完成搬運(yùn)、點(diǎn)焊以及弧焊作業(yè)。而為了實(shí)現(xiàn)高效的生產(chǎn)，工業(yè)機(jī)器人多機(jī)協(xié)同作業(yè)將會(huì)有更多應(yīng)用。
3）傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人將走向人機(jī)共融
傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的感知能力較弱，只能在穩(wěn)定的環(huán)境中工作，也就是主要在結(jié)構(gòu)化環(huán)境中執(zhí)行各類(lèi)確定性任務(wù)，否則就容易出錯(cuò)甚至傷人毀物。為克服上述不足、有效擴(kuò)展和延伸人類(lèi)能力，共融機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生并代表了未來(lái)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展方向。所謂，共融機(jī)器人，是指能與作業(yè)環(huán)境、人、其他機(jī)器人自然交互，自主適應(yīng)復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境并協(xié)同作業(yè)的機(jī)器人?！肮踩凇本唧w包含機(jī)器人與環(huán)境的自然交互、機(jī)器人之間的互助互補(bǔ)、機(jī)器人與人之間的協(xié)同作業(yè)三層含義。而為實(shí)現(xiàn)以上與環(huán)境，與其他機(jī)器人，與人類(lèi)共存、共事、共融的目標(biāo)，機(jī)器人需要在“身體”“感知”和“意識(shí)”上進(jìn)行革新。
4）復(fù)合式工業(yè)機(jī)器人成趨勢(shì)
為了滿(mǎn)足更多樣的應(yīng)用場(chǎng)景，如今除了工業(yè)機(jī)器人單體之外，還出現(xiàn)了許多復(fù)合式工業(yè)機(jī)器人，例如桁架式機(jī)械手、軌道式機(jī)器人、移動(dòng)協(xié)作機(jī)器人（AMR/AGV+協(xié)作機(jī)器人）等，用于工業(yè)機(jī)器人移動(dòng)式操作的場(chǎng)景。圖3 是庫(kù)卡（KUKA）線(xiàn)性滑軌機(jī)器人和KUKA移動(dòng)機(jī)器人KMR iiwa。線(xiàn)性滑軌，相當(dāng)于給工業(yè)機(jī)器人又添加了一個(gè)軸，從而增大了工業(yè)機(jī)器人的工作空間，而在同一個(gè)線(xiàn)性滑軌上，通?？梢允褂枚鄠€(gè)機(jī)器人。KUKA移動(dòng)機(jī)器人KMR iiwa則使得人機(jī)協(xié)作更加靈活。
圖 3 KUKA線(xiàn)性滑軌機(jī)器人與KUKA移動(dòng)機(jī)器人KMR iiwa（來(lái)源：KUKA官網(wǎng)）
5）工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用行業(yè)與場(chǎng)景不斷延伸拓展
世界第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)，直至目前，汽車(chē)工業(yè)仍然是工業(yè)機(jī)器人最大的應(yīng)用市場(chǎng)，也是標(biāo)準(zhǔn)最高、使用密度最高的市場(chǎng)。但與此同時(shí)，工業(yè)機(jī)器人也正在向一般工業(yè)拓展，應(yīng)用場(chǎng)景不斷深化。在行業(yè)應(yīng)用上，工業(yè)機(jī)器人已迅速拓展到3C電子、金屬加工、醫(yī)療、煙草、物流、食品、制藥、塑料、橡膠、化工等行業(yè)。在具體應(yīng)用場(chǎng)景上，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用則包括焊接、噴涂、打磨、涂膠、上下料、去毛刺、搬運(yùn)、裝配、分揀、包裝、檢測(cè)等。
6）云化機(jī)器人及工業(yè)機(jī)器人云平臺(tái)興起
在智能制造生產(chǎn)場(chǎng)景中，需要工業(yè)機(jī)器人有自組織和協(xié)同的能力來(lái)滿(mǎn)足柔性生產(chǎn)，這就帶來(lái)了云化機(jī)器人（機(jī)器人大腦在云端）及工業(yè)機(jī)器人云平臺(tái)的需求。和傳統(tǒng)機(jī)器人相比，云化機(jī)器人需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到云端的控制中心，基于超高計(jì)算能力的平臺(tái)，并通過(guò)大數(shù)據(jù)和人工智能對(duì)生產(chǎn)制造過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算控制。未來(lái)，隨著5G、AI、云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展成熟，云化機(jī)器人及工業(yè)機(jī)器人云平臺(tái)或?qū)⒊蔀樾乱惠啺l(fā)展熱點(diǎn)。
