机械臂研究现状

目前，国际上的工业机器人公司主要分为：日系、欧系。以欧、日为代表的工业强国，其国内工业界将技术水平已经十分成熟的机器人产品作为一种标准的工业设备在工厂中广泛的应用，依靠强大的科技实力，使国内装备制造业的自动化水平有了极大的提高。同时，在这些国家和地区中，涉及机器人研究、生产的企业已经成为所在地的主要支柱产业。这些老牌的工业强国在工业机器人方面都具有很强的技术实力，产品均带有自己的特点，在世界机器人领域都占有一席之地。

瑞典ABB Robotics公司是世界上最大的机器人制造公司。其1974年研制的世界第一台全电控式工业机器人--IRB6，主要用于工件的取放及物料的搬运即为码垛机器人；其公司又在这款机器人产品的基础上，推出了 IRB640_型码垛机器人，此款机器人在工作效率上有了很大的提升，可完成每小时1200个工作码放循环，负载可达160kg，并开发出了专用于码垛机器人的可自动生成码垛程序的码垛软件。

德国的KUKA公司于1973研制了第一台采用六轴电机驱动的工业机器人。发展至今，该公司生产的码垛机器人主要的特点是：有坚实的基础结构和驱动方案作为其性能的保障。为提高机身的机械性能及抗震能力，釆用聚碳纤维铸成，以达到减轻重量、增大扭力、提高韧性的目的。其开发的控制系统，通过规划和设置后使MTBF(平均故障间隔时间)有了大幅的提高，延长了使用寿命。其中该公司开发的的一款码垛机器人产品--KR1000TITAN，其最大负载可达1000 kg，水平方向的最大工作半径可达3200 mm，垂直方向的最大工作高度可达5000 mm。

日本有“机器人王国”之称。在机器人领域表现突出的一个特点就是不仅注重工业机器人在产业中的应用，而且相关的配套基础技术能力也特别强，如研制开发工业机器人研究难点的RV减速器和机器人专用的伺服电机，技术相当出色，基本垄断了商业市场，这为日本机器人产业化发展提供了很好的基础条件。目前，在机器人的产量和安装台数上，日本在国际上跃居首位。还诞生了一批世界领先机器人研究制造企业如:安川、FANUC、Nachi、YAMAHA、Denso等。安川电动机公司于1977年研制了世界第一台全电动的工业机器人，而此前工业机器人多为液压驱动，自此电动的驱动方式逐渐成为了机器人的主流方式。此外，20世纪70年代末，日本第一次将机器人技术应用于码垛机器人。

由于国外先进的工业机器人技术和发达的产业机器人产业链，使得码垛机器人在各行各业均有广泛的应用。如:瑞士、挪威等国家在食品和饮料行业，为减轻工人负担、提高生产效率、降低产品的破损，多用码垛机器人配合专用的执行器，进行箱、盒、袋等类型产品的包装、码垛、拆卸等操作。如ABB FlexPalletier IRB640型码垛机器人、Motoman码垛机器人在Hershey公司生产线上的应用等。

总体来看，我国工业机器人技术起步较晚，加之过去国情所限，我国工业机器人发展缓慢，研究及应用水平比较低。随着80年代的国家“七、五”科技攻关计划和90年代实施的863计划，将工业机器人列入发展计划，并逐步形成了如中科院沈阳自动化所、哈工大、上海交大、北京机械自动化所等一批专业机构，展开了机器人基础理论与基础元器件研究，但相比国外机器人研究仍相差甚远经过广大科技工作者的努力，现以开发了7种工业机器人系列产品，102种特种机器人，实施了100余项机器人应用工程。相继研制出码垛、搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人。

目前我国正处于企业转型升级的关键时期，作为先进制造业不可替代的重要装备，工业机器人的应用和普及势必成为企业的理想选择。作为我国较大的工业机器人生产厂家，哈尔滨博实自动化设备有限公司于1989年就自主研发出了以应用码垛机器人为核心部件的全自动码垛生产线，并达到每小时600袋的工作效率。至2006年，开发的FFS (Form-Fill-Seal )的高速高精度称重包装码垛生产线的生产能力达到了每小时1600袋,称重精度达±0.1。而中外合资的首钢莫托曼机器人有限公司,通过引进日本安川的机器人技术,于2005年生产了用于从事码垛、搬运、装配等工作的垂直多关节型机器人,其负载最大可达165 kg,重复定位精度可达±0.2 inm,该机器人具有机械本体轻、运动轨迹精度高及抑制振动效果好等诸多优点。

宝鸡新科机械制造有限公司于2008年研制出RMD70型码垛机器人,是专门用于包装行业自主设计的产品。该机器人具有很大的负载能力,可达450 kg,工作效率可达每小时700次。与之前产品相比,其主要的设计特点在于其机械结构设计上釆用了适用于承受重载的行星减速器,在控制系统方面配套了德国先进的控制元器件。

码垛机器人要求满足独特的工况条件:所搬运的物体重量并不恒定,首先就要求机械本体要具有很强的结构刚度,因此,良好的机械结构是一切研究的基础;搬运和码放过程中要求速度快以提高工作效率,所以在工作过程中惯性载荷变化非常大,而作为承受载荷较大的臂部及其相关连接关节的设计显得尤为重要,其设计的合理与否将直接通过影响关节的动力学性能而影响整机的工作性能,除此之外,还要兼顾末端执行器要根据实际需要进行特殊的设计。因此,针对具体关键结构的设计和改进,会对整体的机械性能、抗震性能、驱动性能都有较大的改善。

我国码垛机器人的研究已具有一定水平,也进行了一定的运用推广,如:李成伟_、苏海新杨颜泉_等人对码垛机器人的研究均取得了一定的成果,其研制的码垛机器人,一般具有4-6个轴,主要组成部分为:固定底坐、连杆、连杆臂、臂部、腕部以及执行器等。

在实际生产应用中,发现解决现有码垛机器人在工作过程中稳定性与机器人结构及控制复杂度之间矛盾显得尤为重要。因此,围绕着能够很好的解决上述矛盾的码垛机器人成为研究重点。由于国内常用码垛机器人多为泡联结构,通过对平行四?边形连杆手臂机构的结构及其驱动系统的配置方式进行合理的改进、布局,可以非常方便的实现手臂机构工作位置点的线性运动,有利于运动解稱,简化运动分析及控制程序的复杂性,并且无需配重及弹簧减力平衡装置,不仅降低了机器人本体的重量、成本,从而减少能源消耗,而且稳定性及耐用性提高。很多研究者进行了有益的尝试,并取得了很好的结果。并在一些食品厂、大型啤酒生产企业进行应用,大大提高生产效率。

青岛、玉溪等卷烟厂,在上世纪90年代始,就应用了我国国产的码垛机器人对成箱的成品进行码垛、拆卸作业;通过配备相应的识别器(如图像识别系统)并配合多功能的执行器,可实现不同产品的识别、抓取、码放。在粮食加工食品行业,在输送线上应用了4自由度码垛机器人。这种机器人结构形式上划分其属于圆柱型,其可在5-10 kg工作负载下,码放高度达1500 mm,水平运动距离可达1200 iiM,回转角度大于360度,该机器人具有控制性能优越、效率局等优点。

通过与国外成熟码垛机器人对比可知,虽然我国码垛机器人技术已经取得了长足的进展,但在负载能力、工作范围、工作效率以及运行精度等方面,都存在着不小的差距。究其原因在于许多基础性关键技术上还有侍突破。

1.2. 3码垛机器人的发展趋势

码垛机器人作为工业机器人众多类型中的一种,发展变化与整个机器人行业密切相关。经过数十年的研究,随着机器人技术的日趋成熟,正向着智能化的方向发展,趋势也日渐明朗,主要为:

1.对制作机器人本体新的高强度材料的探索,机械结构的更加优化,以满足不断提高的负载/自重比;

2.高速、重载、高精度;

3.更加放化、网络化的控制技术;

4.驱动技术的数字化及分散化;

5.多传感器技术实用化;

6.小型化、轻量化及成本低廉。

现有码垛机器人机械本体大多釆用优质轻便的铸招材料制造,其机构形式大多采用连杆式的关节型,也有少部分全部采用关节型。驱动均采用模块式数字化的AC伺服电机和RV减速器,大大优化了整机结构,并根据所搬运物品的不同还设计了如吸盘式、叉式、夹持式等各种各样的末端执行器。在控制系统方面釆用了基于PC的放式控制系统,令机器人高速、精确、可靠的运行[?。结合我国相关技术水平及未来发展趋势来看,还要在如下几个方面努力:

1.增加码垛能力。就需要继续优化机械结构,有效扩大工作空间,提高工作灵活性。

2.提高智能化程度。这就要求机器人本身具有监控、检测、警示、诊断、修复等智能功能,因此,会涉及到传感器等相关技术的发展。

3.可靠性、稳定性进一步提高。与其他类型工业机器人相比,由于码垛机器人要求抓取、码垛动作的不断快速重复,就要求其重要的元器件如:关节用伺服电机、减速器等在工作过程中绝对可靠,从而才能保证整机的平稳性和精度。

4.经济性。对于这一指标的考虑,不仅是对我国机器人制造企业而言,更重要的是考虑到机器人的应用企业,工业机器人在实际应用中除前期投入成本之外,其后期的维护和使用成本也成为企业关注的重要方面。因此,经济性尤其是使用经济性在机器人的研发设计阶段就应加以考虑。