工业机器人技术体系

工业机器人技术体系梳理分析

随着我国生产力的发展和经济结构调整的不断深入，相关基础科学与技术（尤其是信息技术）研究的巨大进步，电机、IC、工业计算机等机器人基础部件的性能不断提高，成本不断降低，机器人的发展正面临重大发展机遇。大力发展智能机器人的核心技术和产业标准，结合我国在制造业方面的成本优势，鼓励和扶持一批大中型企业发展机器人产业，早日成为智能机器人的研发和制造大国，对于提升国家竞争力具有重要的战略意义。

对工业机器人的定义各国并不统一。GB/T 12643-1997认为：“（操作型）工业机器人是自动控制的，可重复编程，多用途，并可对三个和三个以上轴进行编程。可以是固定式或移动式，在工业自动化中使用”。可见，工业机器人多指面向工业领域的，可编程并实现多种用途的多关节机械手或多自由度机器人。

工业机器人的广泛应用是我国装备制造业转型升级的重要手段和内容，这对于上海地区更具有现实意义。工业机器人可以在以下几方面发挥重要作用：产品的复杂化、多样化，生产的周期缩短要求产品的可靠性、精度等得到更有效的控制，避免人为因素的干扰；“以人为本”和人力成本的提高要求把劳动力从单调、枯燥、有危害的环境中解放出来；市场经济要求企业不断提高劳动生产率，增强核心竞争力；用户的个性化需求要求不断降低生产调整时间，提高生产过程的“柔性”。

1．工业机器人行业现状工业机器人生产企业可分成几种类型：（1）国际机器人公司及合资公司

跨国企业：发那科、库卡、ABB、安川电机、川崎等。

合资企业：首钢莫托曼等。

（2）已形成产业的国内骨干机器人企业

沈阳新松机器人公司、海尔机器人公司、奇瑞机器人公司等。

（3）机床企业的机器人(设备)部门

沈阳机床、华中数控、大连机床、友嘉等机床企业都在进行工业机器人研发，初步形成产业化的只有广州数控。

（4）小型机器人专业公司

生产某些类型或系列的机器人产品或从事集成、应用开发。

2．工业机器人应用领域

机器人主要产销国日本2010年的统计数据显示，工业机器人主要应用在：装配（普通装配、贴片、钎焊、涂胶等）、焊接（弧焊、点焊、气焊等）、净室（平板显示、半导体等）、原料输送、注塑、涂装、机械加工（上下料、切割等）及其它领域（按销售额递减排序）。08、09年资料也表明，中国工业机器人的主

要种类为搬运、焊接和净室，应用行业为汽车及零部件、电子电器和化工（塑料和橡胶）等。和全球工业机器人情况类似，所占比例略有不同。

3．工业机器人主流产品

（1）焊接机器人包括点焊、弧焊、激光焊等。主要用于汽车整车、零部件的焊接工作。

（2）搬运机器人用于机床上下料、码垛搬运、冲压自动化生产线、自动装配流水线等。

（3）装配机器人用于普通装配、贴片工艺、钎焊、钻孔和连接（铆接、螺栓连接、粘接）等。

（4）喷涂机器人用于汽车、马达、箱体、工程机械等的喷涂生产线。

（5）净室机器人在洁净环境中使用的机器人，多用于电子电器行业。

（6）真空机器人多用于半导体工业中，实现晶圆在真空环境中的传输。

4．上海在工业机器人方面的技术水平

上海市已成功研制了“上海一号”、“上海二号”、“上海三号”、“上海四号”等工业机器人，在机器人优化设计制造技术、机器人控制技术及驱动系统等积累了多年的研发经验。在工业机器人应用领域，已掌握多关节、桥架、码垛等工业机器人系统及周边自动化设备集成技术，具备搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等机器人工作单元成套、成线能力。

5．未来产业化发展的要求

（1）注重功能组件核心技术的研究和产业化

开展面向应用的机器人核心部件的国产化开发（机器人用伺服系统、机器人控制器、机器人智能控制技术、高精度减速机等），把企业行为提升为国家行为；深入开展机器人控制技术的研究。提升机器人的高速平稳性、动态跟踪精度、智能控制等方面的性能。

（2）着力提升机器人系统的可靠性和产业体系的建立。

从样机到成熟产品要通过长时间应用验证和不断改进，需要由企业牵头开展国产机器人稳定性、可靠性等问题的研究和应用测试；加强研发、加工、装配、检测、维护、管理等机器人产业体系的建立。

（3）瞄准未来，支持研发智能型工业机器人技术

（一）主流产品体系架构及研发重点

产品分类体系、功能模块分解

1．产品分类体系

工业机器人的分类方法众多，可以按照运动机构分（直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型、移动型），按照驱动方式分（电力、液压、气动驱动），按照运动方式分（点位控制、连续轨迹控制），按程序输入方式分（编程输入、示教输入）及按照完成功能（操作、移动）等。根据1990年工业机器人国际标准大会的文件，把工业机器人按控制方式分为四类[2]：

（1）顺序型。这类机器人拥有规定的程序动作控制系统；

（2）沿轨迹作业型。这类机器人执行某种移动作业，如焊接。喷漆等；

（3）远距作业型。比如在月球上自动工作的机器人；

（4）智能型。这类机器人具有感知、适应及思维和人机通信机能；能在较为复杂的环境下工作；能按照人的指令自选或自编程序去适应环

境，并自动完成更为复杂的工作。

目前，机器人强国日本的工业机器人已在第发展（3）、（4）类工业机器人的路上取得了举世瞩目的成就。国内应用大多局限在（1）、（2）类上，某些大公司的产品中部分单元模块（如视觉）体现出智能化，但整体智能化水平不高。

2．产品功能模块

工业机器人产品主要由本体、驱动系统、控制系统、感知系统等部分组成。

（1）本体，即机座和执行机构（即机械壳体部分）

包括机械臂、腕部和手部，有的机器人还有移动机构；机械主体占全部成本的15%左右，国产化程度最高，很多国外机器人的本体也叫国内工厂代工。

（2）驱动系统，包括动力装置和传动机构

用以使执行机构产生相应动作的装置。国产伺服电机、驱动器、减速器等与欧洲和日本的产品还有较大差距。主要表现在对运动控制核心技术和制造工艺的掌握上；高精度减速机的国产化也是影响工业机器人发展的难题，其它大部份关键部件则要依赖进口，使国内机器人成本居高不下。

（3）控制系统

控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等，我国缺少机器人控制器和相应机器人控制器硬件平台。

（4）感知系统

是实现工业机器人与人、环境互操作的人机接口，也是工业机器人智能化以完成更复杂操作的必备条件。由各种传感器和接口组成。

3．智能型工业机器人研究的重要领域

（1）面向与人类近距离或有接触作业的高负载自重比机械臂的安全性、轻型化、灵巧性技术；

（2）基于新材料（如碳纤维材料）机构轻量化、模块化设计、加工工艺，基于力反馈的安全性控制和柔顺控制等方法；