智造講堂：工業(yè)機器人
2021-7-22新聞
1954年，美國人喬治·德沃爾申請了“可編程關(guān)節(jié)式轉(zhuǎn)移物料裝置”的專利，并與約瑟夫·恩格爾伯格合作成立了世界上第一個機器人公司Unimation，研發(fā)出世界上第一臺工業(yè)機器人Unimate。在此之后的幾十年間，工業(yè)機器人不僅改變了汽車制造業(yè)，也拓展到其他制造業(yè)和非制造業(yè)，經(jīng)歷了搖籃階段到實用階段。隨著計算機技術(shù)的進步和深入，機器人逐漸向著多傳感器智能控制方向發(fā)展。
「 1. 工業(yè)機器人定義與分類 」
1）工業(yè)機器人的定義
在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應用的機器人被稱為工業(yè)機器人。工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術(shù)于一體的機電一體化設(shè)備，被稱為工業(yè)自動化的三大支持技術(shù)之一。世界各國對工業(yè)機器人的定義不盡相同，且隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，內(nèi)涵的逐漸豐富，工業(yè)機器人的定義也在隨之變化。
美國工業(yè)機器人協(xié)會（RIA）、日本工業(yè)機器人協(xié)會（JIRA）、德國標準（VDI）以及國際標準化組織（ISO）等都對工業(yè)機器人做出過定義。目前多采用的是國際標準化組織（ISO）對工業(yè)機器人的定義，即“工業(yè)機器人是一種能自動控制、可重復編程，多功能、多自由度的操作機，能搬運材料、工件或操持工具，來完成各種作業(yè)”。我國現(xiàn)行的推薦性國家標準《機器人與機器人裝備 詞匯》（GB/T 12643—2013），等同采用了國際標準化組織的ISO 8373:2012標準，沿用了國際標準組織對工業(yè)機器人的定義。
2）工業(yè)機器人的組成
工業(yè)機器人由執(zhí)行機構(gòu)（圖1中的1、3）、控制系統(tǒng)（圖1中的2）、驅(qū)動系統(tǒng)（如液壓缸、電機等）、檢測系統(tǒng)四大部分構(gòu)成。
圖1 工業(yè)機器人的組成
這四部分之間的運作關(guān)系如圖2所示，由控制系統(tǒng)傳達信號到驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動執(zhí)行裝置動作，檢測系統(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)，及時調(diào)整控制信號。
圖2 工業(yè)機器人各部分關(guān)系
（1）執(zhí)行機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)是具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或執(zhí)行其他操作的機械裝置，通常包括機座、手臂、手腕和末端執(zhí)行器。見圖1中的1、3。
（2）控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)是機器人的大腦，支配機器人按規(guī)定的程序運動，并記憶動作順序、運動軌跡、運動速度等指令信息，以實現(xiàn)重復運動。
（3）驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)是將控制系統(tǒng)發(fā)出的控制指令信號放大，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的傳動裝置。常見的有電氣、液壓、氣動和機械等方式。
（4）檢測系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)主要檢測執(zhí)行系統(tǒng)的運動位置和狀態(tài)，并實時將實際位置、狀態(tài)信息反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將其與設(shè)定值進行比較，實時調(diào)整發(fā)送給驅(qū)動系統(tǒng)的指令，使得執(zhí)行系統(tǒng)達到設(shè)定位置和狀態(tài)。檢測系統(tǒng)通常是各種傳感器。
3）工業(yè)機器人的分類
工業(yè)機器人有多種分類方式：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；②按照驅(qū)動方式劃分，可分為液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動等類型；③按照機械結(jié)構(gòu)劃分，可劃分為串聯(lián)機器人、并聯(lián)機器人、串并混聯(lián)機器人；④按照運動坐標形式劃分，可分為圓柱坐標型機器人、球坐標型機器人、直角坐標型機器人、多關(guān)節(jié)型機器人、平面關(guān)節(jié)型（SCARA）機器人等5種；⑤按照應用領(lǐng)域劃分，可分為焊接機器人、裝配機器人、搬運機器人、碼垛機器人、上下料機器人、包裝機器人、噴涂機器人、切割機器人等。⑥按照負載來劃分，可分為小型負載機器人（負載小于20kg）、中型負載機器人（負載介于20～100kg 之間）和大型負載機器人（負載大于 100kg）。
「 2. 工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢 」
工業(yè)機器人具有可編程、擬人化、通用性、機電一體化等特征?？删幊?，是指工業(yè)機器人可以隨著其工作環(huán)境變化的需要進行再編程，因此，它在小批量、多品種的柔性制造過程中扮演重要角色，可發(fā)揮均衡、高效率的功用與價值，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)機器人在機械結(jié)構(gòu)上有類似于人體的行走、腰轉(zhuǎn)等動作，以及大臂、小臂、手腕、手爪等部位。通用性，是指除了專門設(shè)計的工業(yè)機器人外，一般工業(yè)機器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務時具有較好的通用性；比如，更換工業(yè)機器人末端執(zhí)行器（手爪、工具等）便可以執(zhí)行不同的作業(yè)任務。機電一體化，是指工業(yè)機器人實現(xiàn)了機械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)等的有機結(jié)合，是典型的機電一體化產(chǎn)品。
工業(yè)機器人在制造業(yè)中的優(yōu)勢主要體現(xiàn)為自動化、高效率和安全性。隨著工業(yè)機器人在現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展過程中的價值越來越突出，工業(yè)機器人正呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：
1）工業(yè)機器人走向智能化
工業(yè)機器人的發(fā)展可分為三個階段，即從第一代的示教再現(xiàn)機器人（通過示教存儲信息，工作時讀出這些信息，向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機構(gòu)按指令再現(xiàn)示教的操作，廣泛應用于焊接、上下料、噴漆和搬運等），到帶有簡單感覺系統(tǒng)的機器人（帶有視覺、觸覺等功能，可以完成檢測、裝配、環(huán)境探測等作業(yè)），再到智能機器人（不僅具備感覺功能，而且能在無人指令情況下，根據(jù)所處環(huán)境自行決策，規(guī)劃出行動）。
目前，在工業(yè)中應用的機器人絕大部分都不智能。因此，智能化是未來工業(yè)機器人的主要發(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)、高負重與自重比及一體化機構(gòu)方向發(fā)展。在傳感與感知上，通過采用識別、跟蹤、力覺、視覺等傳感器，實現(xiàn)對各種外部環(huán)境、各種復雜作業(yè)的自主識別。在安全技術(shù)上，工業(yè)機器人由單機時代的自身安全進化到物聯(lián)網(wǎng)時代的網(wǎng)絡安全；在導航技術(shù)上，工業(yè)移動機器人則向多模態(tài)、室外及無標識自然導航方向發(fā)展。
2）工業(yè)機器人由單機走向多機協(xié)同
目前工業(yè)機器人的應用仍以單機自動化為主，但在一些應用場景環(huán)節(jié)已實現(xiàn)了多機器人的協(xié)同應用。比如，在汽車行業(yè)的車身噴涂、焊接等場景，往往一個工位上需要有多臺機器人來協(xié)同工作，與此同時工業(yè)機器人主流廠商也針對這些場景推出了多機器人協(xié)同應用解決方案。以安川電機為例，在2020年中國國際工業(yè)博覽會上，安川電機就展示了商用車白車身焊接及噴涂工位的多機器人協(xié)同應用。其中，在商用車白車身噴涂工位，安川電機展示了利用噴涂機器人、開門機器人等四款不同的機器人共同完成車身的噴涂作業(yè)；而在商用車白車身的焊接工位，同樣也是在一個工位內(nèi)配置多種類型的機器人，完成搬運、點焊以及弧焊作業(yè)。而為了實現(xiàn)高效的生產(chǎn)，工業(yè)機器人多機協(xié)同作業(yè)將會有更多應用。
3）傳統(tǒng)工業(yè)機器人將走向人機共融
傳統(tǒng)工業(yè)機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)行各類確定性任務，否則就容易出錯甚至傷人毀物。為克服上述不足、有效擴展和延伸人類能力，共融機器人應運而生并代表了未來工業(yè)機器人的發(fā)展方向。所謂，共融機器人，是指能與作業(yè)環(huán)境、人、其他機器人自然交互，自主適應復雜動態(tài)環(huán)境并協(xié)同作業(yè)的機器人?！肮踩凇本唧w包含機器人與環(huán)境的自然交互、機器人之間的互助互補、機器人與人之間的協(xié)同作業(yè)三層含義。而為實現(xiàn)以上與環(huán)境，與其他機器人，與人類共存、共事、共融的目標，機器人需要在“身體”“感知”和“意識”上進行革新。
4）復合式工業(yè)機器人成趨勢
為了滿足更多樣的應用場景，如今除了工業(yè)機器人單體之外，還出現(xiàn)了許多復合式工業(yè)機器人，例如桁架式機械手、軌道式機器人、移動協(xié)作機器人（AMR/AGV+協(xié)作機器人）等，用于工業(yè)機器人移動式操作的場景。圖3 是庫卡（KUKA）線性滑軌機器人和KUKA移動機器人KMR iiwa。線性滑軌，相當于給工業(yè)機器人又添加了一個軸，從而增大了工業(yè)機器人的工作空間，而在同一個線性滑軌上，通常可以使用多個機器人。KUKA移動機器人KMR iiwa則使得人機協(xié)作更加靈活。
圖 3 KUKA線性滑軌機器人與KUKA移動機器人KMR iiwa（來源：KUKA官網(wǎng)）
5）工業(yè)機器人應用行業(yè)與場景不斷延伸拓展
世界第一臺工業(yè)機器人應用于汽車行業(yè)，直至目前，汽車工業(yè)仍然是工業(yè)機器人最大的應用市場，也是標準最高、使用密度最高的市場。但與此同時，工業(yè)機器人也正在向一般工業(yè)拓展，應用場景不斷深化。在行業(yè)應用上，工業(yè)機器人已迅速拓展到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)。在具體應用場景上，工業(yè)機器人的應用則包括焊接、噴涂、打磨、涂膠、上下料、去毛刺、搬運、裝配、分揀、包裝、檢測等。
6）云化機器人及工業(yè)機器人云平臺興起
在智能制造生產(chǎn)場景中，需要工業(yè)機器人有自組織和協(xié)同的能力來滿足柔性生產(chǎn)，這就帶來了云化機器人（機器人大腦在云端）及工業(yè)機器人云平臺的需求。和傳統(tǒng)機器人相比，云化機器人需要通過網(wǎng)絡連接到云端的控制中心，基于超高計算能力的平臺，并通過大數(shù)據(jù)和人工智能對生產(chǎn)制造過程進行實時運算控制。未來，隨著5G、AI、云計算等技術(shù)的發(fā)展成熟，云化機器人及工業(yè)機器人云平臺或?qū)⒊蔀樾乱惠啺l(fā)展熱點。
