智能制造的核心技术之工业机器人
2022-03-02 来源： 智造苑
「 1. 工业机器人的概念 」
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，具有柔性好、自动化程度高、可编程性好、通用性强等特点。在工业领域中，工业机器人的应用能够代替人进行单调重复的生产作业，或是在危险恶劣环境中的加工操作。国际上，工业机器人的定义主要有如下两种：
国际标准化组织（ISO）的定义：工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。
美国机器人协会（RIA）的定义：一种可以反复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或者为了执行不同的任务而具有可改变的和可编程的动作的专门系统。
在智能制造领域，工业机器人作为一种集多种先进技术于一体的自动化装备，体现了现代工业技术的高效益、软硬件结合等特点，成为柔性制造系统、自动化工厂、智能工厂等现代化制造系统的重要组成部分。机器人技术的应用转变了传统的机械制造模式，提高了制造生产效率，为机械制造业的智能化发展提供了技术保障；优化了制造工艺流程，能够构建全自动智能生产线，为制造模块化作业生产提供了良好的环境条件，满足现代制造业的生产需要和发展需求。
「 2. 工业机器人的结构与功能 」
工业机器人一般由3个部分、6个子系统组成，如图1所示。
图1 工业机器人结构
1）机械部分
机械部分包括工业机器人的机械结构系统和驱动系统。机械部分是工业机器人的基础，其结构决定了机器人的用途、性能和控制特性。
（1）机械结构系统，即工业机器人的本体结构，包括基座和执行机构，有些机器人还具有行走机构，是机器人的主要承载体。机械结构系统的强度、刚度及稳定性是机器人灵活运转和精确定位的重要保证。
（2）驱动系统，包括工业机器人动力装置和传动机构，按动力源分为液压、气动、电动和混合动力驱动，其作用是提供机器人各部位、各关节动作的原动力，使执行机构产生相应的动作。驱动系统可以与机械系统直接相连，也可通过同步带、链条、齿轮、谐波传动装置等与机械系统间接相连。
2）传感部分
传感部分包括工业机器人的感受系统和机器人-环境交互系统。传感部分是工业机器人的信息来源，能够获取有效的外部和内部信息来指导机器人的操作。
（1）感受系统，是工业机器人获取外界信息的主要窗口，机器人根据布置的各种传感元件获取周围环境状态信息，对结果进行分析处理后控制系统对执行元件下达相应的动作命令。感受系统通常由内部传感器模块和外部传感器模块组成：内部传感器模块用于检测机器人自身状态；外部传感器模块用于检测操作对象和作业环境。
（2）机器人-环境交互系统，是工业机器人与外部环境中的设备进行相互联系和协调的系统。在实际生产环境中，工业机器人通常与外部设备集成为一个功能单元。该系统帮助工业机器人与外部设备建立良好的交互渠道，能够共同服务于生产需求。
3）控制部分
控制部分包括工业机器人的人-机交互系统和控制系统。控制部分是工业机器人的核心，决定了生产过程的加工质量和效率，便于操作人员及时准确地获取作业信息，按照加工需求对驱动系统和执行机构发出指令信号并进行控制。
（1）人-机交互系统，是人与工业机器人进行信息交换的设备，主要包括指令给定装置和信息显示装置。人-机交互技术应用于工业机器人的示教、监控、仿真、离线编程和在线控制等方面，优化了操作人员的操作体验，提高了人机交互效率。
（2）控制系统，是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号，支配工业机器人的执行机构完成规定动作的系统。控制系统可以根据是否具备信息反馈特征分为闭环控制系统和开环控制系统；根据控制原理可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统；根据控制运动的形式可分为点位控制系统和连续轨迹控制系统。
「 3. 工业机器人的关键技术 」
在智能制造领域中，工业机器人有3类关键技术，如图2所示。
图2 机器人技术
1）整机技术
整机技术是指以提高工业机器人产品的可靠性和控制性能，提升工业机器人的负载/自重比，实现工业机器人的系列化设计和批量化制造为目标的机器人技术。主要有：本体优化设计技术、机器人系列化标准化设计技术、机器人批量化生产制造技术、快速标定和误差修正技术、机器人系统软件平台等。本体优化设计技术是其中的代表性技术。
本体优化设计技术即对工业机器人的本体进行优化设计和性能评估的技术。在现代工业生产的一些高速、重载的应用场合下，需要保证工业机器人加工过程中的运动精度和运动平稳性，因此在工业机器人的本体结构设计开发时，必须对其惯性参数和结构参数进行不断优化，使机构的质量、刚度得到合理的分布，工业机器人整机具有良好的动态性能。基本流程是：首先根据生产需求设计工业机器人机械结构，利用三维软件建立本体结构模型，并进行虚拟装配，如图3所示；然后利用计算机仿真技术对机器人进行运动学和动力学仿真分析，分析机器人的各项性能；最后利用有限元技术等方法对结构进行优化，以实现机器人的轻量化，提高机器人的动态性能。
图3 本体优化设计
在本体结构轻量化设计方面，主要体现在新材料、新工艺和结构优化理论的应用上；在本体结构模块化设计方面，主要体现在各种机构的选用和组合上。
2）部件技术
部件技术是指以研发高性能机器人零部件，满足工业机器人关键部件需求为目标的机器人技术。主要有：高性能伺服电机设计制造技术、高性能/高精度机器人专用减速器设计制造技术、开放式/跨平台机器人专用控制（软件）技术、变负载高性能伺服控制技术等。高性能伺服电机设计制造技术和高性能/高精度机器人专用减速器设计制造技术是其中的代表性技术。
伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，能将电压信号转化为转矩和转速信号以驱动控制对象，是机器人的核心零部件之一，如图4所示。伺服电机作为工业机器人的关键执行部件，是驱动工业机器人运动的主要动力系统，伺服电机的性能很大程度上决定了工业机器人整体的动力性能。工业机器人领域中应用的伺服电机应具有快速响应、高启动转矩、低惯量、宽广且平滑的调速范围等特性，目前应用较多的是交流伺服电机。设计高性能高功率密度伺服电机需要根据设计指标综合考虑电机结构参数、部件材料、磁路结构等要素，并通过有限元等方法综合分析电机性能。
图4 伺服电机
减速器通常用作原动件与工作机之间的减速传动装置，起到匹配转速和传递转矩的作用，一般由封闭在刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动、齿轮-蜗杆传动组成，是机器人传动机构的核心部件之一，如图5所示。机器人领域常用的精密传动装置主要有轻载条件下的谐波减速器和重载条件下的RV减速器。谐波减速器具有轻量小型、无齿轮间隙、高转矩容量等优点，但其精度寿命较差，主要是由于在高度循环的交变应力情况下柔轮极易出现疲劳失效，通常应用在关节型机器人的末端执行等轻载部位；RV减速器主要包含了行星齿轮与摆线针轮两级减速两个部分，具有减速范围宽、功率密度大、运行平稳等优点，已成为工业机器人最常用的精密减速器。设计高性能/高精度机器人专用减速器需综合考虑传动精度、齿廓修形、扭转刚度以及回差等技术指标。
图5 减速器
当前，我国高性能伺服电机、减速器等关键零部件的设计制造技术与外国相比，在可靠性、精度、动态反应能力等方面存在一定差距，是制约我国工业机器人发展的瓶颈之一。
3）集成应用技术
集成应用技术是指以提升工业机器人任务重构、偏差自适应调整能力，提高机器人人机交互性能为目标的机器人技术。主要有：基于智能传感器的智能控制技术、远程故障诊断及维护技术、基于末端力检测的力控制及应用技术、快速编程和智能示教技术、生产线快速标定技术、视觉识别和定位技术等。视觉识别定位技术是其中的代表性技术。
视觉识别和定位技术是一项涉及人工智能、图像处理、传感器技术和计算机技术等多领域的综合技术，与工业机器人结合非常紧密，广泛地应用在工业生产中的缺陷检测、目标识别与定位和智能导航等方面。典型的视觉应用系统包括图像捕捉、光源系统、图像数字化模块、数字图像处理模块、智能判断决策模块和机械控制执行模块，如图6所示。
图6 视觉应用系统
视觉识别和定位技术在工业机器人领域的应用主要以下3个方面：
（1）视觉测量：针对精度要求较高（毫米级甚至为微米级）的零部件，使用人的肉眼无法完成其精度测量，通过引入视觉非接触测量技术构成机器人柔性在线测量系统，能够有效获取零部件表面质量和基本尺寸信息。
（2）视觉引导：基于机器视觉技术能够快速准确地找到目标零件并确认其位置，采用模式识别的方式，在三维图像中获取目标点或目标轨迹引导工业机器人抓取、加工等操作，提高生产智能化程度，实现自动化作业。
（3）视觉检测：通过机器视觉检测完成产品的制造工艺检测、自动化跟踪、追溯与控制等生产环节，识别零件的存在或缺失以保证部件装配的完整性，判别产品表面缺陷以保证 生产质量。
视觉识别和定位技术的应用使得工业机器人能够适应复杂工业环境中的智能柔性化生产，大大提高了工业生产中的智能化和自动化水平。
工业机器人的关键技术推动了机器人产品的系列化设计和批量化制造。
「 4. 工业机器人在智能制造中的应用 」
在智能制造领域，多关节工业机器人、并联机器人、移动机器人的本体开发及批量生产，使得机器人技术在焊接、搬运、喷涂、加工、装配、检测、清洁生产等领域得到规模化集成应用，极大地提高了生产效率和产品质量，降低了生产和劳动力成本。
1）焊接机器人
在汽车、工程机械、船舶、农机等行业，焊接机器人的应用十分普遍。作为精细度需求较高、工作环境质量较差的生产步骤，焊接的劳动强度极大，对焊接工作人员的专业素养要求较高。由于机器人具备抗疲劳、高精准、抗干扰等特点，应用焊接机器人技术取代人工焊接，可保证焊接质量一致性，提高焊接作业效率，同时也能直观地反馈焊接作业的质量。
目前，投放于焊接岗位的机器人的种类较多，根据使用场合的差异，选用的焊接机器人种类各有不同，其中多关节机器人的应用较为普遍，如图7所示。结合多关节机器人的运动灵活、空间自由度较高的特点，能够调整任意的焊接位置和姿态，有效地提升了制造中的生产效率与生产质量。
图7 焊接机器人
2）搬运机器人
机器人技术同样能够应用到制造业的搬运作业中。借助人工程序的构架与编排，将搬运机器人投放入当今制造业生产之中，从而实现运输、存储、包装等一系列工作的自动化进行，不仅有效地解放了劳动力，而且提高了搬运工作的实际效率。通过安装不同功能的执行器，搬运机器人能够适应各类自动生产线的搬运任务，实现多形状或不规则的物料搬运作业。同时考虑到化工原料及成品的危险性，利用搬运机器人进行运输能降低安全隐患，减小危险品及辐射品对搬运人员的人体伤害。
目前，固定式串联搬运机器人在制造业中应用广泛，其优点是工作空间大、结构简单，但其负载较低、刚性较差，只能在固定工位上完成简单的搬运工作，具有一定的局限性。通过结合移动机器人技术和并联机器人技术，能有效地提高搬运机器人的承载能力和作业范围，在汽车、物流、食品、医药等行业具有广阔的应用前景，如图8所示。
图8 搬运机器人
3）加工机器人
随着生产制造向着智能化和信息化发展，机器人技术越来越多地应用到制造加工的打磨、抛光、钻削、铣削、钻孔等工序当中。与进行加工作业的工人相比，加工机器人对工作环境的要求相对较低，具备持续加工的能力，同时加工产品质量稳定、生产效率高，能够加工多种材料类型的工件，如铝、不锈钢、铜、复合材料、树脂、木材和玻璃等，有能力完成各类高精度、大批量、高难度的复杂加工任务。
相比机床加工,工业机器人的缺点在于其自身的弱刚性。但是加工机器人具有较大的工作空间、较高的灵活性和较低的制造成本,对于小批量多品种工件的定制化加工，机器人在灵活性和成本方面显示出较大优势；同时，机器人更加适合与传感器技术、人工智能技术相结合，在航空、汽车、木制品、塑料制品、食品等领域具有广阔的应用前景，如图9所示。
图9 加工机器人
「 5. 工业机器人未来发展趋势 」
在智能制造领域中，以机器人为主体的制造业体现了智能化、数字化和网络化的发展要求，现代工业生产中大规模应用工业机器人正成为企业重要的发展策略。现代工业机器人已从功能单一、仅可执行某些固定动作的机械臂，发展为多功能、多任务的可编程、高柔性智能机器人。尽管系统中工业机器人个体是柔性可编程的，但目前采用的大多数固定式自动化生产系统柔性较差，适用于长周期、单一产品的大批量生产，而难以适应柔性化、智能化、高度集成化的现代智能制造模式。应对智能制造的发展需求，未来工业机器人系统有以下的发展趋势：
1）一体化发展趋势
一体化是工业机器人未来的发展趋势。可以对工业机器人进行多功能一体化的设计，使其具备进行多道工序加工的能力，对生产环节进行优化，实现测量、操作、加工一体化，能够减少生产过程中的累计误差，大大提升生产线的生产效率和自动化水平，降低制造中的时间成本和运输成本，适合集成化的智能制造模式。
2）智能信息化发展趋势
未来以“互联网+机器人”为核心的数字化工厂智能制造模式将成为制造业的发展方向,真正意义上实现了机器人、互联网、信息技术和智能设备在制造业的完美融合，涵盖了对工厂制造的生产、质量、物流等环节，是智能制造的典型代表。结合工业互联网技术、机器视觉技术、人机交互技术和智能控制算法等相关技术，工业机器人能够快速获取加工信息，精确识别和定位作业目标，排除工厂环境以及作业目标尺寸、形状多样性的干扰，实现多机器人智能协作生产，满足智能制造的多样化、精细化需求。
3）柔性化发展趋势
现代智能制造模式对工业机器人系统提出了柔性化的要求。通过开发工业机器人开放式的控制系统，使其具有可拓展和可移植的特点；同时设计制造工业机器人模块化、可重构化的机械结构，例如关节模块中实现伺服电机、减速器、检测系统三位一体化，使得生产车间能够根据生产制造的需求自行拓展或者组合系统的模块，提高生产线的柔性化程度，有能力完成各类小批量、定制化生产任务。
4）人机/多机协作化发展趋势
针对目前工业机器人存在的操作灵活性不足、在线感知与实时作业能力弱等问题，人机/多机协作化是其未来的发展趋势。通过研发机器人多模态感知、环境建模、优化决策等关键技术, 强化人机交互体验与人机协作效能，实现机器人和人在感知、理解、决策等等不同层面上的优势互补，能够有效提高工业机器人的复杂作业能力。同时通过研发工业机器人多机协同技术，实现群体机器人的分布式协同控制，其协同工作能力提高了任务的执行效率, 以及具有的冗余特性提高了任务应用的鲁棒性，能完成单一系统无法完成的各种高难度、高精度和分布式的作业任务。
5）大范围作业发展趋势
现代柔性制造系统对物流运输、生产作业等环节的效率、可靠性和适应性提出了较高的要求，在需要大范围作业的工作环境中，固定基座的工业机器人很难完成工作任务，通过引入移动机器人技术，有效地增大了工业机器人的工作空间，提高了机器人的灵巧性。
改编自：《智能制造概论》（作者：李培根，高亮）
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