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工业机器人

工业机器人技术及其研究进展综述

摘要：

工业机器人是最典型的机电一体化装备，技术附加值很高，应用范围很广。

工业机器人产业是一个快速成长中的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。

本文首先介绍了工业机器人的基本概念、组成以及其主要技术参数，然后介绍了工业机器人的工作空间研究现状及其三种研究方法，此外对关键技术进行了介绍，并对工业机器人的发展进行展望。

关键字：

工业机器人；工作空间；关键技术

Industrialrobottechnologyanditsresearchprogressandrevie

Abstract:

Industrialrobotisthemosttypicalelectromechanicalequipment.Ithashightechnologyaddedvalueandwideapplication.Theindustryofindustrialrobotsisanemergingindustry.Itwillhavemoreandmoreimportanteffectonproductionandsocialdevelopmentinthefuture.Thispaperintroducesthebasicconceptofindustrialrobots、compositionanditsmaintechnicalparametersfirst.Thenthispaperintroducesthepresentresearchsituationoftheworkingspaceanditsthreeresearchmethods.Inadditionto,thispaperintroducesthekeytechnology.Thelast,thepaperlooksaheadatthedevelopmentofindustrialrobots.

Keywords:

Industrialrobot;workingspace;keytechnology

一．引言

自从20世纪60年代初世界第一台机器人在美国问世以后，机器人便表现出很大的生命力。

机器人首先被用于工业生产，近半个世纪来机器人技术发展非常迅速，工业机器人已在工业生产中得到了广泛的应用。

工业机器人是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作机。

它们通常配有机械手、刀具或其它可装配的加工工具，能够搬运材料、工件，完成各种作业，是一种柔性自动化设备[1]。

也是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。

工业机器人的应用使生产面貌大为改观，许多繁重、重复单调、有毒、有害和危险的作业已由机器人来完成，生产的自动化程度大为提高，出现了许多无人车间和无人工厂，产品品质、生产效率和企业对市场快速应变能力的提高，促使生产力快速发展。

它对不同的生产环境和作业要求具有很强的适应性，人所从事的作业，许多都能由机器人来完成。

因此，用来完成不同生产作业的工业机器人的种类愈来愈多，具有特殊作业功能的工业机器人层出不穷[2]。

目前工业机器人已广泛地用于汽车、机械加工、电子和塑料制品等工业领域中。

在工业生产中，弧焊、点焊、装配、喷涂和搬运等作业用的工业机器人都已被大量地采用。

随着科学与技术的发展，工业机器人的应用领域也随着不断地扩大。

现在工业机器人的应用已开始扩大到核能、采矿、食品、船舶和建筑等工业的新领域中[3]。

机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。

二．工业机器人的概况

1.工业机器人的基本概念

机器人是近二十年来兴起的并迅速发展的新领域，它综合了机械、电子、计算机、自动控制、自动检测等学科的最新成果，是实现机械加工自动化的重要手段。

关于机器人的定义、目前国际上尚未统一，分类的方法也不完全一致。

美国科技界通用的定义是：

“机器人是一种可重复编程的、多功能的用以搬运材料、工件和工具的操作装置”。

日本对现代工业机器人的定义：

“应具有类似人体上肢动作功能的可进行多种动作的机械；或具有感觉功能并一可自主地进行多种动作的装置。

”我们可以把它理解为“能完成人的某种功能的智能机器”。

通常，工业机器人的执行机构是抓料手，它具有很高的功态性能，可以按照所存贮的程序实现复分的空问运动，就其主要特征来说，近似于受大脑控钊的人手的动作。

此外，有些工业机器人还要在一定范围内移动，就可以认为同时具有人脚的功能。

至于机器人的外形是否像人这并不是实质。

对于机器人，可以从智能、机能和物理能三个方面进行评价。

智能是指感觉、记忆、学习、判断等功能，机能是指机动性和空间占有性，物理能包括力、速度、连续运动能力以及可靠性与寿命等[4]。

第一代机器人，一般指工业上大量使用的可编程机器人及遥控操作机。

可编程机器人可根据操作人员所编程序完成一些简单重复性作业。

遥控操作机制每一步动作都要靠操作人员发出。

第二代机器人———感知机器人的问世，这代机器人，带有外部传感器，可进行离线编程。

能在传感系统支持下，具有不同程度感知环境并自行修正程序的功能。

第三代机器人为自治机器人，正在各国研制和发展。

它不但具有感知功能，还具有一定决策和规划能力。

能根据人的命令或按照所处环境自行做出决策规划动作，即按任务编程[5]。

2.工业机器人的组成

机器人整机基本上由两部分组成：

一是操作机；二是控制装置。

操作机是机器人的本体结构，包括基座、驱动器或驱动单元、手臂、手腕、末端执行器、行走机构以及安装在操作机上的各种感受装置等。

控制装置一般包括计算机控制系统、伺服驱动系统、电源装置以及与操作者联系的装置等。

驱动器或驱动单元是机器人的动力执行机构。

根据动力源的类别不同，可分为电动驱动、液压驱动和气动驱动三类。

电动驱动多数情况下用直流、交流伺服电机，也可用力矩电机、步进电机等。

伺服电机与位置检测传感器、速度检测传感器、制动器或减速机各元、部件组成的整体称驱动单元。

液压驱动器在机器人中应用最多的是液压缸（直线式和摆动式），液压缸和伺服阀或比例阀也可组成液压伺服机构。

气动驱动主要采用气缸和气动马达。

手臂和手腕是机器人操作机中的基本部件，它由旋转运动和往复运动的机构组成。

其结构形成是多种多样的，但多数机器人的手臂和手腕是由关节和杆件构成的空间机构，一般由3~10个由度组成，工业机器人一般为3~6个自由度。

机器人具有多自由度手臂、手腕的机构，操作运动具有通用性和灵活性，这也是区其别于一般自动机的特点。

末端执行器是机器人手腕末端机械接口所连接参与作业的机构，如夹持器、焊钳、焊枪、喷枪或其他作业工具和传感器等。

行走装置分轮式、履带式和步行式等，也可用螺旋浆式或其他形式的推进机构。

工业机器人多采用轮式机构。

感受装置基本上由各类传感器组成，可分为收集机器人内部运动状态信息的装置和收集外界环境信息的装置。

因此，机器人所用传感器可分为内部信息传感器种外部信息传感器。

内部信息传感器主要用于检测机器人的运动状态的位置、速度和加速度等信息，并与控制系统形成反馈回路和闭环控制。

外部信息传感器是感受外部环境状态、性质和参数的传感器和如视觉、触觉、力觉传感器等。

控制系统一般由计算机控制系统和伺服驱动系统、电源装置等硬件以及运动控制、作业控制的各种软件组成[6]。

3.工业机器人的主要技术参数

工业机器人的技术参数是说明机器人规格与性能的具体指标，包括以下几个方面。

（1）负载能力（机器人臂力）

这项参数一般指机器人在正常运行速度下所能握取的工件重量，它与机器人的运行速度高低有关。

当机器人运行速度可调时，低速运行时所能握取工件最大重量比高速时大，为安全起见，也有将高速时所能握取的工件重量作为指标的，此时则常指明运行速度。

（2）定位精度

定位精度是衡量机器人工作质量的一项重要指标，定位精度的高低取决于位置控制方式以及工业机器人的运动部件本身的精度和刚度，与握取重量、运行速度等也有密切关系。

一般的专用机械手采用固定挡块控制，可达到较高的定位精度；采用行程开关、电位计等电控元件进行控制，位置精度相对较低；工业机器人的伺服系统是一种位置跟踪系统，即使在高速重载情况下，也可防止机器人发生剧烈的冲击和振动，因此可以获得较高的定位精度。

一般所说的定位精度是指位置精度和位置重复定位精度。

其中位置精度是指目标位置与到达目标的实际位置的平均偏差；而位置重复定位精度是指机器人多次定位重复到达同一目标位置时，与其实到位置之间的相符合程度。

（3）运动速度

运动速度是反映机器人性能的又一项重要指标，它与机器人负载能力、定位精度等参数都有密切联系，同时也直接影响着机器人的运动周期。

机器人运动部件的每个自由度，其运行全过程一般包括启动加速、等速运行和减速制动等阶段，其速度-时间特性曲线可以简化。

一般所说的运动速度，是指机器人在运动过程中最大的运动速度。

为了缩短机器人整个运动的周期，提高生产效率，通常总是希望启动加速和减速制动阶段的时间尽可能的缩短，而运行速度尽可能的提高，既提高全运动过程的平均速度。

但由此却会使加、减速度的数值相应地增大，在这种情况下，惯性力增大，工件易松脱；同时由于受到较大的动载荷而影响机器人工作平稳性和位置精度。

这就是在不同运行速度下，机器人能提取工件的重量不同的原因。

（4）自由度

自由度是指确定机器人手部中心位置和手部方位的独立变化参数。

工业机器人的每一个自由度，都要相应的配对一个原动件（如伺服电机、油缸、气缸、步进电机等驱动装置），当原动件按一定的规律运动时，机器人各运动部件就随之作确定的运动，自由度数与原动件数必须相等，只有这样才能使工业机器人具有确定的运动。

工业机器人自由度越多，其动作越灵活，适应性越强，但结构相应越复杂。

一般来说工业机器人具有3~5个自由度即满足使用要求（其中臂部2~3个自由度，腕部1~2个自由度）。

（5）程序编制与存储容量

这个技术参数是用来说明机器人的控制能力，即程序编制和存储容量（包括程序步数和位置信息量）的大小表明机器人作业能力的复杂程度及改变程序时的适应能力和通用程度。

存储容量大，则适应性强，通用性好，从事复杂作业的能力强[7]。

三．工业机器人工作空间的研究现状

机器人的工作空间是指机器人末端执行器的工作区域，是衡量机器人性能的重要指标之一。

根据末端执行器工作时的位姿特点，工作空间可以分为可达工作空间和灵活工作空间[8]。

可达空间是指末端执行器上某一参考点可以到达的点的集合，这种工作空间不考虑执行器的位姿。

灵活工作空间是指执行器上某一参考点可以从任何方向到达的点的集合，是可达工作空间的一部分。

关于工作空间的分析一直是机器人机构学研究的重点和热点，国内外学者针对不同的机器人机构提出了不同的研究方法。

这些方法概括起来主要可以分为三种：

几何绘图法、解析法和数值法。

马香峰，刘淑春，黄献龙等学者[9-11]用几何绘图法求解机器人的工作空间，该方法得到的一般是工作空间的各类剖切面或者是剖切线。

它直观性强，可以显示可达点处操作臂的位姿特征。

针对6自由度空间机器人应用图解法，可将关节分为两组，前三关节和后三关节。

其中前三关节称位置结构，主要确定工作空间大小；后三关节称为定向结构，主要确定末端件位姿。

解析法也是工作空间分析中常用的一种方法。

常采用对雅克比矩阵降秩（Rankdeficiency）时的特征加以分析。

陈宁新等学者[12]注意到了机器人处于可达空间边界的时候，其一定是奇异位置，这些奇异位置构成了工作空间的奇异面。

通过对构成工作空间的奇异面分析，得到工作空间的边界曲面。

从中也可以看到，所得到的奇异面就是雅克比矩阵降秩造成的。

Abdel-Malek等学者[13]发现，奇异集合是由于机器人操作臂缺少了至少一个自由度造成的。

该奇异集合可以由雅克比矩阵的降秩解析得到，并用该奇异集合对工作空间的外形曲面片（Surfacepatches）进行参数化，从而得到参数化的工作空间。

最近，Abdel-Malek继续对工作空间中的空腔和空洞[14]问题进行了深入的研究。

数值法也是研究比较多的一种方法，这种方法对工程问题的解决尤其具有简单实用的特性。

Jo,haug以及Wang,Wu等[15]提出了一种是用沿拓（Continuation）的方法对工作空间的边界曲线进行映射。

该方法不但适用于开链机构，对于并联机构也同样适用。

在不断的研究之后，haug首次提出了一整套映射方法，既解决了平面机构曲线的映射方法，又对空间机构曲面的映射也进行了研究；而且，对于形成空洞和空腔的边界曲线也进行了研究。

沿拓的方法本身是一种基于优化求极值的数值方法，优化方法的选择至关重要。

王兴海等[16]国内学者也采用了优化方法对机器人工作空间主平面投影的边界曲线进行了求解。

该方法把计算机器人工作空间的极限距离、边界曲线和边界曲面问题转化为求满足一定约束条件下的极值问题，并通过一系列的边界极值点用光滑曲线连接，从而构成曲线。

另外一种数值方法，是采用概率分布统计的方法，袁泉等学者[17]通过关节变量空间与操作空间的映射关系，将一定数量的关节变量通过蒙特卡罗方法分别映射到工作空间中，形成工作空间的数据点图形；然后通过统计的方法得到边界曲线。

YunfengWang等学者采用了散射的算法对映射到工作空间的点进行了统计，容易得到边界曲线。

这两种方法中，蒙特卡洛方法的数学表达更加简单，所以更易于理解和应用。

四．工业机器人各组成系统及其关键技术

机器人技术是利用计算机的记忆功能、编程功能来控制操作机自动完成工业生产中某一类指定任务的高新技术，是当今各国竞相发展的高技术内容之一。

它是综合了当代机构运动学与动力学、精密机械设计发展起来的产物，是典型的机电一体化产品，工业机器人由机械系统、传感系统和控制系统3个基本部分组成。

机械系统：

包括基本结构和驱动源，工业机器人的机械系统是工业机器人的重要部分，其他系统必须与机械系统相匹配，相辅相成，组成一个完整的机器人系统。

传感器系统：

包括内部传感器和外部传感器，用于检测机器人自身状态以及所处的环境和对象状态等。

控制系统：

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。

1、工业机器人的控制系统

机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。

工业机器人控制技术的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。

具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。

关键技术包括：

（1）开放性模块化的控制系统体系结构：

采用分布式CPU计算机结构，分为机器人控制器（RC），运动控制器（MC），光电隔离I/O控制板、传感器处理板和编程示教盒等。

机器人控制器（RC）和编程示教盒通过串口/CAN总线进行通讯。

机器人控制器（RC）的主计算机完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O、传感器处理等功能，而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。

（2）模块化层次化的控制器软件系统：

软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系统Linux上，采用分层和模块化结构设计，以实现软件系统的开放性。

整个控制器软件系统分为三个层次：

硬件驱动层、核心层和应用层。

三个层次分别面对不同的功能需求，对应不同层次的开发，系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成，这些功能模块相互协作共同实现该层次所提供的功能。

（3）机器人的故障诊断与安全维护技术：

通过各种信息，对机器人故障进行诊断，并进行相应维护，是保证机器人安全性的关键技术。

（4）网络化机器人控制器技术：

目前机器人的应用工程由单台机器人工作站向机器人生产线发展，机器人控制器的联网技术变得越来越重要。

控制器上具有串口、现场总线及以太网的联网功能。

可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机的通讯，便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。

总而言之，工业机器人控制系统是一个与运动学和动力学原理密切相关的、有耦合的、非线性的多变量控制系统。

随着实际工作情况的不同，可以采用各种不同的控制方式，从简单的编程自动化，微处理机控制到小型计算机控制等。

2、工业机器人的机械系统

（1）最小运动惯量。

由于机器人主体运动部件多，运动状态经常改变，必然产生冲击和振动，采用最小运动惯量原则，可增加操作机运动平稳性，提高操作机动力学特性。

（2）尺度规划。

当设计要求满足一定工作空间要求时，通过尺度优化以选定最小的臂杆尺寸，这将有利于操作机刚度的提高，使运动惯量进一步降低。

（3）材料的选用。

由于机器人从手腕、小臂、大臂到机座是依次作为负载起作用的，选用高强度材料以减轻零部件的质量是十分必要的。

（4）刚度的设计。

机器人设计中，刚度是比强度更重要的问题，要使刚度最大，必须恰当地选择杆件剖面形状和尺寸，提高支承刚度和接触刚度，合理地安排作用在臂杆上的力和力矩，尽量减少杆件的弯曲变形。

（5）可靠性。

机器人因机构复杂、环节较多，可靠性问题显得尤为重要。

（6）工艺性。

机器人是一种高精度、高集成度的自动机械系统，良好的加工和装配工艺性是设计时要体现的重要原则之一。

仅有合理的结构设计而无良好的工艺性，必然导致机器人性能的降低和成本的提高。

3、工业机器人的传感器系统

要机器人与人一样有效地完成工作，对外界状况进行判别的感觉功能是必不可少的。

没有感觉功能的原始机器人，只能按预先给定的顺序，重复地进行一定的动作。

假如有感觉，就能够根据处理对象的变化而变更动作。

传感器是机器人完成感觉的必要手段，通过传感器的感觉作用，将机器人自身的相关特性或相关物体的特性转换为机器人执行某项功能时所需要的信息。

现阶段的机器人都装有许多不同的传感器，用于为机器人提供输入。

对于机器人传感器的选择，完全取决于机器人的工作需要和应用特点，对机器人感觉系统的要求是选择机器人传感器的基本依据。

一个机器人对传感器的一般性要求是：

（1）精度高、重复性好。

机器人是否能够准确无误地正常工作，往往取决于其所用传感器的测量精度。

（2）稳定性和可靠性好。

保证机器人能够长期稳定可靠地工作，尽可能避免在工作中出现故障。

（3）抗干扰能力强。

工业机器人的工作环境往往比较恶劣，其所用传感器应能承受一定的电磁干扰、振动，能在高温、高压、高污染环境中正常工作。

（4）质量轻、体积小、安装方便。

根据工业机器人加工的任务要求及所处的特定环境，对传感器有一些特定的要求，如：

a．适应加工任务的要求。

不同的加工任务对机器人的感觉要求是不同的，可根据其工作特点进行选择。

b．满足机器人控制的要求。

机器人控制需要采用传感器检测机器人的运动位置、速度和加速度。

c．满足机器人自身安全和机器人使用者的安全性要求以及其他辅助工作的要求。

五．结论与展望

工业机器人是延伸人类体力和脑力的机器，不仅可以把人们从单调、频繁、乏味，或者繁重和危险的劳动中解放出来，而且还能提高产品的质量和劳动生产率，以及降低能耗和管理费用，从而获得显著的经济效益。

工业机器人是现代技术密集的产物，各工业发达国家都在积极研究和开发。

我国虽然劳动力比较多，但是，在生产过程中许多人所不能胜任和危险的操作，或者可以大幅度提高劳动生产率的地方仍然有必要采用各种类型的工业机器人[18]。

机器人在提高劳动生产率、提高产品质量、改善劳动条件、提高企业的应变能力、促进新产业的建立和发展、改变劳动结构以及促进相关学科的技术进步方面均发挥了重大作用，并获得可观的社会效益和经济效益，因此世界各国都很重视机器人技术的发展和机器人在生产中的应用。

发展机器人,关键在于传感器、机械和电气结构与计算机三大要素。

传感器是获取外界信息和感知机器人自身状态的部件。

机器人的机构是包括机器人本体、末端执行器和周边设备，它是机器人的重要组成部分,在工业中实现各种功能运行和操作任务的主体。

它的优劣将直接影响着机器人的计算机控制系统、伺服系统、感知系统及其相关软硬件的复杂程度。

计算机是提高机器人的智能水平和工作性能的关键部分。

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