机器人人工作原理和发展趋势

机器人工作原理和发展趋势

一、工业机器人的概念

机器人涉及到人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。

中国：一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或者生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。

美国：一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能操作机。

日本：一种带有存储器件和末端操作器的通用机械，它能够通过自动化的动作替代人类劳动。

ISO:一种能自动控制，可重复编程，多功能、多自由度的操作机，能搬运材料、工件或操持工具来完成各种作业。

广义地说：工业机器人是一种在计算机控制下的可编程的自动机器。它具有四个基本特征：

①特定的机械结构

②通用性

③不同程度的智能

④独立性

二、工业机器人的发展状况

工业机器人出现于20世纪60年代，并在不断升级发展着。由于工业机器人是结合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门学科相互交互而形成的高新科技，在当代的研究非常的活跃。由于机器人不怕苦、不怕累，他们能够长期从事单调、重复的体力劳动,并能够在更复杂的领域替代人工作业。据悉，世界工业机器人行业4大巨头瑞士ABB、日本FANUC发那科、日本YASKAWA安川电机、德国KUKA库卡都在中国设立了分公司，连同其他进口品牌，在中国市场的占有率达到8成以上。作为世界上最大的制造业国家，中国市场对机器人产业意义重大。根据IFR(国际机器人联盟)的研究，到2014年，全球每年新安装工业机器人将达到16.67万台，届时我国工业机器人年装机量将超过日本，达到近3.2万台，将占到世界总量的20%。

国产机器人与进口机器人尚存一定差距，具体现状如下：

①低端技术水平有待改善。

②产业链条亟待充实与规范

高精度减速器国产精度不够

高精度机器人减速机：基本依赖进口。

伺服电机和驱动器：大多需要进口。

机器人控制器：性能与国外较大差距。

三、工业机器人的组成

关于工业机器人分类，国际上没有制定统一的标准，可按负载重量、控制方式、自由度、结构、应用领域等划分。

3.1按机器人的技术等级划分

①示教再现机器人第一代工业机器人能够按照人类预先示教的轨迹、行为、顺序和速度重复作业，示教可由操作员手把手进行或通过示教器完成。

②感知机器人第二代工业机器人程具有环境感知装置，能在一定度上适应环境的变化，目前已经进入应用阶段。

③智能机器人第三代工业机器人具有发现问题，并且能自主地解决问题的能力，尚处于实验研究阶段。

到目前为止，在世界范围内还没有一个统一的智能机器人定义。大多数专家认为智能机器人至少要具备以下三个要素：

一是感觉要素，用来认识周围环境状态；

二是运动要素，对外界做出反应性动作；

三是思考要素，根据感觉要素所得到的信息，思考出采用什么样的动作

3.2智能机器人根据其智能程度的不同，又可分为三种

①传感型机器人又称外部受控机器人。机器人的本体上没有智能单元只有执行机构和感应机构，它具有利用传感信息（包括视觉、听觉、触觉、接近觉、力觉和红外、超声及激光等）进行传感信息处理、实现控制与操作的能力。受控于外部计算机，在外部计算机上具有智能处理单元，处理由受控机器人采集的各种信息以及机器人本身的各种姿态和轨迹等信息，然后发出控制指令指挥机器人的动作。目前机器人世界杯的小型组比赛使用的机器人就属于这样的类型。

②二、交互型机器人：机器人通过计算机系统与操作员或程序员进行人－机对话，实现对机器人的控制与操作。虽然具有了部分处理和决策功能，能够独立地实现一些诸如轨迹规划、简单的避障等功能，但是还要受到外部的控制。

③自主型机器人：在设计制作之后，机器人无需人的干预，能够在各种环境下自动完成各项拟人任务。自主型机器人的本体上具有感知、处理、决策、执行等模块，可以就像一个自主的人一样独立地活动和处理问题。机器人世界杯的中型组比赛中使用的机器人就属于这一类型。全自主移动机器人的最重要的特点在于它的自主性和适应性，自主性是指它可以在一定的环境中，不依赖任何外部控制，完全自主地执行一定的任务。适应性是指它可以实时识别和测量周围的物体，根据环境的变化，调节自身的参数，调整动作策略以及处理紧急情况。由于全自主移动机器人涉及诸如驱动器控制、传感器数据融合、图像处理、模式识别、神经网络等许多方面的研究，所以能够综合反映一个国家在制造业和人工智能等方面的水平。

3.3按机器人的机构特征划分

①直角坐标型机器人：通过沿三个互相垂直的轴线的移动来实现机器人手部空间位置的改变直角坐标机器人，具有空间上相互垂直的多个直线移动轴，通过直角坐标方向的 3 个

独立自由度确定其手部的空间位置，其动作空间为一长方体。

②圆柱坐标型机器人：通过两个移动和一个转动实现位置的改变，主要由旋转基座、垂直移动和水平移动轴构成，具有一个回转和两个平移自由度，其动作空间呈圆柱形。

③球面坐标型机器人：运动由一个直线运动和两个转动组成，空间位置分别由旋转、摆动和平移 3 个自由度确定，动作空间形成球面的一部分。

④关节型机器人：运动由前后的俯仰及立柱的回转组成

工业机器人的主要是由三大部分组成机器人主体、驱动管理、计算机控制系统。具体而言，机器人主体是机器人所需要的操作机械，例如机械手腕、机械臂部、行走设备等这是构成机器人运行的主体。驱动管理部件主要功能是将计算机控制命令转化成为机械语言，进而实现。控制系统是按照输入流程，对驱动程序、执行机构发出指令信息，并对其进

行信息控制。

1.3 工业机器人的分类

(1)移动机器人(AGV)

移动机器人(AGV)是工业机器人的一种类型，它由计算机控制，具有移动、自动导航、多传感器控制、网络交互等功能，它可广泛应用于机械、电子、纺织、卷烟、医疗、食品、造纸等行业的柔性搬运、传输等功能，也用于自动化立体仓库、柔性加工系统、柔性装配系统(以AGV作为活动装配平台)；同时可在车

站、机场、邮局的物品分捡中作为运输工具。

(2)点焊机器人

点焊机器人主要用于汽车整车的焊接工作，生产过程由各大汽车主机厂负责完成。国际工业机器人企业凭借与各大汽车企业的长期合作关系，向各大型汽车生产企业提供各类点焊机器人单元产品并以焊接机器人与整车生产线配套形式进入中国，在该领域占据市场主导

地位。

(3)激光加工机器人

激光加工机器人是将机器人技术应用于激光加工中，通过高精度工业机器人实现更加柔性的激光加工作业。本系统通过示教盒进行在线操作，也可通过离线方式进行编程。该系统通过对加工工件的自动检测，产生加工件的模型，继而生成加工曲线，也可以利用CAD数据直接加工。可用于工件的激光表面处理、打孔、焊接和模具修复等。

1.4 工业机器人的经济效益

工业机器人是现代工业自动化发展到一定阶段的必然产物，它主要基于计算机自动化控制和电子物理相互结合。采用工业机器人还有如下优点：第一，改善劳动条件，逐步提高生产效率；第二，更强与可控的生产能力，加快产品更新换代；第三，提高零件的处理能力与产品质量；第四，消除枯燥无味的工作，节约劳动力；第五，提供更安全的工作环境，降低工人的劳动强度，减少劳动风险；第六，提高机床；第七，减少工艺过程中的工作量及降低停产时间和库存；第八，提高企业竞争力。

2.我国机器人技术的发展

2.1 国内工业机器人的现状

我国工业机器人起步比较晚技术与国外的相比还是有着一定的差距。虽然我国在某些关键技术上有所突破,但还是缺乏整体核心技术的突破，具有中国知识产权的工业机器人则很少。目前我国工业机器人技术水平不是很高，特别是在制造工艺与装备方面，不能生产高精密、高速与高效的关键部件。我国目前取得较大进展的机器人技术有：数控机床关键技术与装备、隧道掘进机器人相关技术、工程机械智能化机器人相关技术、装配自动化机器人相关技术。现已开发出金属焊接、喷涂、浇铸装配、搬运、包装、激光加工、检验、真空、自动导引车等的

工业机器人产品，主要应用于汽车、摩托车、工程机械、家电等行业。

2.2 制约我国工业机器人的因素

制约我国机器人技术发展的瓶颈是市场，换句话说，就是对机器人的应用需求。工业机器人发展长期以来受限于成本较高与国内劳动力价格低廉的状况，随着中国经济持续快速的发展，近几年的国民生产总值年平均增长率更是保持在9%左右，人民生活水平不断地提高，劳动力供应格局已经逐步从“买方”市场转为“卖方”市场、由供远大于求转向供求平衡。作为制造业主力的农民工也从早期的仅解决温饱问题到现在对薪资和工作条件提出了更高的要求。这些情况使得许多劳动密集型企业为了提高劳动生产率所采用的增加工人数量、延长工人劳动时间的方法变得成本高昂，同时也受到法律的限制和政策的阻碍。无论是企业还是社会都认识到必须采取从改善机器设备入手，提高技术和资金的密集度来减少用工量以应对这种改变。总之，劳动力过剩程度降低、单个工人成本上升、对产品质量更高的要求、国家对装备制造业的重视等变化改善了机器人的使用环境，工业机器人及技术在中国已逐步得到了政府和企业的重视。随着机器人知识的广泛普及，人们对于各种机器人的了解与认识逐步深化，利用机器人技术提升我国工业发展水平、从制造业大国向强国转变，提高人民生活质量成为全社会的共识。

2.3 如何解决制约我国工业机器人的因素

一是随着我国经济的快速发展，中国机器人界要能提供质量稳定可靠，价格适宜的各类机器人商品,要做到这一点，产业化是提高质量、降低成本的必由之路，是扩大市场销售(包括出口)量的前提，而现时，中国机器人的产业化还有一段路程要走。

二是有关各方(包括主管部门和企业界)要加深工业机器人对稳定提高工业产品质量和劳动生产率、快速满足商品更新换代要求的突出作用的认识。才能有决心在工业机器人这一高新技术领域采取“高投人高产出”的战略措施。

三是要解决用好机器人的问题，主管部门除继续鼓励机器人研制生产单位和用户紧密结合，坚持以实际应用带动机器人技术发展的方向，使机器人发展从经济方面走上良性循环的道路，为建立中国自己的机器人产业做好准备外，在有关策上，还应该向应用机器人的企业提供支持。

2.4 我国工业机器人的发展趋势

我国机器人技术主题发展的战略目标是：根据2l世纪初我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求，瞄准国际前沿高技术发展方向创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。未来工业机器人技术发展的重点有：第一，危险、恶劣环境作业机器人：主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人；第二，医用机器人：主要有脑外科手术辅助机器人，遥控操作辅助正骨等；第三，仿生机器人：主要有移动机器人，网络遥控操作机器人等。其发展趋势是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。

3.机器人发展的热点和趋势

在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流机器人发展前景及未来的发展方向。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多

样化方向发展。主要研究内容集中在以下几个方面：

(1)机器人涂胶工作站

机器人涂胶工作站是我所机器人中心近年来研制开发的机器人应用系统，主要包括机器人、供胶系统、涂胶工作台、工作站控制系统及其它周边配套设备。为了提高系统的可靠性，涂胶工作站中的机器人和供胶系统，一般采用国外产品，我所根据用户的需求，进行工作台、控制柜及周边配套设备的设计制造，并完成涂胶系统的集成。该工作站自动化程度

高，适用于多品种、大批量生产，可广泛地应用于汽车风挡、汽车摩托车车灯、建材门窗、太阳能光伏电池涂胶等行业。

(2)机器人焊接工作站

随着电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展，自动弧焊机器人工作站, 从60年代开始用于生产以来，其技术已日益成熟，

主要有以下优点：

①稳定和提高焊接质量；

②提高劳动生产率；

③改善工人劳动强度，机器人可在有害环境下工作；

④降低了对工人操作技术的要求；

⑤缩短了产品改型换代的准备周期(只需修改软件和必要的夹具即可)，减少相应的设备投资。因此，在各行各业已得到了广泛的应用。该系统一般多采用熔化极气体保护焊(MIG、MAG、CO2焊)或非熔化极气体保护焊(TIG、等离子弧焊)方法。

(3)机器人自动装箱和码垛工作站

机器人自动装箱、码垛工作站是一种集成化的系统，它包括工业机器人、控制器、编程器、机器人手爪、自动拆/叠盘机、托盘输送及定位设备和码垛模式软件等。它还配置自动称重、贴标签和检测及通讯系统，并与生产控制系统相连接，以形成一个完整的集成化包装生产线。

4.结语

工业机器人的市场竞争日趋激烈，我国制造业面临着与国内外的高科技相互竞争、发展的要求，必须要加快工业机器人的研究和开发。因此我国工业机器人行业必须要认识到以下几点：

(1)工业机器人是我国从制造业大国发展到强国的必经阶段，只有通过自主创新和不断研发，参考国外先进的经济，我国才能真正将工业机器人变成我国的科技核心产业。

(2)在国家的科技发展计划中，我国应当对于智能机器人研究和开发提供大力支持，并推动行业的不断发展，通过经济、行政等手段鼓励行业的快速前进。