新聞中(zhōng)心

一(yī)、工(gōng)業機器人的發展背景

1920年，捷克劇作家卡裏洛·奇别克在其科幻劇本《羅薩姆萬能機器人制造公司》（Rossum's Universal Robots）首次使用了ROBOT這個名詞，之後便成爲機器人的代名詞。

1938年3月，The Meccano Magazine報道了一(yī)款搬運機器人模型，這是最早的關于以工(gōng)業應用爲目标的機器人模型的報道。它由GriffithP．Taylor于1935年設計，可以通過一(yī)個電動機實現5個軸的運動。到了1954年，美國的G.C.Devol設計出第一(yī)台電子可編程序的工(gōng)業機器人。而1960年美國AMF公司生(shēng)産了柱坐标型Versatran機器人，可進行點位和軌迹控制，這是世界上第一(yī)種應用于工(gōng)業生(shēng)産的機器人。

在1974年，Cincinnati Milacron公司成功開(kāi)發了多關節機器人。到了1979年，Unimation公司推出PUMA機器人，它是一(yī)種多關節、全電機驅動、多CPU二級控制的機器人，采用VAL專用語言，可配視覺、觸覺、力覺傳感器，在當時是技術最先進的工(gōng)業機器人。現在的工(gōng)業機器人在結構上大(dà)體(tǐ)都以此爲基礎。這一(yī)時期的機器人屬于“示教再現”（Teach-in/Playback）型機器人，隻具有記憶、存儲能力，按相應程序重複作業，對周圍環境基本沒有感知(zhī)與反饋控制能力。

進入80年代，随着傳感技術，包括視覺傳感器、非視覺傳感器以及信息處理技術的發展，出現了第二代機器人——有感覺的機器人。它能夠獲得作業環境和作業對象的部分(fēn)相關信息，進行一(yī)定的實時處理，引導機器人進行作業。第二代機器人已在工(gōng)業生(shēng)産中(zhōng)得到了廣泛應用。

目前各國正在研究的“智能機器人”，它不僅具有比第二代機器人更加優秀的環境感知(zhī)能力，而且還具有邏輯思維、判斷和決策能力，可根據作業要求與環境信息自主地進行工(gōng)作。

二、工(gōng)業機器人的應用場景

自從20世紀60年代初人類創造了第一(yī)台工(gōng)業機器人以後，機器人就顯示出它極大(dà)的生(shēng)命力，在短短50多年的時間中(zhōng)，機器人技術得到了迅速的發展，在衆多制造業領域中(zhōng)，工(gōng)業機器人應用最廣泛的領域是汽車(chē)及汽車(chē)零部件制造業，并且正在不斷地向其他領域拓展，如機械加工(gōng)行業、電子電氣行業、橡膠及塑料工(gōng)業、食品工(gōng)業、木材與家具制造業等領域中(zhōng)。在工(gōng)業生(shēng)産中(zhōng)，焊接機器人、磨抛加工(gōng)機器人、焊接機器人、激光加工(gōng)機器人、噴塗機器人、搬運機器人、真空機器人等工(gōng)業機器人都已被大(dà)量采用。下(xià)面是對工(gōng)業機器人的應用場景及技術特點的一(yī)些介紹。

三、工(gōng)業機器人現狀

伴随着工(gōng)業機器人的日漸興起，“機器換人”将成爲趨勢。富士康此前曾宣布，将在三年内購置百萬台機器人，預計到2016年将在山西晉城建成“世界最大(dà)智能化機器人生(shēng)産基地”。

汽車(chē)、電子、食品、化工(gōng)、塑膠橡膠、金屬制品六大(dà)制造行業，被看做是當前應用工(gōng)業機器人的主要領域，機構預測未來會有100萬～200萬台的年需求量，占中(zhōng)國工(gōng)業機器人市場需求的七成左右。

截至今年9月份，整個中(zhōng)國機器人企業已達近420多家。另外(wài)，目前中(zhōng)國各地正在建設逾30個機器人産業園。 工(gōng)業機器人之所以能在中(zhōng)國市場異軍突起，首先是因爲在成本上，機器人通常僅爲人工(gōng)成本的四分(fēn)之一(yī)；其次，機器人在質量、效率、管理等方面還能帶來很多新的附加值。所以，在機器人技術快速提升、價格大(dà)幅下(xià)降、人工(gōng)短缺、人力成本上升等因素的綜合作用下(xià)，中(zhōng)國的工(gōng)業機器人産業正處于一(yī)個井噴時代。

四、工(gōng)業機器人關鍵技術

1.機器人基本系統構成

工(gōng)業機器人由3大(dà)部分(fēn)6個子系統組成。3大(dà)部分(fēn)是機械部分(fēn)、傳感部分(fēn)和控制部分(fēn)。6個子系統可分(fēn)爲機械結構系統、驅動系統、感知(zhī)系統、機器人環境交互系統、人機交互系統和控制系統。

工(gōng)業機器人系統構成

1)工(gōng)業機器人的機械結構系統由機座、手臂、末端操作器三大(dà)部分(fēn)組成，每一(yī)個大(dà)件都有若幹個自由度的機械系統。若基座具備行走機構，則構成行走機器人；若基座不具備行走及彎腰機構，則構成單機器人臂。手臂一(yī)般由上臂、下(xià)臂和手腕組成。末端操作器是直接裝在手腕上的一(yī)個重要部件，它可以是二手指或多手指的手抓，也可以是噴漆槍、焊具等作業工(gōng)具。

2)驅動系統，要使機器人運作起來，需要在各個關節即每個運動自由度上安置傳動裝置，這就是驅動系統。驅動系統可以是液壓傳動、氣壓傳動、電動傳動、或者把它們結合起來應用綜合系統，可以是直接驅動或者通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機械傳動機構進行間接傳動。

3)感知(zhī)系統由内部傳感器模塊和外(wài)部傳感器模塊組成，用以獲得内部和外(wài)部環境狀态中(zhōng)有意義的信息。智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、适應性和智能化的水準。人類的感受系統對感知(zhī)外(wài)部世界信息是極其靈巧的，然而，對于一(yī)些特殊的信息，傳感器比人類的感受系統更有效。

4)機器人環境交換系統是現代工(gōng)業機器人與外(wài)部環境中(zhōng)的設備互換聯系和協調的系統。工(gōng)業機器人與外(wài)部設備集成爲一(yī)個功能單元，如加工(gōng)單元、焊接單元、裝配單元等。當然，也可以是多台機器人、多台機床或設備、多個零件存儲裝置等集成爲一(yī)個去(qù)執行複雜(zá)任務的功能單元。

5)人機交換系統是操作人員(yuán)與機器人控制并與機器人聯系的裝置，例如，計算機的标準終端，指令控制台，信息顯示闆，危險信号報警器等。該系統歸納起來分(fēn)爲兩大(dà)類：指令給定裝置和信息顯示裝置。

6)機器人控制系統是機器人的大(dà)腦，是決定機器人功能和性能的主要因素。

控制系統的任務是根據機器人的作業指令程序以及傳感器反饋回來的信号支配機器人的執行機構去(qù)完成規定的運動和功能。假如工(gōng)業機器人不具備信息反饋特征，則爲開(kāi)環控制系統；若具備信息反饋特征，則爲閉環控制系統。根據控制原理，控制系統可分(fēn)爲程序控制系統、适應性控制系統和人工(gōng)智能控制系統。根據控制運行的形式，控制系統可分(fēn)爲點位控制和軌迹控制。點位型隻控制執行機構由一(yī)點到另一(yī)點的準确定位，适用于機床上下(xià)料、點焊和一(yī)般搬運、裝卸等作業；連續軌迹型可控制執行機構按給定軌迹運動，适用于連續焊接和塗裝等作業。

控制系統的任務是根據機器人的作業指令程序以及傳感器反饋回來的信号支配機器人的執行機構去(qù)完成規定的運動和功能。假如工(gōng)業機器人不具備信息反饋特征，則爲開(kāi)環控制系統；若具備信息反饋特征，則爲閉環控制系統。根據控制原理，控制系統可分(fēn)爲程序控制系統、适應性控制系統和人工(gōng)智能控制系統。根據控制運行的形式，控制系統可分(fēn)爲點位控制和軌迹控制。一(yī)套完整的工(gōng)業機器人包括機器人本體(tǐ)、系統軟件、控制櫃、外(wài)圍機械設備、CCD視覺、夾具/抓手、外(wài)圍設備PLC控制櫃、示教器/示教盒。

工(gōng)業機器人設備

下(xià)面重點對機器人的驅動系統、感知(zhī)系統作出介紹。 2.機器人的驅動系統 工(gōng)業機器人的驅動系統，按動力源分(fēn)爲液壓，氣動和電動三大(dà)類。根據需要也可由這三種基本類型組合成複合式的驅動系統。這三類基本驅動系統的各有自己的特點。

液壓驅動系統：由于液壓技術是一(yī)種比較成熟的技術。它具有動力大(dà)、力(或力矩)與慣量比大(dà)、快速響應高、易于實現直接驅動等特點。适于在承載能力大(dà)，慣量大(dà)以及在防焊環境中(zhōng)工(gōng)作的這些機器人中(zhōng)應用。但液壓系統需進行能量轉換(電能轉換成液壓能)，速度控制多數情況下(xià)采用節流調速，效率比電動驅動系統低。液壓系統的液體(tǐ)洩泥會對環境産生(shēng)污染，工(gōng)作噪聲也較高。因這些弱點，近年來，在負荷爲100kg以下(xià)的機器人中(zhōng)往往被電動系統所取代。

青島華東工(gōng)程機械有限公司研制的全液壓重載機器人如圖所示。其大(dà)跨度的承載可達到2000kg，機器人的活動半徑可達到近6m，應用在鑄鍛行業。



全液壓重載機器人

氣壓驅動具有速度快、系統結構簡單、維修方便、價格低等優點。但是由于氣壓裝置的工(gōng)作壓強低，不易精确定位，一(yī)般僅用于工(gōng)業機器人末端執行器的驅動。氣動手抓、旋轉氣缸和氣動吸盤作爲末端執行器可用于中(zhōng)、小(xiǎo)負荷的工(gōng)件抓取和裝配。氣動吸盤和氣動機器人手爪如圖所示。

氣動吸盤和氣動機器人手爪

電機驅動是現代工(gōng)業機器人的一(yī)種主流驅動方式，分(fēn)爲4大(dà)類電機：直流伺服電機、交流伺服電機、步進電機和直線電機。直流伺服電機和交流伺服電機采用閉環控制，一(yī)般用于高精度、高速度的機器人驅動；步進電機用于精度和速度要求不高的場合，采用開(kāi)環控制；直線電機及其驅動控制系統在技術上已日趨成熟，已具有傳統傳動裝置無法比拟的優越性能，例如适應非常高速和非常低速應用、高加速度，高精度，無空回、磨損小(xiǎo)、結構簡單、無需減速機和齒輪絲杠聯軸器等。鑒于并聯機器人中(zhōng)有大(dà)量的直線驅動需求，因此直線電機在并聯機器人領域已經得到了廣泛應用。

3.機器人的感知(zhī)系統

機器人感知(zhī)系統把機器人各種内部狀态信息和環境信息從信号轉變爲機器人自身或者機器人之間能夠理解和應用的數據、信息，除了需要感知(zhī)與自身工(gōng)作狀态相關的機械量，如位移、速度、加速度、力和力矩外(wài)，視覺感知(zhī)技術是工(gōng)業機器人感知(zhī)的一(yī)個重要方面。

視覺伺服系統将視覺信息作爲反饋信号，用于控制調整機器人的位置和姿态。這方面的應用主要體(tǐ)現在半導體(tǐ)和電子行業。機器視覺系統還在質量檢測、識别工(gōng)件、食品分(fēn)揀、包裝的各個方面得到了廣泛應用。 通常，機器人視覺伺服控制是基于位置的視覺伺服或者基于圖像的視覺伺服，它們分(fēn)别又(yòu)稱爲三維視覺伺服和二維視覺伺服，這兩種方法各有其優點和适用性，同時也存在一(yī)些缺陷，于是有人提出了2.5維視覺伺服方法。

基于位置的視覺伺服系統，利用攝像機的參數來建立圖像信息與機器人末端執行器的位置/姿态信息之間的映射關系，實現機器人末端執行器位置的閉環控制。末端執行器位置與姿态誤差由實時拍攝圖像中(zhōng)提取的末端執行器位置信息與定位目标的幾何模型來估算，然後基于位置與姿态誤差，得到各關節的新位姿參數。基于位置的視覺伺服要求末端執行器應始終可以在視覺場景中(zhōng)被觀測到，并計算出其三維位置姿态信息。消除圖像中(zhōng)的幹擾和噪聲是保證位置與姿态誤差計算準确的關鍵。

二維視覺伺服通過攝像機拍攝的圖像與給定的圖像（不是三維幾何信息）進行特征比較，得出誤差信号。然後，通過關節控制器和視覺控制器和機器人當前的作業狀态進行修正，使機器人完成伺服控制。相比三維視覺伺服，二維視覺伺服對攝像機及機器人的标定誤差具有較強的魯棒性，但是在視覺伺服控制器的設計時，不可避免地會遇到圖像雅克比矩陣的奇異性以及局部極小(xiǎo)等問題。

針對三維和二維視覺伺服方法的局限性，F.Chaumette等人提出了2.5維視覺伺服方法。它将攝像機平動位移與旋轉的閉環控制解耦，基于圖像特征點，重構物(wù)體(tǐ)三維空間中(zhōng)的方位及成像深度比率，平動部分(fēn)用圖像平面上的特征點坐标表示。這種方法能成功地把圖像信号和基于圖像提取的位姿信号進行有機結合，并綜合他們産生(shēng)的誤差信号進行反饋，很大(dà)程度上解決了魯棒性、奇異性、局部極小(xiǎo)等問題。但是，這種方法仍存在一(yī)些問題需要解決，如怎樣确保伺服過程中(zhōng)參考物(wù)體(tǐ)始終位于攝像機視野之内，以及分(fēn)解單應性矩陣時存在解不唯一(yī)等問題。

在建立視覺控制器模型時，需要找到一(yī)種合适的模型來描述機器人的末端執行器和攝像機的映射關系。圖像雅克比矩陣的方法是機器人視覺伺服研究領域中(zhōng)廣泛使用的一(yī)類方法。圖像的雅克比矩陣是時變的，所以，需要在線計算或估計。

4.機器人關鍵基礎部件

機器人共4大(dà)組成部分(fēn)，本體(tǐ)成本占22%，伺服系統占24%，減速器占36%，控制器占12%。機器人關鍵基礎部件是指構成機器人傳動系統，控制系統和人機交互系統，對機器人性能起到關鍵影響作用，并具有通用性和模塊化的部件單元。機器人關鍵基礎部件主要分(fēn)成以下(xià)三部分(fēn)：高精度機器人減速機，高性能交直流伺服電機和驅動器，高性能機器人控制器等。

1）減速機

減速機是機器人的關鍵部件，目前主要使用兩種類型的減速機：諧波齒輪減速機和RV減速機。



諧波傳動方法由美國發明家C.WaltMusser于20世紀50年代中(zhōng)期發明。諧波齒輪減速機主要由波發生(shēng)器、柔性齒輪和剛性齒輪3個基本構件組成，依靠波發生(shēng)器使柔性齒輪産生(shēng)可控彈性變形，并與剛性齒輪相齧合來傳遞運動和動力，單級傳動速比可達70～1000，借助柔輪變形可做到反轉無側隙齧合。與一(yī)般減速機比較，輸出力矩相同時，諧波齒輪減速機的體(tǐ)積可減小(xiǎo)2/3，重量可減輕1/2。柔輪承受較大(dà)的交變載荷，因而其材料的抗疲勞強度、加工(gōng)和熱處理要求較高，制造工(gōng)藝複雜(zá)，柔輪性能是高品質諧波齒輪減速機的關鍵。

德國人LorenzBaraen于1926年提出擺線針輪行星齒輪傳動原理，日本帝人株式會社（TEIJINSEIKICo.，Ltd）于20世紀80年代率先開(kāi)發了RV減速機。RV減速機由一(yī)個行星齒輪減速機的前級和一(yī)個擺線針輪減速機的後級組成。相比于諧波齒輪減速機，RV減速機具有更好的回轉精度和精度保持性。

陳仕賢發明了活齒傳動技術。第四代活齒傳動——全滾動活齒傳動（oscillatory roller transmission，ORT）已成功地應用到多種工(gōng)業産品中(zhōng)。在ORT基礎上提出的複式滾動活齒傳動（compound oscillatory roller transmission，CORT）不但具有RV傳動類似的優點，而且克服了RV傳動曲軸軸承受力大(dà)、壽命低的缺點，進一(yī)步提高了使用壽命和承載能力；CORT的結構使其在同樣的精度指标下(xià)回差更小(xiǎo)，運動精度和剛度更高，緩解了RV傳動要求制造精度高的缺陷，可相對降低加工(gōng)要求，減少制造成本。CORT是我(wǒ)國自主開(kāi)發的，擁有自主知(zhī)識産權。鞍山耐磨合金研究所和浙江恒豐泰減速機制造有限公司均開(kāi)發成功了機器人用CORT減速機。

ORT減速機 CORT減速機

目前在高精度機器人減速機方面，市場份額的75%均兩家日本減速機公司壟斷，分(fēn)别爲提供RV擺線針輪減速機的日本Nabtesco和提供高性能諧波減速機的日本Harmonic Drive。包括 ABB, FANUC, KUKA,MOTOMAN在内國際主流機器人廠商(shāng)的減速機均由以上兩家公司提供，與國内機器人公司選擇的通用機型有所不同的是，國際主流機器人廠商(shāng)均與上述兩家公司簽訂了戰略合作關系，提供的産品大(dà)部分(fēn)爲在通用機型基礎上根據各廠商(shāng)的特殊要求進行改進後的專用型号。國内在高精度擺線針輪減速機方面研究起步較晚，僅在部分(fēn)院校，研究所有過相關研究。目前尚無成熟産品應用于工(gōng)業機器人。近年來國内部分(fēn)廠商(shāng)和院校開(kāi)始緻力高精度擺線針輪減速機的國産化和産業化研究，如浙江恒豐泰，重慶大(dà)學機械傳動國家重點實驗室，天津減速機廠，秦川機床廠，大(dà)連鐵道學院等。在諧波減速機方面，國内已有可替代産品，如北(běi)京中(zhōng)技克美，北(běi)京諧波傳動所，但是相應産品在輸入轉速，扭轉高度，傳動精度和效率方面與日本産品還存在不小(xiǎo)的差距，在工(gōng)業機器人上的成熟應用還剛剛起步。

國内外(wài)工(gōng)業機器人主流高精度諧波減速機性能比較如下(xià)表所示。

表1 主流高精度諧波減速機性能比較
注：上表比較數據來自相近型号： HD ：CSF-17-100
中(zhōng)技克美：XB1-40-100 傳動效率測試工(gōng)況：輸入轉速1000r/min，溫度40°
扭轉剛度測試條件：20%額定扭矩内

國内外(wài)工(gōng)業機器人主流高精度擺線針輪減速機性能比較如下(xià)表所示。



表2 主流高精度RV擺線針輪減速機性能比較
注：上表比較數據來自相近型号： RV：100C CYCLO：F2CF-C35
傳動效率測試工(gōng)況：輸出轉速15r/min，額定扭矩

2）伺服電機

在伺服電機和驅動方面，目前歐系機器人的驅動部分(fēn)主要由倫茨，Lust，博世力士樂等公司提供，這些歐系電機及驅動部件過載能力，動态響應好，驅動器開(kāi)放(fàng)性強，且具有總線接口，但是價格昂貴。而日系品牌工(gōng)業機器人關鍵部件主要由安川，松下(xià)，三菱等公司提供，其價格相對降低，但是動态響應能力較差，開(kāi)放(fàng)性較差，且大(dà)部分(fēn)隻具備模拟量和脈沖控制方式。國内近年來也開(kāi)展了大(dà)功率交流永磁同步電機及驅動部分(fēn)基礎研究和産業化，如哈爾濱工(gōng)業大(dà)學，北(běi)京和利時，廣州數控等單位，并且具備了一(yī)點的生(shēng)産能力，但是其動态性能，開(kāi)放(fàng)性和可靠性還需要更多的實際機器人項目應用進行驗證。



3）控制器 在機器人控制器方面，目前國外(wài)主流機器人廠商(shāng)的控制器均爲在通用的多軸運動控制器平台基礎上進行自主研發。目前通用的多軸控制器平台主要分(fēn)爲以嵌入式處理器（DSP，POWER PC）爲核心的運動控制卡和以工(gōng)控機加實時系統爲核心的PLC系統，其代表分(fēn)别是Delta Tau的PMAC卡和Beckhoff的TwinCAT系統。國内的在運動控制卡方面，固高公司已經開(kāi)發出相應成熟産品，但是在機器人上的應用還相對較少。

4)機器人操作系統

通用的機器人操作系統（robot operating system，ROS）是爲機器人而設計的标準化的構造平台，它使得每一(yī)位機器人設計師都可以使用同樣的操作系統來進行機器人軟件開(kāi)發。ROS将推進機器人行業向硬件、軟件獨立的方向發展。硬件、軟件獨立的開(kāi)發模式，曾極大(dà)促進了PC、筆記本電腦和智能手機技術的發展和快速進步。

ROS的開(kāi)發難度比計算機操作系統更大(dà)，計算機隻需要處理一(yī)些定義非常明确的數學運算任務，而機器人需要面對更爲複雜(zá)的實際運動操作。

ROS提供标準操作系統服務，包括硬件抽象、底層設備控制、常用功能實現、進程間消息以及數據包管理。

ROS分(fēn)成兩層，低層是操作系統層，高層則是用戶群貢獻的機器人實現不同功能的各種軟件包。

現有的機器人操作系統架構主要有基于linux的Ubuntu開(kāi)源操作系統。另外(wài)，斯坦福大(dà)學、麻省理工(gōng)學院、德國慕尼黑大(dà)學等機構已經開(kāi)發出了各類ROS系統。微軟機器人開(kāi)發團隊2007年也曾推出過一(yī)款“Windows機器人版”。

5)機器人的運動規劃

爲了提高工(gōng)作效率，且使機器人能用盡可能短的時間完成特定的任務，必須有合理的運動規劃。離(lí)線運動規劃分(fēn)爲路徑規劃和軌迹規劃。

路徑規劃的目标是使路徑與障礙物(wù)的距離(lí)盡量遠同時路徑的長度盡量短；軌迹規劃的目的主要是機器人關節空間移動中(zhōng)使得機器人的運行時間盡可能短，或者能量盡可能小(xiǎo)。軌迹規劃在路徑規劃的基礎上加入時間序列信息，對機器人執行任務時的速度與加速度進行規劃，以滿足光滑性和速度可控性等要求。

示教再現是實現路徑規劃的方法之一(yī)，通過操作空間進行示教并記錄示教結果，在工(gōng)作過程中(zhōng)加以複現，現場示教直接與機器人需要完成的動作對應，路徑直觀且明确。缺點是需要經驗豐富的操作工(gōng)人，并消耗大(dà)量的時間，路徑不一(yī)定最優化。爲解決上述問題，可以建立機器人虛拟模型，通過虛拟的可視化操作完成對作業任務的路徑規劃。

路徑規劃可在關節空間中(zhōng)進行。Gasparetto以五次B樣條爲關節軌迹的插值函數，并将加加速度的平方相對于運動時間的積分(fēn)作爲目标函數進行優化，以确保各個關節運動足夠光滑。劉松國通過采用五次B樣條對機器人的關節軌迹進行插補計算，機器人各個關節的速度、加速度端點值，可根據平滑性要求進行任意配置。另外(wài)，在關節空間的軌迹規劃可避免操作空間的奇異性問題。Huo等人設計了一(yī)種關節空間中(zhōng)避免奇異性的關節軌迹優化算法，利用6自由度弧焊機器人在任務過程中(zhōng)某個關節功能上的冗餘，将機器人奇異性和關節限制作爲約束條件，采用TWA方法進行優化計算。

關節空間路徑規劃與操作空間路徑規劃對比，具有以下(xià)優點：

避免了機器人在操作空間中(zhōng)的奇異性問題；由于機器人的運動是通過控制關節電機的運動，因此在關節空間中(zhōng)，避免了大(dà)量的正運動學和逆運動學計算； 關節空間中(zhōng)各個關節軌迹便于控制的優化。

五、工(gōng)業機器人分(fēn)類

工(gōng)業機器人按不同的方法可分(fēn)下(xià)述類型：

工(gōng)業機器人分(fēn)類

1.從機械結構來看，分(fēn)爲串聯機器人和并聯機器人。

1）串聯機器人的特點是一(yī)個軸的運動會改變另一(yī)個軸的坐标原點，在位置求解上，串聯機器人的正解容易，但反解十分(fēn)困難；

2）并聯機器人采用并聯機構，其一(yī)個軸的運動則不會改變另一(yī)個軸的坐标原點。并聯機器人具有剛度大(dà)、結構穩定、承載能力大(dà)、微動精度高、運動負荷小(xiǎo)的優點。其正解困難反解卻非常容易。串聯機器人和并聯機器人如圖所示。


串聯機器人、并聯機器人

2.工(gōng)業機器人按操作機坐标形式分(fēn)以下(xià)幾類：（坐标形式是指操作機的手臂在運動時所取的參考坐标系的形式。）

1）直角坐标型工(gōng)業機器人 其運動部分(fēn)由三個相互垂直的直線移動（即PPP）組成，其工(gōng)作空間圖形爲長方形。它在各個軸向的移動距離(lí)，可在各個坐标軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿态的編程計算，定位精度高，控制無耦合，結構簡單，但機體(tǐ)所占空間體(tǐ)積大(dà)，動作範圍小(xiǎo)，靈活性差，難與其他工(gōng)業機器人協調工(gōng)作。

2）圓柱坐标型工(gōng)業機器人 其運動形式是通過一(yī)個轉動和兩個移動組成的運動系統來實現的，其工(gōng)作空間圖形爲圓柱，與直角坐标型工(gōng)業機器人相比，在相同的工(gōng)作空間條件下(xià)，機體(tǐ)所占體(tǐ)積小(xiǎo)，而運動範圍大(dà)，其位置精度僅次于直角坐标型機器人，難與其他工(gōng)業機器人協調工(gōng)作。

3）球坐标型工(gōng)業機器人 球坐标型工(gōng)業機器人又(yòu)稱極坐标型工(gōng)業機器人，其手臂的運動由兩個轉動和一(yī)個直線移動（即RRP,一(yī)個回轉，一(yī)個俯仰和一(yī)個伸縮運動）所組成，其工(gōng)作空間爲一(yī)球體(tǐ)，它可以作上下(xià)俯仰動作并能抓取地面上或教低位置的協調工(gōng)件，其位置精度高，位置誤差與臂長成正比。

4）多關節型工(gōng)業機器人 又(yòu)稱回轉坐标型工(gōng)業機器人，這種工(gōng)業機器人的手臂與人一(yī)體(tǐ)上肢類似，其前三個關節是回轉副（即RRR），該工(gōng)業機器人一(yī)般由立柱和大(dà)小(xiǎo)臂組成，立柱與大(dà)臂見形成肩關節，大(dà)臂和小(xiǎo)臂間形成肘關節，可使大(dà)臂做回轉運動和俯仰擺動，小(xiǎo)臂做仰俯擺動。其結構最緊湊，靈活性大(dà)，占地面積最小(xiǎo)，能與其他工(gōng)業機器人協調工(gōng)作，但位置精度教低，有平衡問題，控制耦合，這種工(gōng)業機器人應用越來越廣泛。

5）平面關節型工(gōng)業機器人 它采用一(yī)個移動關節和兩個回轉關節（即PRR），移動關節實現上下(xià)運動，而兩個回轉關節則控制前後、左右運動。這種形式的工(gōng)業機器人又(yòu)稱（SCARA(Seletive Compliance Assembly Robot Arm)裝配機器人。在水平方向則具有柔順性，而在垂直方向則有教大(dà)的剛性。它結構簡單，動作靈活，多用于裝配作業中(zhōng)，特别适合小(xiǎo)規格零件的插接裝配，如在電子工(gōng)業的插接、裝配中(zhōng)應用廣泛。

3.工(gōng)業機器人按程序輸入方式區分(fēn)有編程輸入型和示教輸入型兩類：

1）編程輸入型是将計算機上已編好的作業程序文件，通過RS232串口或者以太網等通信方式傳送到機器人控制櫃。

2）示教輸入型的示教方法有兩種：示教盒示教和操作者直接領動執行機構示教。

示教盒示教由操作者用手動控制器（示教盒），将指令信号傳給驅動系統，使執行機構按要求的動作順序和運動軌迹操演一(yī)遍。采用示教盒進行示教的工(gōng)業機器人使用比較普遍，一(yī)般的工(gōng)業機器人均配置示教盒示教功能，但是對于工(gōng)作軌迹複雜(zá)的情況，示教盒示教并不能達到理想的效果，例如用于複雜(zá)曲面的噴漆工(gōng)作的噴漆機器人。

機器人示教盒

由操作者直接領動執行機構進行示教，則是按要求的動作順序和運動軌迹操演一(yī)遍。在示教過程的同時，工(gōng)作程序的信息即自動存入程序存儲器中(zhōng)在機器人自動工(gōng)作時，控制系統從程序存儲器中(zhōng)檢出相應信息，将指令信号傳給驅動機構，使執行機構再現示教的各種動作。

六、工(gōng)業機器人性能評判指标

表示機器人特性的基本參數和性能指标主要有工(gōng)作空間、自由度、有效負載、運動精度、運動特性、動态特性等。

工(gōng)業機器人性能評判指标

1.工(gōng)作空間（Work space）工(gōng)作空間是指機器人臂杆的特定部位在一(yī)定條件下(xià)所能到達空間的位置集合。工(gōng)作空間的性狀和大(dà)小(xiǎo)反映了機器人工(gōng)作能力的大(dà)小(xiǎo)。理解機器人的工(gōng)作空間時，要注意以下(xià)幾點：

1)通常工(gōng)業機器人說明書(shū)中(zhōng)表示的工(gōng)作空間指的是手腕上機械接口坐标系的原點在空間能達到的範圍，也即手腕端部法蘭的中(zhōng)心點在空間所能到達的範圍，而不是末端執行器端點所能達到的範圍。因此，在設計和選用時，要注意安裝末端執行器後，機器人實際所能達到的工(gōng)作空間。

2)機器人說明書(shū)上提供的工(gōng)作空間往往要小(xiǎo)于運動學意義上的最大(dà)空間。這是因爲在可達空間中(zhōng)，手臂位姿不同時有效負載、允許達到的最大(dà)速度和最大(dà)加速度都不一(yī)樣，在臂杆最大(dà)位置允許的極限值通常要比其他位置的小(xiǎo)些。此外(wài)，在機器人的最大(dà)可達空間邊界上可能存在自由度退化的問題，此時的位姿稱爲奇異位形，而且在奇異位形周圍相當大(dà)的範圍内都會出現自由度進化現象，這部分(fēn)工(gōng)作空間在機器人工(gōng)作時都不能被利用。

3)除了在工(gōng)作空間邊緣，實際應用中(zhōng)的工(gōng)業機器人還可能由于受到機械結構的限制，在工(gōng)作空間的内部也存在着臂端不能達到的區域，這就是常說的空洞或空腔。空腔是指在工(gōng)作空間内臂端不能達到的完全封閉空間。而空洞是指在沿轉軸周圍全長上臂端都不能達到的空間。

2.運動自由度是指機器人操作機在空間運動所需的變量數，用以表示機器人動作靈活程度的參數，一(yī)般是以沿軸線移動和繞軸線轉動的獨立運動的數目來表示。

自由物(wù)體(tǐ)在空間自六個自由度（三個轉動自由度和三個移動自由度）。工(gōng)業機器人往往是個開(kāi)式連杆系，每個關節運動副隻有一(yī)個自由度，因此通常機器人的自由度數目就等于其關節數。機器人的自由度數目越多，功能就越強。日前工(gōng)業機器人通常具有4—6個自由度。當機器人的關節數（自由度）增加到對末端執行器的定向和定位不再起作用時，便出現了冗餘自由度。冗餘度的出現增加了機器人工(gōng)作的靈活型，但也使控制變得更加複雜(zá)。

工(gōng)業機器人在運動方式上，總可以分(fēn)爲直線運動（簡記爲P）和旋轉運動（簡記爲R）兩種，應用簡記符号P和R可以表示操作機運動自由度的特點，如RPRR表示機器人操作機具有四個自由度，從基座開(kāi)始到臂端，關節運動的方式依次爲旋轉-直線-旋轉-旋轉。此外(wài)，工(gōng)業機器人的運動自由度還有運動範圍的限制。

3.有效負載(Payload)

有效負載是指機器人操作機在工(gōng)作時臂端可能搬運的物(wù)體(tǐ)重量或所能承受的力或力矩，用以表示操作機的負荷能力。

機器人在不同位姿時，允許的最大(dà)可搬運質量是不同的，因此機器人的額定可搬運質量是指其臂杆在工(gōng)作空間中(zhōng)任意位姿時腕關節端部都能搬運的最大(dà)質量。

4.運動精度(Accuracy)

機器人機械系統的精度主要涉及位姿精度、重複位姿精度、軌迹精度、重複軌迹精度等。位姿精度是指指令位姿和從同一(yī)方向接近該指令位姿時的實到位姿中(zhōng)心之間的偏差。重複位姿精度是指對同指令位姿從同一(yī)方向重複響應n次後實到位姿的不一(yī)緻程度。 軌迹精度是指機器人機械接口從同一(yī)方向n次跟随指令軌迹的接近程度。軌迹重複精度是指對一(yī)給定軌迹在同方向跟随n次後實到軌迹之間的不一(yī)緻程度。

5.運動特性（Sped）

速度和加速度是表明機器人運動特性的主要指标。在機器人說明書(shū)中(zhōng)，通常提供了主要運動自由度的最大(dà)穩定速度，但在實際應用中(zhōng)單純考慮最大(dà)穩定速度是不夠的，還應注意其最大(dà)允許加速度。

6.動态特性結構動态參數主要包括質量、慣性矩、剛度、阻尼系數、固有頻(pín)率和振動模态。

設計時應該盡量減小(xiǎo)質量和慣量。對于機器人的剛度，若剛度差，機器人的位姿精度和系統固有頻(pín)率将下(xià)降，從而導緻系統動态不穩定；但對于某些作業（如裝配操作），适當地增加柔順性是有利的，最理想的情況是希望機器人臂杆的剛度可調。增加系統的阻尼對于縮短振蕩的衰減時間、提高系統的動态穩定性是有利的。提高系統的固有頻(pín)率，避開(kāi)工(gōng)作頻(pín)率範圍，也有利于提高系統的穩定性。

七、工(gōng)業機器人面臨的技術挑戰

1、機器人市場外(wài)資(zī)占九成 機器人市場一(yī)片欣欣向榮，但是中(zhōng)國機器人産業卻不容樂觀。根據市場統計，中(zhōng)國大(dà)陸工(gōng)業機器人市場爲外(wài)商(shāng)廠商(shāng)所壟斷，日系品牌廠商(shāng)占52%，歐洲廠商(shāng)占30%，剩餘約10%爲中(zhōng)國大(dà)陸廠商(shāng)。

由于機器人産業進入門檻相當高，因此全球機器人市場排名前四大(dà)廠商(shāng)分(fēn)别爲日本發那科，安川電機、ABB與KUKA，合計達50%的市場占有率。

而另一(yī)方面，未來30年中(zhōng)國大(dà)陸工(gōng)業機器人市場将至少保持30%以上的高速增長。爲此，全球品牌機器人大(dà)廠積極擴大(dà)在中(zhōng)國大(dà)陸市場上的機器人業務銷售規模，包括發那科、安川電機、ABB與KUKA等均積極在中(zhōng)國大(dà)陸卡位、設廠。

目前中(zhōng)國大(dà)陸的工(gōng)業機器人雖然産業化初步取得一(yī)些進展，但由于在精度、速度等方面不如國外(wài)廠商(shāng)同類産品，緻使這些産品産業化應用程度較低，市場份額很小(xiǎo)；一(yī)些産品的技術水平僅僅相當于國外(wài)上世紀90年代中(zhōng)期的水平。

中(zhōng)國機器人産業聯盟數據統計中(zhōng)心主任李曉佳表示，2013年中(zhōng)國購買并組裝近3.7萬台工(gōng)業機器人，其中(zhōng)外(wài)資(zī)機器人普遍以6軸或以上高端工(gōng)業機器人爲主，幾乎壟斷了汽車(chē)制造、焊接等高端行業領域，占比96%。而國産機器人主要應用還是以搬運和上下(xià)料機器人爲主，處于行業的低端領域。

值得關注的是，目前我(wǒ)國機器人産業發展與國外(wài)差距有進一(yī)步被拉大(dà)的風險。目前我(wǒ)國機器人産業總體(tǐ)上還處于起步階段，工(gōng)業機器人缺乏品牌認知(zhī)度，最大(dà)的機器人企業年産機器人僅有幾千台。随着國外(wài)機器人企業紛紛将我(wǒ)國作爲生(shēng)産基地，自主品牌工(gōng)業機器人企業發展空間将進一(yī)步被壓縮。

同時，由于關鍵核心部件受制于人，産業空心化風險擴大(dà)。工(gōng)業機器人三大(dà)關鍵部件（電機和服務器、減速機、控制系統）主要來源于國外(wài)，中(zhōng)國大(dà)陸廠商(shāng)相對缺乏具有競争力的研發制造能力，長期依賴進口。由于産業鏈上遊無核心零部件制造商(shāng)支撐，因此将長期受制于人。

2、工(gōng)業機器人面臨的技術挑戰

我(wǒ)們要清醒地看到中(zhōng)國工(gōng)業機器人産業發展面臨的巨大(dà)挑戰。

首先，機器人的頂層架構設計和基礎技術被發達國家控制，在機器人成本結構中(zhōng)比重較大(dà)的減速機、伺服電機、控制器、數控系統都嚴重依賴進口，國産機器人并不具備顯著成本優勢。

其次，存在低端鎖定的風險。一(yī)方面，發達國家不會輕易向中(zhōng)國轉移或授權機器人核心技術、專利，中(zhōng)國機器人企業通過參與國際标準制定、技術合作研發進入中(zhōng)高端市場的阻礙很多；另一(yī)方面，地方政府對産業的盲目投資(zī)可能形成過剩産能，導緻重複建設和低價競争。

再次，機器人研發、制造與應用之間缺乏有效銜接。機器人相關技術研發領先的高校和院所并不具備市場開(kāi)拓能力，而企業在基礎研發上的投入還非常低，國内産學研結合又(yòu)存在諸多體(tǐ)制機制障礙，導緻研發與制造環節脫節。

針對外(wài)資(zī)壟斷國内市場的現狀，專家建議，要通過多種途徑來尋求“突圍”和趕超：首先是要加強對國際機器人技術的跟蹤研究，制定出台符合我(wǒ)國發展實際的“機器人技術路線圖”，明确技術發展的步驟、重點突破的關鍵核心技術、工(gōng)藝與零部件以及産業化路徑。

其次，是要确立符合我(wǒ)國發展實際的機器人發展模式。加強行業細分(fēn)領域的集成應用，加強産學研用結合的集體(tǐ)攻關，重點突破關鍵核心部件，盡快形成機器人本體(tǐ)、關鍵零部件、系統集成商(shāng)等機器人全産業鏈的整體(tǐ)推進。

另外(wài)，要加快培育工(gōng)業機器人龍頭企業和品牌。我(wǒ)國應将培育與發展自主品牌工(gōng)業機器人作爲打造中(zhōng)國經濟升級版的一(yī)項重要任務。出台工(gōng)業機器人産業目錄，協同推進開(kāi)展工(gōng)業機器人的國産化工(gōng)作。

免責聲明
本文來自騰訊新聞客戶端自媒體(tǐ)，不代表騰訊新聞的觀點和立場。