工业机器人
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摘要：工业机器人在现代制造技术中起着举足轻重的作用。机器人的应用越来越广泛，需求越来越大，其技术研究与发展越来越深入。这将提高社会生产率与产品质量，为社会创造巨大的财富。
关键词：构成；分类；发展现状；发展方向；
一、引言
工业机器人被誉为工业自动化三大支柱（工业机器人、数控机床和可编程控制器）之一。它诞生于20世纪60年代,在20世纪90年代得到迅速发展,是最先产业化的机器人技术。它是综合了计算机、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。它的出现是为了适应制造业规模化生产 ,解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业。
二、工业机器人构成及其分类
2.1工业机器人构成
工业机器人由机械本体部分、传动执行部分、传感检查部分、信息处理部分和对外接口部分构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。 2.2工业机器人分类 2.2.1按自动化功能层次分类
(1)专用机器人。以固定程序在固定地点工作的机器人，结构简单，造价低，适用于在大量生产系统中工作。
(2)通用机器人。具有独立的控制系统，动作灵活多样，通过改变控制程序能完成多种作业的机器人。它的工作范围大，定位精度高，通用性能强，但结构复杂，适用于柔性制造系统。
(3)示教再现机器人。这是具有记忆功能、能完成复杂动作的机器人，它在由人示教操作后，能按示教的顺序、位置、条件与其他信息反复重现示教作业。
(4)智能机器人。具有各种感觉功能和识别功能，能做出决策自动进行反馈纠正的机器人。它采用计算机控制，依赖于识别、学习、推理和适应环境等智能，决定其行动或作业。 2.2.2按控制方式分类
(1)固定程序控制机器人。采用固定程序的继电器控制器或固定逻辑控制器组成控制系统，按预先设定的顺序、条件和位置，逐次执行各阶段动作，但不能用编程的方法改变己设定的信息。
(2)可编程控制机器人。可利用编程方法改变机器人的动作顺序和位置。控制系统具有程序选择环节来调用存储系统中相应的程序。它适用于比较复杂的工作场合，并能随着工作对象的不同需要在较大范围内调整机器人的动作。可以实现点位控制和连续轨迹控制。此外还有传感器控制、非自适应控制、自适应控制、智能控制等类型的机器人。
三、工业机器人技术发展现状
在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人已占有一定比重（占日本1998年安装台数的10%，销售额的36%）
（1）机械结构：1)已关节型为主流，80年代发明的使用于装配作业的平面关节机器人约占总量的1/3。90年代初开发的适应于窄小空间、快节奏、360度全工作空间范围的垂直关节机器人大量用于焊接和上、下料。2）应3K 和汽车、建筑、桥梁等行业需求，超大型机器人应运而生。如焊接树10米长、10吨以上大构件的弧焊机器人群，采取蚂蚁啃骨头的协作机构。3）CAD、CAE 等技术已普遍用于设计，仿真和制造中。
（2）控制技术：1) 大多数采用32位 CPU，控制轴数多达27轴，NC 技术、离线编程技术大量采用。2) 协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机器人的协调控制，正逐步实现多智能体的协调控制。3) 采用基于 PC 的开放结构的控制系统已成为一股潮流，其成本低、具有标准现场网络功能。
（3）驱动技术：1) 80年代发展起来的 AC 侍服驱动已成为主流驱动技术用于工业机器人中。DD 驱动技术则广泛地用于装配机器人中。2) 新一代的侍服电机与基于微处理器的智能侍服控制器相结合已由 FANUC 等公司开发并用于工业机器人中，在远程控制中已采用了分布式智能驱动新技术。
（4）应用智能化的传感器：装有视觉传感器的机器人数量呈上升趋势，不少机器人装有两种传感器，有些机器人留了多种传感器接口。
（5）通用机器人编程语言：在 ABB 公司的20多个小型号产品中，采用了通用模化块语言 RAPID。最近美国“机器人工作空间技术公司”开发了 Robot ScriptV.10通用语言，运行于该公司的通用机器人控制器 URC 的 WinNT/95环境。该语言易学医用，可用于各种开发环境，与大多数 WINDOWS 软件产品兼容。
（6）网络通用方式：大部分机器人采用了 Ether 网络通讯方式，占总量的41.3，其它采用 RS-2
32、RA-
422、RS-485等通讯接口。
（7）高速、高精度、多功能化：目前，最快的装配机器人最大合成速度为16.5m/s。位置重复精度为正负0.01mm。但有一种速度竞达到80m/s；而另一种并连机构的 NC 机器人，其位置重复精度大1微秒。
（8）集成化与系统化：当今工业机器人技术的另一特点是应用从单机、单元向系统发展。百台以上的机器人群与微机及周边智能设备和操作人员形成一个大群体（多智能体）。跨国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品连接在一起，实现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造”，为工业机器人系统化的发展推波助澜。
四、工业机器人技术的学科前沿及发展方向
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．操作机
在智能机器人操作机研究方面，人们重点集中在各种具有柔性感、灵巧性的手爪和手臂上。
研究前沿有：手臂结构，关键是其轻质化，研究新型高刚度、抗震结构和材料;机器人手、腕及其连接机构，实现快速、准确、灵活性、柔顺性以及结构的紧凑性；冗余自由度柔性操作机，为适应狭小环境中的灵活操作，需要像人手那样地灵巧、需达到27个自由度且结构可变的柔性操作机。
2．动力源和驱动
智能机器人的机动性要求动力源轻、小、出力大。主要驱动器是电动机。指、肘、肩、腕各关节大致需要3—300N·m的输出力矩和30一60r／min的输出转速。减轻电动机质量的措施有：采用交流电动机、优化电气及结构参数，采用电动机一编码器一减速器的一体化设计、把多自由度集成等等。搭载的移动载体上的电动机的功放单元和控制单元，其小型化目标是缩小到目前体积的1／20。新型驱动器，如形状记忆合金、人工肌肉、压电元件、挠性轴丝绳集束传动等已得到人们关注，但在实用方面近来已达到伺服电动机水平。
3．移动技术
新型移动机构：开发用于凹凸不平路面、楼梯、高山、弯管、海面、水下、高空等环境中的移动机构；
用于行走的传感技术，高级的三维视觉、触觉和接近觉等；
移动路途分析，采用动态规划等方法，对移动环境、成本、时间等进行综合分析、规划最佳路径；
4．微机器人
微机器人可能引起机器人结构的变革。微机器人是一个智能机器人系统，最终目标是将移动、传感、控制、能源集于一身，具有广泛应用前景。执行元件和认识机构的微型化：从感觉传感器回路的微型化向微小的位置姿态控制方向发展：从微型电池向化学能源和外部能源场的方向发展：各种材料的微型部件的加工装配向缩小法和自动生成方向发展；微小生物运动机、生物执行器、生物能源机构规律的探索和人工化。
5.仿生机构
生物体构造、移动模式、运动机理、能量分配、信息处理与综合，以及感知和认识等方面多层次得到启发。目前人工肌肉、以躯体为构件的蛇形移动机构、仿象鼻子柔性臂、人造关节、假肢、多肢体动物的运动协调等得到关注。
6．机构与控制的一体化设计
进行机构一控制一传感器一驱动的一体化优化设计，以满足机械手高速高精度定的要求。最省能量控制也越来越受到智能机器入关注。
7．智能控制与人工智能及示教技术
智能控制方面发展动向主要是多级分布式计算机控制、基于神经网络的控制，以及实现通用模块、智能机器人核心程序模块、机器人操作系统的通用化等。
人工智能在机器人技术方面应用主要有：规划和知识表述；机器人数据库；自治功能(自治控制、自学习、高安全可靠性)；智能通信(人机通信、机器人间通信等)。
五、结束语
工业机器人的诞生和机器人学的建立，无疑是20世纪人类科学技术的重大成就。在现代制造技术快速发展的今天，我国还必须在研究和开发上跟踪机器人技术的发展趋势。工业机器人产业和技术的发展必将大大加速我国制造业的崛起。
参考文献：
[1]吴瑞详．机器人技术与应用．北京：北京航空航天大学出版社，1994 [2]徐元宣．工业机器人．北京：中国轻工业出版社，1999 [3]王田苗．走向产业化的先进机器人技术．中国制造业信息化， 2005(10):24 ～ 25 [4] JohnMichuloski．Coordinated Joint Motion Control for an Industrial Robot．National Bureau of Standards Gaithersburg, MD
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