工業(yè)機(jī)器人是廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，具有一定的自動(dòng)性，可依靠自身的動(dòng)力能源和控制能力實(shí)現(xiàn)各種工業(yè)加工制造功能。工業(yè)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于電子、物流、化工等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域之中。

組成

一般來(lái)說(shuō)，工業(yè)機(jī)器人由三大部分六個(gè)子系統(tǒng)組成。

三大部分是機(jī)械部分、傳感部分和控制部分。

六個(gè)子系統(tǒng)可分為機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

1.機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

從機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)看，工業(yè)機(jī)器人總體上分為串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人。串聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)是一個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)會(huì)改變另一個(gè)軸的坐標(biāo)原點(diǎn)，而并聯(lián)機(jī)器人一個(gè)軸運(yùn)動(dòng)則不會(huì)改變另一個(gè)軸的坐標(biāo)原點(diǎn)。早期的工業(yè)機(jī)器人都是采用串聯(lián)機(jī)構(gòu)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)定義為動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái)通過(guò)至少兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈相連接，機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)或兩個(gè)以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)的一種閉環(huán)機(jī)構(gòu)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)有兩個(gè)構(gòu)成部分，分別是手腕和手臂。手臂活動(dòng)區(qū)域?qū)顒?dòng)空間有很大的影響，而手腕是工具和主體的連接部分。與串聯(lián)機(jī)器人相比較，并聯(lián)機(jī)器人具有剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、承載能力大、微動(dòng)精度高、運(yùn)動(dòng)負(fù)荷小的優(yōu)點(diǎn)。在位置求解上，串聯(lián)機(jī)器人的正解容易，但反解十分困難；而并聯(lián)機(jī)器人則相反，其正解困難，反解卻非常容易。

2.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是向機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)提供動(dòng)力的裝置。根據(jù)動(dòng)力源不同，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式分為液壓式、氣壓式、電氣式和機(jī)械式4種。早期的工業(yè)機(jī)器人采用液壓驅(qū)動(dòng)。由于液壓系統(tǒng)存在泄露、噪聲和低速不穩(wěn)定等問(wèn)題，并且功率單元笨重和昂貴，目前只有大型重載機(jī)器人、并聯(lián)加工機(jī)器人和一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合使用液壓驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人。氣壓驅(qū)動(dòng)具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。但是氣壓裝置的工作壓強(qiáng)低，不易精確定位，一般僅用于工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)。氣動(dòng)手抓、旋轉(zhuǎn)氣缸和氣動(dòng)吸盤作為末端執(zhí)行器可用于中、小負(fù)荷的工件抓取和裝配。電力驅(qū)動(dòng)是目前使用最多的一種驅(qū)動(dòng)方式，其特點(diǎn)是電源取用方便，響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)力大，信號(hào)檢測(cè)、傳遞、處理方便，并可以采用多種靈活的控制方式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，目前也有采用直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但是造價(jià)較高，控制也較為復(fù)雜，和電機(jī)相配的減速器一般采用諧波減速器、擺線針輪減速器或者行星齒輪減速器。由于并聯(lián)機(jī)器人中有大量的直線驅(qū)動(dòng)需求，直線電機(jī)在并聯(lián)機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。

3.感知系統(tǒng)

機(jī)器人感知系統(tǒng)把機(jī)器人各種內(nèi)部狀態(tài)信息和環(huán)境信息從信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人自身或者機(jī)器人之間能夠理解和應(yīng)用的數(shù)據(jù)和信息，除了需要感知與自身工作狀態(tài)相關(guān)的機(jī)械量，如位移、速度和力等，視覺(jué)感知技術(shù)是工業(yè)機(jī)器人感知的一個(gè)重要方面。視覺(jué)伺服系統(tǒng)將視覺(jué)信息作為反饋信號(hào)，用于控制調(diào)整機(jī)器人的位置和姿態(tài)。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)還在質(zhì)量檢測(cè)、識(shí)別工件、食品分揀、包裝的各個(gè)方面得到了廣泛應(yīng)用。感知系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成，智能傳感器的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化水平。

4.機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)

機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。機(jī)器人與外部設(shè)備集成為一個(gè)功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。當(dāng)然也可以是多臺(tái)機(jī)器人集成為一個(gè)去執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。

5.人機(jī)交互系統(tǒng)

人機(jī)交互系統(tǒng)是人與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系和參與機(jī)器人控制的裝置。例如：計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)終端、指令控制臺(tái)、信息顯示板、危險(xiǎn)信號(hào)報(bào)警器等。

6.控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令以及從傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)，支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。如果機(jī)器人不具備信息反饋特征，則為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)；具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制原理可分為程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運(yùn)動(dòng)的形式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制。

應(yīng)用

1.在碼垛方面的應(yīng)用

在各類工廠的碼垛方面，自動(dòng)化極高的機(jī)器人被廣泛應(yīng)用，人工碼垛工作強(qiáng)度大，耗費(fèi)人力，員工不僅需要承受巨大的壓力，而且工作效率低。搬運(yùn)機(jī)器人能夠根據(jù)搬運(yùn)物件的特點(diǎn)，以及搬運(yùn)物件所歸類的地方，在保持其形狀的和物件的性質(zhì)不變的基礎(chǔ)上，進(jìn)行高效的分類搬運(yùn)，使得裝箱設(shè)備每小時(shí)能夠完成數(shù)百塊的碼垛任務(wù)。在生產(chǎn)線上下料、集裝箱的搬運(yùn)等方面發(fā)揮及其重要的作用。

2.在焊接方面的應(yīng)用

焊接機(jī)器人主要承擔(dān)焊接工作，不同的工業(yè)類型有著不同的工業(yè)需求，所以常見(jiàn)的焊接機(jī)器人有點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、激光機(jī)器人等。汽車制造行業(yè)是焊接機(jī)器人應(yīng)用最廣泛的行業(yè)，在焊接難度、焊接數(shù)量、焊接質(zhì)量等方面就有著人工焊接無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

3.在裝配方面的應(yīng)用

在工業(yè)生產(chǎn)中，零件的裝配是一件工程量極大的工作，需要大量的勞動(dòng)力，曾經(jīng)的人力裝配因?yàn)槌鲥e(cuò)率高，效率低而逐漸被工業(yè)機(jī)器人代替。裝配機(jī)器人的研發(fā)，結(jié)合了多種技術(shù)，包括通訊技術(shù)、自動(dòng)控制、光學(xué)原理、微電子技術(shù)等。研發(fā)人員根據(jù)裝配流程，編寫合適的程序，應(yīng)用于具體的裝配工作。裝配機(jī)器人的最大特點(diǎn)，就是安裝精度高、靈活性大、耐用程度高。因?yàn)檠b配工作復(fù)雜精細(xì)，所以我們選用裝配機(jī)器人來(lái)進(jìn)行電子零件，汽車精細(xì)部件的安裝。

4.在檢測(cè)方面的應(yīng)用

機(jī)器人具有多維度的附加功能。它能夠代替工作人員在特殊崗位上的工作，比如在高危領(lǐng)域如核污染區(qū)域、有毒區(qū)域、核污染區(qū)域、高危未知區(qū)域進(jìn)行探測(cè)。還有人類無(wú)法具體到達(dá)的地方，如病人患病部位的探測(cè)、工業(yè)瑕疵的探測(cè)、在地震救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的生命探測(cè)等均有建樹(shù)。

發(fā)展趨勢(shì)

1.人機(jī)協(xié)作

隨著機(jī)器人從與人保持距離作業(yè)向與人自然交互并協(xié)同作業(yè)方面發(fā)展。拖動(dòng)示教、人工教學(xué)技術(shù)的成熟，使得編程更簡(jiǎn)單易用，降低了對(duì)操作人員的專業(yè)要求，熟練技工的工藝經(jīng)驗(yàn)更容易傳遞。

2.自主化

目前機(jī)器人從預(yù)編程、示教再現(xiàn)控制、直接控制、遙操作等被操縱作業(yè)模式向自主學(xué)習(xí)、自主作業(yè)方向發(fā)展。智能化機(jī)器人可根據(jù)工況或環(huán)境需求，自動(dòng)設(shè)定和優(yōu)化軌跡路徑、自動(dòng)避開(kāi)奇異點(diǎn)、進(jìn)行干涉與碰撞的預(yù)判并避障等。

3.智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化

越來(lái)越多的3D視覺(jué)、力傳感器會(huì)使用到機(jī)器人上，機(jī)器人將會(huì)變得越來(lái)越智能化。隨著傳感與識(shí)別系統(tǒng)、人工智能等技術(shù)進(jìn)步，機(jī)器人從被單向控制向自己存儲(chǔ)、自己應(yīng)用數(shù)據(jù)方向發(fā)展，逐漸信息化。隨著多機(jī)器人協(xié)同、控制、通信等技術(shù)進(jìn)步，機(jī)器人從獨(dú)立個(gè)體向相互聯(lián)網(wǎng)、協(xié)同合作方向發(fā)展。

2022年9月6日，工信部裝備工業(yè)一司副司長(zhǎng)郭守剛表示，中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)，2021年機(jī)器人全行業(yè)營(yíng)業(yè)收入超過(guò)1300億元。其中，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量達(dá)36.6萬(wàn)臺(tái)，比2015年增長(zhǎng)了10倍，穩(wěn)居全球第一大工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)。

審核編輯黃昊宇