智造講堂：工業機器人
2021-7-22新聞
1954年，美國人喬治·德沃爾申請了“可編程關節式轉移物料裝置”的專利，并與約瑟夫·恩格爾伯格合作成立了世界上第一個機器人公司Unimation，研發出世界上第一臺工業機器人Unimate。在此之后的幾十年間，工業機器人不僅改變了汽車制造業，也拓展到其他制造業和非制造業，經歷了搖籃階段到實用階段。隨著計算機技術的進步和深入，機器人逐漸向著多傳感器智能控制方向發展。
「 1. 工業機器人定義與分類 」
1）工業機器人的定義
在工業領域內應用的機器人被稱為工業機器人。工業機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的機電一體化設備，被稱為工業自動化的三大支持技術之一。世界各國對工業機器人的定義不盡相同，且隨著機器人技術的不斷發展，內涵的逐漸豐富，工業機器人的定義也在隨之變化。
美國工業機器人協會（RIA）、日本工業機器人協會（JIRA）、德國標準（VDI）以及國際標準化組織（ISO）等都對工業機器人做出過定義。目前多采用的是國際標準化組織（ISO）對工業機器人的定義，即“工業機器人是一種能自動控制、可重復編程，多功能、多自由度的操作機，能搬運材料、工件或操持工具，來完成各種作業”。我國現行的推薦性國家標準《機器人與機器人裝備 詞匯》（GB/T 12643—2013），等同采用了國際標準化組織的ISO 8373:2012標準，沿用了國際標準組織對工業機器人的定義。
2）工業機器人的組成
工業機器人由執行機構（圖1中的1、3）、控制系統（圖1中的2）、驅動系統（如液壓缸、電機等）、檢測系統四大部分構成。
圖1 工業機器人的組成
這四部分之間的運作關系如圖2所示，由控制系統傳達信號到驅動系統，驅動執行裝置動作，檢測系統監控執行裝置的執行結果，并反饋回控制系統，及時調整控制信號。
圖2 工業機器人各部分關系
（1）執行機構。執行機構是具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或執行其他操作的機械裝置，通常包括機座、手臂、手腕和末端執行器。見圖1中的1、3。
（2）控制系統。控制系統是機器人的大腦，支配機器人按規定的程序運動，并記憶動作順序、運動軌跡、運動速度等指令信息，以實現重復運動。
（3）驅動系統。驅動系統是將控制系統發出的控制指令信號放大，驅動執行機構運動的傳動裝置。常見的有電氣、液壓、氣動和機械等方式。
（4）檢測系統。檢測系統主要檢測執行系統的運動位置和狀態，并實時將實際位置、狀態信息反饋給控制系統，控制系統將其與設定值進行比較，實時調整發送給驅動系統的指令，使得執行系統達到設定位置和狀態。檢測系統通常是各種傳感器。
3）工業機器人的分類
工業機器人有多種分類方式：①按照程序輸入方式劃分，可分為編程輸入型和示教輸入型兩類；②按照驅動方式劃分，可分為液壓驅動、氣壓驅動、電氣驅動等類型；③按照機械結構劃分，可劃分為串聯機器人、并聯機器人、串并混聯機器人；④按照運動坐標形式劃分，可分為圓柱坐標型機器人、球坐標型機器人、直角坐標型機器人、多關節型機器人、平面關節型（SCARA）機器人等5種；⑤按照應用領域劃分，可分為焊接機器人、裝配機器人、搬運機器人、碼垛機器人、上下料機器人、包裝機器人、噴涂機器人、切割機器人等。⑥按照負載來劃分，可分為小型負載機器人（負載小于20kg）、中型負載機器人（負載介于20～100kg 之間）和大型負載機器人（負載大于 100kg）。
「 2. 工業機器人的發展趨勢 」
工業機器人具有可編程、擬人化、通用性、機電一體化等特征。可編程，是指工業機器人可以隨著其工作環境變化的需要進行再編程，因此，它在小批量、多品種的柔性制造過程中扮演重要角色，可發揮均衡、高效率的功用與價值，是柔性制造系統的重要組成部分之一。擬人化，是指工業機器人在機械結構上有類似于人體的行走、腰轉等動作，以及大臂、小臂、手腕、手爪等部位。通用性，是指除了專門設計的工業機器人外，一般工業機器人在執行不同的作業任務時具有較好的通用性；比如，更換工業機器人末端執行器（手爪、工具等）便可以執行不同的作業任務。機電一體化，是指工業機器人實現了機械技術、微電子技術、信息技術等的有機結合，是典型的機電一體化產品。
工業機器人在制造業中的優勢主要體現為自動化、高效率和安全性。隨著工業機器人在現代制造業發展過程中的價值越來越突出，工業機器人正呈現以下發展趨勢：
1）工業機器人走向智能化
工業機器人的發展可分為三個階段，即從第一代的示教再現機器人（通過示教存儲信息，工作時讀出這些信息，向執行機構發出指令，執行機構按指令再現示教的操作，廣泛應用于焊接、上下料、噴漆和搬運等），到帶有簡單感覺系統的機器人（帶有視覺、觸覺等功能，可以完成檢測、裝配、環境探測等作業），再到智能機器人（不僅具備感覺功能，而且能在無人指令情況下，根據所處環境自行決策，規劃出行動）。
目前，在工業中應用的機器人絕大部分都不智能。因此，智能化是未來工業機器人的主要發展方向。在操作臂技術上，將向著提高功率密度、通用性、輕量化、多自由度、多種材料、仿人體結構、高負重與自重比及一體化機構方向發展。在傳感與感知上，通過采用識別、跟蹤、力覺、視覺等傳感器，實現對各種外部環境、各種復雜作業的自主識別。在安全技術上，工業機器人由單機時代的自身安全進化到物聯網時代的網絡安全；在導航技術上，工業移動機器人則向多模態、室外及無標識自然導航方向發展。
2）工業機器人由單機走向多機協同
目前工業機器人的應用仍以單機自動化為主，但在一些應用場景環節已實現了多機器人的協同應用。比如，在汽車行業的車身噴涂、焊接等場景，往往一個工位上需要有多臺機器人來協同工作，與此同時工業機器人主流廠商也針對這些場景推出了多機器人協同應用解決方案。以安川電機為例，在2020年中國國際工業博覽會上，安川電機就展示了商用車白車身焊接及噴涂工位的多機器人協同應用。其中，在商用車白車身噴涂工位，安川電機展示了利用噴涂機器人、開門機器人等四款不同的機器人共同完成車身的噴涂作業；而在商用車白車身的焊接工位，同樣也是在一個工位內配置多種類型的機器人，完成搬運、點焊以及弧焊作業。而為了實現高效的生產，工業機器人多機協同作業將會有更多應用。
3）傳統工業機器人將走向人機共融
傳統工業機器人的感知能力較弱，只能在穩定的環境中工作，也就是主要在結構化環境中執行各類確定性任務，否則就容易出錯甚至傷人毀物。為克服上述不足、有效擴展和延伸人類能力，共融機器人應運而生并代表了未來工業機器人的發展方向。所謂，共融機器人，是指能與作業環境、人、其他機器人自然交互，自主適應復雜動態環境并協同作業的機器人。“共融”具體包含機器人與環境的自然交互、機器人之間的互助互補、機器人與人之間的協同作業三層含義。而為實現以上與環境，與其他機器人，與人類共存、共事、共融的目標，機器人需要在“身體”“感知”和“意識”上進行革新。
4）復合式工業機器人成趨勢
為了滿足更多樣的應用場景，如今除了工業機器人單體之外，還出現了許多復合式工業機器人，例如桁架式機械手、軌道式機器人、移動協作機器人（AMR/AGV+協作機器人）等，用于工業機器人移動式操作的場景。圖3 是庫卡（KUKA）線性滑軌機器人和KUKA移動機器人KMR iiwa。線性滑軌，相當于給工業機器人又添加了一個軸，從而增大了工業機器人的工作空間，而在同一個線性滑軌上，通常可以使用多個機器人。KUKA移動機器人KMR iiwa則使得人機協作更加靈活。
圖 3 KUKA線性滑軌機器人與KUKA移動機器人KMR iiwa（來源：KUKA官網）
5）工業機器人應用行業與場景不斷延伸拓展
世界第一臺工業機器人應用于汽車行業，直至目前，汽車工業仍然是工業機器人最大的應用市場，也是標準最高、使用密度最高的市場。但與此同時，工業機器人也正在向一般工業拓展，應用場景不斷深化。在行業應用上，工業機器人已迅速拓展到3C電子、金屬加工、醫療、煙草、物流、食品、制藥、塑料、橡膠、化工等行業。在具體應用場景上，工業機器人的應用則包括焊接、噴涂、打磨、涂膠、上下料、去毛刺、搬運、裝配、分揀、包裝、檢測等。
6）云化機器人及工業機器人云平臺興起
在智能制造生產場景中，需要工業機器人有自組織和協同的能力來滿足柔性生產，這就帶來了云化機器人（機器人大腦在云端）及工業機器人云平臺的需求。和傳統機器人相比，云化機器人需要通過網絡連接到云端的控制中心，基于超高計算能力的平臺，并通過大數據和人工智能對生產制造過程進行實時運算控制。未來，隨著5G、AI、云計算等技術的發展成熟，云化機器人及工業機器人云平臺或將成為新一輪發展熱點。
