2014年12月（下）
机器人应用技术分析
石红梅
（
北京信息职业技术学院专业部，北京市１０００７０）
［摘要］机器人的应用领域十分广泛，包括工业生产、海空探索、康复和军事等。此外，机器人已逐渐在医院、家庭和一些服务行业获得
应用，并且已经进入高校的课堂。根据其功能可分为工业机器人、服务机器人、探索机器人和军事机器人。机器人核心技术的应用围绕基本结构优化与技术参数的提高。本文先将机器人的技术参数进行简单描述，对其主要知识基础与技术要求做了简单的论述，其应用的核心技术是目前国际各大企业关注的问题。［关键词］机器人；控制器；伺服系统；核心
机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行装置的、能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。它又分为以下两种情况来定义：
工业机器人是“一种能够执行与人的上肢类似动作的多功能机器”；如图１所示。
智能机器人是“一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器”。如图２所示。
1工业机器人基本结构及技术参数1.1工业机器人基本结构
从机械结构上，可以分为串联和并列机器人，目前广泛应用的是串联通用机器人。串联通用机器人一般由手臂、手腕组成。机器人手臂具有３个自由度（运动坐标轴），机器人作业空间由手臂运动范围决定。手腕是机器人工具（如焊枪、喷嘴、机加工刀具、夹爪）与主构架的连接机构，它具有３个自由度。如图１所示。
图１串联通用机器人
图２智能机器人
从机器人系统整体来看，分为控制器（包括示教器）、伺服驱动系统、机构、测量及传感器。其中控制器，用于控制机器人各运动部件的位置、速度和加速度，使机器人手爪或机器人工具的中心点以给定的速度沿着给定轨迹到达目标点。控制器是机器人的大脑，其性能和功能直接决定了机器人的整体能力。驱动系统，为机器人各运动部件提供力、力矩、速度、加速度。驱动系统是机器人的肌肉，其质量、驱动能力、响应速度、稳定性，直接决定了机器人的运动能力。
目前国产工业机器人，绝大多数使用日本品牌的伺服驱动系统，如松下、安川、三菱、三洋、富士等。测量系统，用于机器人运动部件的位移、速度和加速度的测量以及工作对象的测量，如工件及其位置的识别，障碍物的识别，抓举工件的重量是否过载等。通常机器人自身运动部件及工件重量的测量，使用伺服驱动系统提供的位置及电流信息，工件位置、障碍物识别等使用机器视觉等外接的测量设备。
1.2工业机器人技术参数１．２．１自由度数和类型
自由度（ＤＯＦ）是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目。自
由度越多就越灵活，但结构也越复杂。机器人的自由度要根据其用途设计，一般在３￣６个之间。如果小于３个，不能称为机器人。大于６个的自由度称为冗余自由度（空间位姿只有６个参数）。冗余自由度能使机器人避开障碍物和改善机器人的动力性能。设计人类的手臂共有７个自由度。类型指的是所设计的关节属于转动关节还是移动关节。
１．２．２结构形式
结构形式指机器人运动链的形式，包括并联、串联、混合形式，决定了机器人适应的行业。串联结构优点是工作范围大，缺点是最大速度和刚度较差。并联结构优点是速度和刚度很好，但是工作范围小。
１．２．３运动范围
运动范围指机器人关节的运动范围，决定了工作空间的大小。由于末端执行器的形状和尺寸是多种多样的，为真实反映机器人的特征参数，故工作空间是指不安装末端执行器时的工作区域。工作空间的大小不仅与机器人各连杆的尺寸有关，而且与机器人的总体结构形式有关。工作空间的形状和大小是十分重要的，机器人在执行某作业时可能会因存在手部不能到达的盲区而不能完成任务。
１．２．４最大速度
最大速度指机器人关节或末端操作器的最高运动速度，决定了机器人的最大效率。
有的厂家指工业机器人主要自由度上最大的稳定速度，有的厂家
指手臂末端最大的合成速度，对此通常都会在技术参数中加以说明。最大工作速度愈高，其工作效率愈高。
１．２．５负载能力
负载能力指机器人在一定精度和运动条件下所能承担的最大负载，是决定机器人成本的主要参数。承载能力是指机器人在作业范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。承载能力不仅取决于负载的质量，而且与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。为保证安全，通常将承载能力这一技术指标确定为高速运行时的承载能力。
１．２．６重复定位精度
重复定位精度指机器人经过多次循环运动后，到达空间同一位置和姿态的最大误差范围。重复定位精度是指在同一环境、同一条件、同一目标动作、同一命令之下，机器人连续重复运动若干次时，其位置的分散情况，是关于精度的统计数据。因重复定位精度不受工作载荷变化的影响，故通常用重复定位精度这一指标作为衡量示教－再现工业机器人水平的重要指标。
１．２．７控制方式
控制方式指机器人运动控制的方式，如示教再现、点位控制、或轨迹控制，是机器人控制器的基本指标。
１．２．８驱动方式
驱动方式指机器人是采用液压、气动、交流电机或步进电机控制等，目前先进的工业机器人通常采用交流电机驱动。
2机器人技术涉及的基本知识
机器人技术所涉及的基本知识范围广，归纳起来包括以下几个学科：１）工程力学（理论力学、材料力学）。２）高等代数（线性代数、矩阵分析）。
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TECHNOLOGY WIND
３）线性控制理论（自控原理、现代控制理论）。
４）机械工程（机械原理、机械设计、制造技术）：涉及机器人的机械部分，主要包括机械构件、减速器及其零件的选择、设计、加工、装配，还包括与工艺有关的手爪的设计。
５）电子工程（电路分析、数电模电、微机原理）：涉及机器人的电控部分，主要包括控制器、示教器的设计、制、造调试，还包括生产线相关工艺软件的设计。
６）机电工程（电机与拖动、机电一体化技术）：涉及机器人的驱动部分，主要包括伺服驱动器及伺服电机的设计、制造、调试，还包括传感器相关部分。
７）机器人学：机器人运动学，微分运动学，静力与变形，动力学，机器人运动规划，机器人控制。
3机器人软件开发
机器人软件开发分为三个层次：底层软件，面对的是赤裸的控制器电路硬件，目的是实现独立于行业应用的控制器功能，即通常说的控制器开发；中间层软件，面对的开放的底层软件，目的是针对某个行业应用进行功能、界面的优化，即通常说的二次开发；应用层软件，面对的控制器软件环境，目的是实现某个行业应用，即通常说的应用开发。
3.1底层
通常由Ｃ语言和汇编语言编写，需要大量的软硬件知识。涉及正解逆解、插补、加减速控制、ＰＬ算法、微段算法、反馈闭环算法、指令编辑、指令译码、宏语言解释、ＰＬＣ译码、ＰＬＣ执行、界面设计、网络通信等等，可以统称为运动控制。因为涉及大量硬件信息，通常由控制器生产方负责，其他人不能也无法编写。
3.2中间层
一般指基于底层开发的，使用Ｃ语言或类似的中高级语言编写的，面向某个行业应用的软件。比较典型的是控制器的二次开发和基于类似ＲＯＳ环境的开发。根据开放程度和底层提供功能程度的不同，涉及界面、底层软件间协调、网络通信等。
3.3应用层
通常指使用特定机器人语言编写的，运行于控制器软件之上的软件。通常面向某个具体应用，重点解决工艺、系统集成等问题。应用层软件的执行环境由控制器生产方提供，是通用机器人控制器必须提供的功能。
4机器人应用现状4.1国内应用现状
我国工业机器人的需求量将以每年３０％以上的速度增长。２０１２年中国工业机器人销量为２．７万台，同比增长１７％，中国工业机器人的市场需求会在２０１４年开始爆发。从绝对数量上看，中国的机器人数量仅为日本的１８％、德国的３５％；在汽车产业，每万名工人中机器人数量只有９０台，而日本有１６００多台，美国有８００多台。
工业机器人应用从单台机器人单元向使用机器人的生产线方向发展。由于工业生产所用的机器人大多数是在生产线上使用，组成机器人化的生产系统，单台机器人很少使用。并且一般企业都不具备将机器人集成到生产系统的能力，因此对机器人的需求也就转化为对机器人及其自动化成套装备的需求。
4.2国外应用现状
公认机器人产业是继汽车、计算机之后出现的新的大型高技术产
业。发展速度加快。据国际机器人联合会（ＩＦＲ）统计，从２０世纪下半叶起，世界工业机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入９０年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在１０％左右，２０００年增长率上升到１５％。
目前机器人已广泛应用于各行各业，并且在向更多行业迈进。包括焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。目前，全球现役工业机器人１０８万台。过去１０年，机器人的价格降低约８０％，还在继续下降，而欧美劳动力成本上涨了５０％。出传统的工业领域外，还进入家政服务、农业、军事等领域，其中扫地机器人已经售出１００万台以上。工业机器人应用以生产线为主。机器人应用有两种模式：一种是单台机器人工作单元，另一种是使用机器人的生产线。后者在国外已经成为机器人应用的主要方式。
以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量的柔性生产发展方向，具有广阔的市场发展前景和强劲生命力。在发达国家，机器人自动化生产线已形成一个巨大的产业，年市场容量约为２０００亿美元。
5工业机器人核心技术及面临的主要问题
机器人核心技术，主要指工业机器人的核心部件，则包括控制系统、伺服系统、减速器三部分。减速器一直是国际大品牌保持竞争优势的有力武器之一，减速器仅占据大品牌工业机器人单体成本约六分之一，国产工业机器人减速器占其制造成本的比例依然接近三分之一。本土生产的工业机器人原材料成本构成中，减速机占据４０％，伺服系统占据３０％，控制器占据１５％，其他占据１５％。
伺服系统在电控系统中的成本比例很高，且随着机器人负载的提高，比例直线上升。目前国产伺服系统存在着功率密度低、可靠性差的缺点，推广受到极大限制。控制器是电控系统的核心，目前我国已有多家从事控制器开发生产的企业，但是功能、性能等总体技术水平与国外仍有较大差距。
在三个核心部件中，控制器是国产品牌占有率最高的，相对技术比较成熟，而其它两项则需要我们更加加快技术进步的速度。
6结论
最后，我想引用习总书记在两院院士大会上的讲话最为结束，他说，“机器人革命”有望成为“第三次工业革命”的一个切入点和重要增长点，将影响全球制造业格局，而且我国将成为全球最大的机器人市场。机器人是“制造业皇冠顶端的明珠”，其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。
对于职业院校来说，机器人技术的研究与应用才刚刚起步，我们作为理工科，机器人的核心技术是有的，只是在技术精尖，技术融合方面比较欠缺，我们应该发展机器人专业，对机器人技术领域进行进一步研究。
[参考文献］
［１］张玫．机器人技术．机械工业出版社，２０１２．
［２］郭洪红．工业机器人技术．西安电子科技大学出版社，２０１２．
科技前沿
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