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關(guān)于工業(yè)機器人技術(shù)最全面的解析

一、工業(yè)機器人的發(fā)展背景 1920年，捷克劇作家卡里洛·奇別克在其科幻劇本《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，之后便成為機器人的代名詞。 1938年3月，The Meccano Magazine報道了一款搬運機器人模型，這是最早的關(guān)于以工業(yè)應(yīng)用為目標的機器人模型的報道。它由GriffithP．Taylor于1935年設(shè)計，可以通過一個電動機實現(xiàn)5個軸的運動。到了1954年，美國的G.C.Devol設(shè)計出第一臺電子可編程序的工業(yè)機器人。而1960年美國AMF公司生產(chǎn)了柱坐標型Versatran機器人，可進行點位和軌跡控制，這是世界上第一種應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的機器人。在1974年，Cincinnati Milacron公司成功開發(fā)了多關(guān)節(jié)機器人。到了1979年，Unimation公司推出PUMA機器人，它是一種多關(guān)節(jié)、全電機驅(qū)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(shù)最先進的工業(yè)機器人?，F(xiàn)在的工業(yè)機器人在結(jié)構(gòu)上大體都以此為基礎(chǔ)。這一時期的機器人屬于“示教再現(xiàn)”（Teach-in/Playback）型機器人，只具有記憶、存儲能力，按相應(yīng)程序重復(fù)作業(yè)，對周圍環(huán)境基本沒有感知與反饋控制能力。進入80年代，隨著傳感技術(shù)，包括視覺傳感器、非視覺傳感器以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了第二代機器人——有感覺的機器人。它能夠獲得作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對象的部分相關(guān)信息，進行一定的實時處理，引導(dǎo)機器人進行作業(yè)。第二代機器人已在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)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(yōu)秀的環(huán)境感知能力，而且還具有邏輯思維、判斷和決策能力，可根據(jù)作業(yè)要求與環(huán)境信息自主地進行工作。二、工業(yè)機器人的應(yīng)用場景自從20世紀60年代初人類創(chuàng)造了第一臺工業(yè)機器人以后，機器人就顯示出它極大的生命力，在短短50多年的時間中，機器人技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，在眾多制造業(yè)領(lǐng)域中，工業(yè)機器人應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域是汽車及汽車零部件制造業(yè)，并且正在不斷地向其他領(lǐng)域拓展，如機械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中，焊接機器人、磨拋加工機器人、焊接機器人、激光加工機器人、噴涂機器人、搬運機器人、真空機器人等工業(yè)機器人都已被大量采用。下面是對工業(yè)機器人的應(yīng)用場景及技術(shù)特點的一些介紹。三、工業(yè)機器人現(xiàn)狀伴隨著工業(yè)機器人的日漸興起，“機器換人”將成為趨勢。富士康此前曾宣布，將在三年內(nèi)購置百萬臺機器人，預(yù)計到2016年將在山西晉城建成“世界最大智能化機器人生產(chǎn)基地”。汽車、電子、食品、化工、塑膠橡膠、金屬制品六大制造行業(yè)，被看做是當前應(yīng)用工業(yè)機器人的主要領(lǐng)域，機構(gòu)預(yù)測未來會有100萬～200萬臺的年需求量，占中國工業(yè)機器人市場需求的七成左右。截至今年9月份，整個中國機器人企業(yè)已達近420多家。另外，目前中國各地正在建設(shè)逾30個機器人產(chǎn)業(yè)園。工業(yè)機器人之所以能在中國市場異軍突起，首先是因為在成本上，機器人通常僅為人工成本的四分之一；其次，機器人在質(zhì)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(shù)快速提升、價格大幅下降、人工短缺、人力成本上升等因素的綜合作用下，中國的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)正處于一個井噴時代。四、工業(yè)機器人關(guān)鍵技術(shù) 1.機器人基本系統(tǒng)構(gòu)成工業(yè)機器人由3大部分6個子系統(tǒng)組成。3大部分是機械部分、傳感部分和控制部分。6個子系統(tǒng)可分為機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、機器人環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。工業(yè)機器人系統(tǒng)構(gòu)成 1）工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由機座、手臂、末端操作器三大部分組成，每一個大件都有若干個自由度的機械系統(tǒng)。若基座具備行走機構(gòu)，則構(gòu)成行走機器人；若基座不具備行走及彎腰機構(gòu)，則構(gòu)成單機器人臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端操作器是直接裝在手腕上的一個重要部件，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(yè)工具。 2）驅(qū)動系統(tǒng)，要使機器人運作起來，需要在各個關(guān)節(jié)即每個運動自由度上安置傳動裝置，這就是驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)可以是液壓傳動、氣壓傳動、電動傳動、或者把它們結(jié)合起來應(yīng)用綜合系統(tǒng)，可以是直接驅(qū)動或者通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機械傳動機構(gòu)進行間接傳動。 3）感知系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成，用以獲得內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。智能傳感器的使用提高了機器人的機動性、適應(yīng)性和智能化的水準。人類的感受系統(tǒng)對感知外部世界信息是極其靈巧的，然而，對于一些特殊的信息，傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。 4）機器人環(huán)境交換系統(tǒng)是現(xiàn)代工業(yè)機器人與外部環(huán)境中的設(shè)備互換聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。工業(yè)機器人與外部設(shè)備集成為一個功能單元，如加工單元、焊接單元、裝配單元等。當然，也可以是多臺機器人、多臺機床或設(shè)備、多個零件存儲裝置等集成為一個去執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。 5）人機交換系統(tǒng)是操作人員與機器人控制并與機器人聯(lián)系的裝置，例如，計算機的標準終端，指令控制臺，信息顯示板，危險信號報警器等。該系統(tǒng)歸納起來分為兩大類：指令給定裝置和信息顯示裝置。 6）機器人控制系統(tǒng)是機器人的大腦，是決定機器人功能和性能的主要因素。控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序以及傳感器反饋回來的信號支配機器人的執(zhí)行機構(gòu)去完成規(guī)定的運動和功能。假如工業(yè)機器人不具備信息反饋特征，則為開環(huán)控制系統(tǒng)；若具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制原理，控制系統(tǒng)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)控制運行的形式，控制系統(tǒng)可分為點位控制和軌跡控制。點位型只控制執(zhí)行機構(gòu)由一點到另一點的準確定位，適用于機床上下料、點焊和一般搬運、裝卸等作業(yè)；連續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機構(gòu)按給定軌跡運動，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序以及傳感器反饋回來的信號支配機器人的執(zhí)行機構(gòu)去完成規(guī)定的運動和功能。假如工業(yè)機器人不具備信息反饋特征，則為開環(huán)控制系統(tǒng)；若具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制原理，控制系統(tǒng)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)控制運行的形式，控制系統(tǒng)可分為點位控制和軌跡控制。一套完整的工業(yè)機器人包括機器人本體、系統(tǒng)軟件、控制柜、外圍機械設(shè)備、CCD視覺、夾具/抓手、外圍設(shè)備PLC控制柜、示教器/示教盒。工業(yè)機器人設(shè)備下面重點對機器人的驅(qū)動系統(tǒng)、感知系統(tǒng)作出介紹。 2.機器人的驅(qū)動系統(tǒng) 工業(yè)機器人的驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源分為液壓，氣動和電動三大類。根據(jù)需要也可由這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的各有自己的特點。液壓驅(qū)動系統(tǒng)：由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)。它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點。適于在承載能力大，慣量大以及在防焊環(huán)境中工作的這些機器人中應(yīng)用。但液壓系統(tǒng)需進行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換成液壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動驅(qū)動系統(tǒng)低。液壓系統(tǒng)的液體泄泥會對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪聲也較高。因這些弱點，近年來，在負荷為100kg以下的機器人中往往被電動系統(tǒng)所取代。青島華東工程機械有限公司研制的全液壓重載機器人如圖所示。其大跨度的承載可達到2000kg，機器人的活動半徑可達到近6m，應(yīng)用在鑄鍛行業(yè)。全液壓重載機器人氣壓驅(qū)動具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、價格低等優(yōu)點。但是由于氣壓裝置的工作壓強低，不易精確定位，一般僅用于工業(yè)機器人末端執(zhí)行器的驅(qū)動。氣動手抓、旋轉(zhuǎn)氣缸和氣動吸盤作為末端執(zhí)行器可用于中、小負荷的工件抓取和裝配。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(qū)動是現(xiàn)代工業(yè)機器人的一種主流驅(qū)動方式，分為4大類電機：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(huán)控制，一般用于高精度、高速度的機器人驅(qū)動；步進電機用于精度和速度要求不高的場合，采用開環(huán)控制；直線電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)在技術(shù)上已日趨成熟，已具有傳統(tǒng)傳動裝置無法比擬的優(yōu)越性能，例如適應(yīng)非常高速和非常低速應(yīng)用、高加速度，高精度，無空回、磨損小、結(jié)構(gòu)簡單、無需減速機和齒輪絲杠聯(lián)軸器等。鑒于并聯(lián)機器人中有大量的直線驅(qū)動需求，因此直線電機在并聯(lián)機器人領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。 3.機器人的感知系統(tǒng) 機器人感知系統(tǒng)把機器人各種內(nèi)部狀態(tài)信息和環(huán)境信息從信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C器人自身或者機器人之間能夠理解和應(yīng)用的數(shù)據(jù)、信息，除了需要感知與自身工作狀態(tài)相關(guān)的機械量，如位移、速度、加速度、力和力矩外，視覺感知技術(shù)是工業(yè)機器人感知的一個重要方面。視覺伺服系統(tǒng)將視覺信息作為反饋信號，用于控制調(diào)整機器人的位置和姿態(tài)。這方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在半導(dǎo)體和電子行業(yè)。機器視覺系統(tǒng)還在質(zhì)量檢測、識別工件、食品分揀、包裝的各個方面得到了廣泛應(yīng)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，它們分別又稱為三維視覺伺服和二維視覺伺服，這兩種方法各有其優(yōu)點和適用性，同時也存在一些缺陷，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(tǒng)，利用攝像機的參數(shù)來建立圖像信息與機器人末端執(zhí)行器的位置/姿態(tài)信息之間的映射關(guān)系，實現(xiàn)機器人末端執(zhí)行器位置的閉環(huán)控制。末端執(zhí)行器位置與姿態(tài)誤差由實時拍攝圖像中提取的末端執(zhí)行器位置信息與定位目標的幾何模型來估算，然后基于位置與姿態(tài)誤差，得到各關(guān)節(jié)的新位姿參數(shù)?；谖恢玫囊曈X伺服要求末端執(zhí)行器應(yīng)始終可以在視覺場景中被觀測到，并計算出其三維位置姿態(tài)信息。消除圖像中的干擾和噪聲是保證位置與姿態(tài)誤差計算準確的關(guān)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，得出誤差信號。然后，通過關(guān)節(jié)控制器和視覺控制器和機器人當前的作業(yè)狀態(tài)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標定誤差具有較強的魯棒性，但是在視覺伺服控制器的設(shè)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等問題。針對三維和二維視覺伺服方法的局限性，F(xiàn).Chaumette等人提出了2.5維視覺伺服方法。它將攝像機平動位移與旋轉(zhuǎn)的閉環(huán)控制解耦，基于圖像特征點，重構(gòu)物體三維空間中的方位及成像深度比率，平動部分用圖像平面上的特征點坐標表示。這種方法能成功地把圖像信號和基于圖像提取的位姿信號進行有機結(jié)合，并綜合他們產(chǎn)生的誤差信號進行反饋，很大程度上解決了魯棒性、奇異性、局部極小等問題。但是，這種方法仍存在一些問題需要解決，如怎樣確保伺服過程中參考物體始終位于攝像機視野之內(nèi)，以及分解單應(yīng)性矩陣時存在解不唯一等問題。在建立視覺控制器模型時，需要找到一種合適的模型來描述機器人的末端執(zhí)行器和攝像機的映射關(guān)系。圖像雅克比矩陣的方法是機器人視覺伺服研究領(lǐng)域中廣泛使用的一類方法。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(guān)鍵基礎(chǔ)部件機器人共4大組成部分，本體成本占22%，伺服系統(tǒng)占24%，減速器占36%，控制器占12%。機器人關(guān)鍵基礎(chǔ)部件是指構(gòu)成機器人傳動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和人機交互系統(tǒng)，對機器人性能起到關(guān)鍵影響作用，并具有通用性和模塊化的部件單元。機器人關(guān)鍵基礎(chǔ)部件主要分成以下三部分：高精度機器人減速機，高性能交直流伺服電機和驅(qū)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(guān)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(fā)明家C.WaltMusser于20世紀50年代中期發(fā)明。諧波齒輪減速機主要由波發(fā)生器、柔性齒輪和剛性齒輪3個基本構(gòu)件組成，依靠波發(fā)生器使柔性齒輪產(chǎn)生可控彈性變形，并與剛性齒輪相嚙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(zhuǎn)無側(cè)隙嚙合。與一般減速機比較，輸出力矩相同時，諧波齒輪減速機的體積可減小2/3，重量可減輕1/2。柔輪承受較大的交變載荷，因而其材料的抗疲勞強度、加工和熱處理要求較高，制造工藝復(fù)雜，柔輪性能是高品質(zhì)諧波齒輪減速機的關(guān)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年代率先開發(fā)了RV減速機。RV減速機由一個行星齒輪減速機的前級和一個擺線針輪減速機的后級組成。相比于諧波齒輪減速機，RV減速機具有更好的回轉(zhuǎn)精度和精度保持性。陳仕賢發(fā)明了活齒傳動技術(shù)。第四代活齒傳動——全滾動活齒傳動（oscillatory roller transmission，ORT）已成功地應(yīng)用到多種工業(yè)產(chǎn)品中。在ORT基礎(chǔ)上提出的復(fù)式滾動活齒傳動（compound oscillatory roller transmission，CORT）不但具有RV傳動類似的優(yōu)點，而且克服了RV傳動曲軸軸承受力大、壽命低的缺點，進一步提高了使用壽命和承載能力；CORT的結(jié)構(gòu)使其在同樣的精度指標下回差更小，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，可相對降低加工要求，減少制造成本。CORT是我國自主開發(fā)的，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。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發(fā)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，分別為提供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在內(nèi)國際主流機器人廠商的減速機均由以上兩家公司提供，與國內(nèi)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均與上述兩家公司簽訂了戰(zhàn)略合作關(guān)系，提供的產(chǎn)品大部分為在通用機型基礎(chǔ)上根據(jù)各廠商的特殊要求進行改進后的專用型號。國內(nèi)在高精度擺線針輪減速機方面研究起步較晚，僅在部分院校，研究所有過相關(guān)研究。目前尚無成熟產(chǎn)品應(yīng)用于工業(yè)機器人。近年來國內(nèi)部分廠商和院校開始致力高精度擺線針輪減速機的國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化研究，如浙江恒豐泰，重慶大學(xué)機械傳動國家重點實驗室，天津減速機廠，秦川機床廠，大連鐵道學(xué)院等。在諧波減速機方面，國內(nèi)已有可替代產(chǎn)品，如北京中技克美，北京諧波傳動所，但是相應(yīng)產(chǎn)品在輸入轉(zhuǎn)速，扭轉(zhuǎn)高度，傳動精度和效率方面與日本產(chǎn)品還存在不小的差距，在工業(yè)機器人上的成熟應(yīng)用還剛剛起步。國內(nèi)外工業(yè)機器人主流高精度諧波減速機性能比較如下表所示。表1 主流高精度諧波減速機性能比較注：上表比較數(shù)據(jù)來自相近型號： HD ：CSF-17-100 中技克美：XB1-40-100 傳動效率測試工況：輸入轉(zhuǎn)速1000r/min，溫度40° 扭轉(zhuǎn)剛度測試條件：20%額定扭矩內(nèi) 國內(nèi)外工業(yè)機器人主流高精度擺線針輪減速機性能比較如下表所示。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(shù)據(jù)來自相近型號： RV：100C CYCLO：F2CF-C35 傳動效率測試工況：輸出轉(zhuǎn)速15r/min，額定扭矩 2）伺服電機在伺服電機和驅(qū)動方面，目前歐系機器人的驅(qū)動部分主要由倫茨，Lust，博世力士樂等公司提供，這些歐系電機及驅(qū)動部件過載能力，動態(tài)響應(yīng)好，驅(qū)動器開放性強，且具有總線接口，但是價格昂貴。而日系品牌工業(yè)機器人關(guān)鍵部件主要由安川，松下，三菱等公司提供，其價格相對降低，但是動態(tài)響應(yīng)能力較差，開放性較差，且大部分只具備模擬量和脈沖控制方式。國內(nèi)近年來也開展了大功率交流永磁同步電機及驅(qū)動部分基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)，北京和利時，廣州數(shù)控等單位，并且具備了一點的生產(chǎn)能力，但是其動態(tài)性能，開放性和可靠性還需要更多的實際機器人項目應(yīng)用進行驗證。 3）控制器在機器人控制器方面，目前國外主流機器人廠商的控制器均為在通用的多軸運動控制器平臺基礎(chǔ)上進行自主研發(fā)。目前通用的多軸控制器平臺主要分為以嵌入式處理器（DSP，POWER PC）為核心的運動控制卡和以工控機加實時系統(tǒng)為核心的PLC系統(tǒng)，其代表分別是Delta Tau的PMAC卡和Beckhoff的TwinCAT系統(tǒng)。國內(nèi)的在運動控制卡方面，固高公司已經(jīng)開發(fā)出相應(yīng)成熟產(chǎn)品，但是在機器人上的應(yīng)用還相對較少。 5.機器人操作系統(tǒng) 通用的機器人操作系統(tǒng)（robot operating system，ROS）是為機器人而設(shè)計的標準化的構(gòu)造平臺，它使得每一位機器人設(shè)計師都可以使用同樣的操作系統(tǒng)來進行機器人軟件開發(fā)。ROS將推進機器人行業(yè)向硬件、軟件獨立的方向發(fā)展。硬件、軟件獨立的開發(fā)模式，曾極大促進了PC、筆記本電腦和智能手機技術(shù)的發(fā)展和快速進步。 ROS的開發(fā)難度比計算機操作系統(tǒng)更大，計算機只需要處理一些定義非常明確的數(shù)學(xué)運算任務(wù)，而機器人需要面對更為復(fù)雜的實際運動操作。 ROS提供標準操作系統(tǒng)服務(wù)，包括硬件抽象、底層設(shè)備控制、常用功能實現(xiàn)、進程間消息以及數(shù)據(jù)包管理。 ROS分成兩層，低層是操作系統(tǒng)層，高層則是用戶群貢獻的機器人實現(xiàn)不同功能的各種軟件包。現(xiàn)有的機器人操作系統(tǒng)架構(gòu)主要有基于linux的Ubuntu開源操作系統(tǒng)。另外，斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院、德國慕尼黑大學(xué)等機構(gòu)已經(jīng)開發(fā)出了各類ROS系統(tǒng)。微軟機器人開發(fā)團隊2007年也曾推出過一款“Windows機器人版”。 6.機器人的運動規(guī)劃為了提高工作效率，且使機器人能用盡可能短的時間完成特定的任務(wù)，必須有合理的運動規(guī)劃。離線運動規(guī)劃分為路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃。路徑規(guī)劃的目標是使路徑與障礙物的距離盡量遠同時路徑的長度盡量短；軌跡規(guī)劃的目的主要是機器人關(guān)節(jié)空間移動中使得機器人的運行時間盡可能短，或者能量盡可能小。軌跡規(guī)劃在路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上加入時間序列信息，對機器人執(zhí)行任務(wù)時的速度與加速度進行規(guī)劃，以滿足光滑性和速度可控性等要求。示教再現(xiàn)是實現(xiàn)路徑規(guī)劃的方法之一，通過操作空間進行示教并記錄示教結(jié)果，在工作過程中加以復(fù)現(xiàn)，現(xiàn)場示教直接與機器人需要完成的動作對應(yīng)，路徑直觀且明確。缺點是需要經(jīng)驗豐富的操作工人，并消耗大量的時間，路徑不一定最優(yōu)化。為解決上述問題，可以建立機器人虛擬模型，通過虛擬的可視化操作完成對作業(yè)任務(wù)的路徑規(guī)劃。路徑規(guī)劃可在關(guān)節(jié)空間中進行。Gasparetto以五次B樣條為關(guān)節(jié)軌跡的插值函數(shù)，并將加加速度的平方相對于運動時間的積分作為目標函數(shù)進行優(yōu)化，以確保各個關(guān)節(jié)運動足夠光滑。劉松國通過采用五次B樣條對機器人的關(guān)節(jié)軌跡進行插補計算，機器人各個關(guān)節(jié)的速度、加速度端點值，可根據(jù)平滑性要求進行任意配置。另外，在關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃可避免操作空間的奇異性問題。Huo等人設(shè)計了一種關(guān)節(jié)空間中避免奇異性的關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化算法，利用6自由度弧焊機器人在任務(wù)過程中某個關(guān)節(jié)功能上的冗余，將機器人奇異性和關(guān)節(jié)限制作為約束條件，采用TWA方法進行優(yōu)化計算。關(guān)節(jié)空間路徑規(guī)劃與操作空間路徑規(guī)劃對比，具有以下優(yōu)點： ①避免了機器人在操作空間中的奇異性問題； ②由于機器人的運動是通過控制關(guān)節(jié)電機的運動，因此在關(guān)節(jié)空間中，避免了大量的正運動學(xué)和逆運動學(xué)計算； ③關(guān)節(jié)空間中各個關(guān)節(jié)軌跡便于控制的優(yōu)化。五、工業(yè)機器人分類工業(yè)機器人按不同的方法可分下述類型：工業(yè)機器人分類 1.從機械結(jié)構(gòu)來看，分為串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人。 1）串聯(lián)機器人的特點是一個軸的運動會改變另一個軸的坐標原點，在位置求解上，串聯(lián)機器人的正解容易，但反解十分困難； 2）并聯(lián)機器人采用并聯(lián)機構(gòu)，其一個軸的運動則不會改變另一個軸的坐標原點。并聯(lián)機器人具有剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、承載能力大、微動精度高、運動負荷小的優(yōu)點。其正解困難反解卻非常容易。串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人如圖所示。串聯(lián)機器人、并聯(lián)機器人 2.工業(yè)機器人按操作機坐標形式分以下幾類：（坐標形式是指操作機的手臂在運動時所取的參考坐標系的形式。） 1）直角坐標型工業(yè)機器人其運動部分由三個相互垂直的直線移動（即PPP）組成，其工作空間圖形為長方形。它在各個軸向的移動距離，可在各個坐標軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高，控制無耦合，結(jié)構(gòu)簡單，但機體所占空間體積大，動作范圍小，靈活性差，難與其他工業(yè)機器人協(xié)調(diào)工作。 2）圓柱坐標型工業(yè)機器人其運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動和兩個移動組成的運動系統(tǒng)來實現(xiàn)的，其工作空間圖形為圓柱，與直角坐標型工業(yè)機器人相比，在相同的工作空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大，其位置精度僅次于直角坐標型機器人，難與其他工業(yè)機器人協(xié)調(diào)工作。 3）球坐標型工業(yè)機器人球坐標型工業(yè)機器人又稱極坐標型工業(yè)機器人，其手臂的運動由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線移動（即RRP，一個回轉(zhuǎn)，一個俯仰和一個伸縮運動）所組成，其工作空間為一球體，它可以作上下俯仰動作并能抓取地面上或教低位置的協(xié)調(diào)工件，其位置精度高，位置誤差與臂長成正比。 4）多關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人又稱回轉(zhuǎn)坐標型工業(yè)機器人，這種工業(yè)機器人的手臂與人一體上肢類似，其前三個關(guān)節(jié)是回轉(zhuǎn)副（即RRR），該工業(yè)機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂見形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂做回轉(zhuǎn)運動和俯仰擺動，小臂做仰俯擺動。其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，能與其他工業(yè)機器人協(xié)調(diào)工作，但位置精度教低，有平衡問題，控制耦合，這種工業(yè)機器人應(yīng)用越來越廣泛。 5）平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人它采用一個移動關(guān)節(jié)和兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（即PRR），移動關(guān)節(jié)實現(xiàn)上下運動，而兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)則控制前后、左右運動。這種形式的工業(yè)機器人又稱（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的剛性。它結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)的插接、裝配中應(yīng)用廣泛。 3.工業(yè)機器人按程序輸入方式區(qū)分有編程輸入型和示教輸入型兩類： 1）編程輸入型是將計算機上已編好的作業(yè)程序文件，通過RS232串口或者以太網(wǎng)等通信方式傳送到機器人控制柜。 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(lǐng)動執(zhí)行機構(gòu)示教。示教盒示教由操作者用手動控制器（示教盒），將指令信號傳給驅(qū)動系統(tǒng)，使執(zhí)行機構(gòu)按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍。采用示教盒進行示教的工業(yè)機器人使用比較普遍，一般的工業(yè)機器人均配置示教盒示教功能，但是對于工作軌跡復(fù)雜的情況，示教盒示教并不能達到理想的效果，例如用于復(fù)雜曲面的噴漆工作的噴漆機器人。機器人示教盒由操作者直接領(lǐng)動執(zhí)行機構(gòu)進行示教，則是按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍。在示教過程的同時，工作程序的信息即自動存入程序存儲器中在機器人自動工作時，控制系統(tǒng)從程序存儲器中檢出相應(yīng)信息，將指令信號傳給驅(qū)動機構(gòu)，使執(zhí)行機構(gòu)再現(xiàn)示教的各種動作。六、工業(yè)機器人性能評判指標表示機器人特性的基本參數(shù)和性能指標主要有工作空間、自由度、有效負載、運動精度、運動特性、動態(tài)特性等。工業(yè)機器人性能評判指標 1.工作空間（Work space）工作空間是指機器人臂桿的特定部位在一定條件下所能到達空間的位置集合。工作空間的性狀和大小反映了機器人工作能力的大小。理解機器人的工作空間時，要注意以下幾點： 1）通常工業(yè)機器人說明書中表示的工作空間指的是手腕上機械接口坐標系的原點在空間能達到的范圍，也即手腕端部法蘭的中心點在空間所能到達的范圍，而不是末端執(zhí)行器端點所能達到的范圍。因此，在設(shè)計和選用時，要注意安裝末端執(zhí)行器后，機器人實際所能達到的工作空間。 2）機器人說明書上提供的工作空間往往要小于運動學(xué)意義上的最大空間。這是因為在可達空間中，手臂位姿不同時有效負載、允許達到的最大速度和最大加速度都不一樣，在臂桿最大位置允許的極限值通常要比其他位置的小些。此外，在機器人的最大可達空間邊界上可能存在自由度退化的問題，此時的位姿稱為奇異位形，而且在奇異位形周圍相當大的范圍內(nèi)都會出現(xiàn)自由度進化現(xiàn)象，這部分工作空間在機器人工作時都不能被利用。 3）除了在工作空間邊緣，實際應(yīng)用中的工業(yè)機器人還可能由于受到機械結(jié)構(gòu)的限制，在工作空間的內(nèi)部也存在著臂端不能達到的區(qū)域，這就是常說的空洞或空腔?？涨皇侵冈诠ぷ骺臻g內(nèi)臂端不能達到的完全封閉空間。而空洞是指在沿轉(zhuǎn)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(shù)，用以表示機器人動作靈活程度的參數(shù)，一般是以沿軸線移動和繞軸線轉(zhuǎn)動的獨立運動的數(shù)目來表示。自由物體在空間自六個自由度（三個轉(zhuǎn)動自由度和三個移動自由度）。工業(yè)機器人往往是個開式連桿系，每個關(guān)節(jié)運動副只有一個自由度，因此通常機器人的自由度數(shù)目就等于其關(guān)節(jié)數(shù)。機器人的自由度數(shù)目越多，功能就越強。日前工業(yè)機器人通常具有4—6個自由度。當機器人的關(guān)節(jié)數(shù)（自由度）增加到對末端執(zhí)行器的定向和定位不再起作用時，便出現(xiàn)了冗余自由度。冗余度的出現(xiàn)增加了機器人工作的靈活型，但也使控制變得更加復(fù)雜。工業(yè)機器人在運動方式上，總可以分為直線運動（簡記為P）和旋轉(zhuǎn)運動（簡記為R）兩種，應(yīng)用簡記符號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，從基座開始到臂端，關(guān)節(jié)運動的方式依次為旋轉(zhuǎn)-直線-旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)。此外，工業(yè)機器人的運動自由度還有運動范圍的限制。 3.有效負載（Payload）有效負載是指機器人操作機在工作時臂端可能搬運的物體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，允許的最大可搬運質(zhì)量是不同的，因此機器人的額定可搬運質(zhì)量是指其臂桿在工作空間中任意位姿時腕關(guān)節(jié)端部都能搬運的最大質(zhì)量。 4.運動精度（Accuracy）機器人機械系統(tǒng)的精度主要涉及位姿精度、重復(fù)位姿精度、軌跡精度、重復(fù)軌跡精度等。位姿精度是指指令位姿和從同一方向接近該指令位姿時的實到位姿中心之間的偏差。重復(fù)位姿精度是指對同指令位姿從同一方向重復(fù)響應(yīng)n次后實到位姿的不一致程度。軌跡精度是指機器人機械接口從同一方向n次跟隨指令軌跡的接近程度。軌跡重復(fù)精度是指對一給定軌跡在同方向跟隨n次后實到軌跡之間的不一致程度。 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標。在機器人說明書中，通常提供了主要運動自由度的最大穩(wěn)定速度，但在實際應(yīng)用中單純考慮最大穩(wěn)定速度是不夠的，還應(yīng)注意其最大允許加速度。 6.動態(tài)特性結(jié)構(gòu)動態(tài)參數(shù)主要包括質(zhì)量、慣性矩、剛度、阻尼系數(shù)、固有頻率和振動模態(tài)。設(shè)計時應(yīng)該盡量減小質(zhì)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(tǒng)固有頻率將下降，從而導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)不穩(wěn)定；但對于某些作業(yè)（如裝配操作），適當?shù)卦黾尤犴樞允怯欣?，最理想的情況是希望機器人臂桿的剛度可調(diào)。增加系統(tǒng)的阻尼對于縮短振蕩的衰減時間、提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性是有利的。提高系統(tǒng)的固有頻率，避開工作頻率范圍，也有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。七、工業(yè)機器人面臨的技術(shù)挑戰(zhàn) 1、機器人市場外資占九成機器人市場一片欣欣向榮，但是中國機器人產(chǎn)業(yè)卻不容樂觀。根據(jù)市場統(tǒng)計，中國大陸工業(yè)機器人市場為外商廠商所壟斷，日系品牌廠商占52%，歐洲廠商占30%，剩余約10%為中國大陸廠商。由于機器人產(chǎn)業(yè)進入門檻相當高，因此全球機器人市場排名前四大廠商分別為日本發(fā)那科，安川電機、ABB與KUKA，合計達50%的市場占有率。而另一方面，未來30年中國大陸工業(yè)機器人市場將至少保持30%以上的高速增長。為此，全球品牌機器人大廠積極擴大在中國大陸市場上的機器人業(yè)務(wù)銷售規(guī)模，包括發(fā)那科、安川電機、ABB與KUKA等均積極在中國大陸卡位、設(shè)廠。目前中國大陸的工業(yè)機器人雖然產(chǎn)業(yè)化初步取得一些進展，但由于在精度、速度等方面不如國外廠商同類產(chǎn)品，致使這些產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用程度較低，市場份額很??；一些產(chǎn)品的技術(shù)水平僅僅相當于國外上世紀90年代中期的水平。中國機器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟數(shù)據(jù)統(tǒng)計中心主任李曉佳表示，2013年中國購買并組裝近3.7萬臺工業(yè)機器人，其中外資機器人普遍以6軸或以上高端工業(yè)機器人為主，幾乎壟斷了汽車制造、焊接等高端行業(yè)領(lǐng)域，占比96%。而國產(chǎn)機器人主要應(yīng)用還是以搬運和上下料機器人為主，處于行業(yè)的低端領(lǐng)域。值得關(guān)注的是，目前我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展與國外差距有進一步被拉大的風(fēng)險。目前我國機器人產(chǎn)業(yè)總體上還處于起步階段，工業(yè)機器人缺乏品牌認知度，最大的機器人企業(yè)年產(chǎn)機器人僅有幾千臺。隨著國外機器人企業(yè)紛紛將我國作為生產(chǎn)基地，自主品牌工業(yè)機器人企業(yè)發(fā)展空間將進一步被壓縮。同時，由于關(guān)鍵核心部件受制于人，產(chǎn)業(yè)空心化風(fēng)險擴大。工業(yè)機器人三大關(guān)鍵部件（電機和服務(wù)器、減速機、控制系統(tǒng)）主要來源于國外，中國大陸廠商相對缺乏具有競爭力的研發(fā)制造能力，長期依賴進口。由于產(chǎn)業(yè)鏈上游無核心零部件制造商支撐，因此將長期受制于人。 2、工業(yè)機器人面臨的技術(shù)挑戰(zhàn) 我們要清醒地看到中國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的巨大挑戰(zhàn)。首先，機器人的頂層架構(gòu)設(shè)計和基礎(chǔ)技術(shù)被發(fā)達國家控制，在機器人成本結(jié)構(gòu)中比重較大的減速機、伺服電機、控制器、數(shù)控系統(tǒng)都嚴重依賴進口，國產(chǎn)機器人并不具備顯著成本優(yōu)勢。其次，存在低端鎖定的風(fēng)險。一方面，發(fā)達國家不會輕易向中國轉(zhuǎn)移或授權(quán)機器人核心技術(shù)、專利，中國機器人企業(yè)通過參與國際標準制定、技術(shù)合作研發(fā)進入中高端市場的阻礙很多；另一方面，地方政府對產(chǎn)業(yè)的盲目投資可能形成過剩產(chǎn)能，導(dǎo)致重復(fù)建設(shè)和低價競爭。再次，機器人研發(fā)、制造與應(yīng)用之間缺乏有效銜接。機器人相關(guān)技術(shù)研發(fā)領(lǐng)先的高校和院所并不具備市場開拓能力，而企業(yè)在基礎(chǔ)研發(fā)上的投入還非常低，國內(nèi)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合又存在諸多體制機制障礙，導(dǎo)致研發(fā)與制造環(huán)節(jié)脫節(jié)。針對外資壟斷國內(nèi)市場的現(xiàn)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(shù)的跟蹤研究，制定出臺符合我國發(fā)展實際的“機器人技術(shù)路線圖”，明確技術(shù)發(fā)展的步驟、重點突破的關(guān)鍵核心技術(shù)、工藝與零部件以及產(chǎn)業(yè)化路徑。其次，是要確立符合我國發(fā)展實際的機器人發(fā)展模式。加強行業(yè)細分領(lǐng)域的集成應(yīng)用，加強產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合的集體攻關(guān)，重點突破關(guān)鍵核心部件，盡快形成機器人本體、關(guān)鍵零部件、系統(tǒng)集成商等機器人全產(chǎn)業(yè)鏈的整體推進。另外，要加快培育工業(yè)機器人龍頭企業(yè)和品牌。我國應(yīng)將培育與發(fā)展自主品牌工業(yè)機器人作為打造中國經(jīng)濟升級版的一項重要任務(wù)。出臺工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)目錄，協(xié)同推進開展工業(yè)機器人的國產(chǎn)化工作。編輯：lyn

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