工业机器人的起源及发展前景

作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段，工业机器人已经成为衡量一个国家 制造水平和科技水平的重要标志。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。本文将从工业机器的发展历史，现状及未来趋势进行阐述。

一、工业机器人的发展历史  

工业机器人诞生于 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.在我国,工业机器人的真正使用到现在已经接近20 多年了，已经基本实现了试验,引进到自主开发的转变,促进了我国制造业,勘探业等行业的发展.随着我国改革 开放的逐渐深入,国内的工业机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击,因此,掌握国内工业机器人市场的实际情况,把握我国工业机器人的相关技术与研究进展,显得十分重要。   

二、工业机器人技术现状  

2.1 工业机器人技术概念  

工业机器人由操作机(机械本体) ,控制器,伺服驱动系统和检测传感装置构成, 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.特别适合于多品种,变批量的柔性生产.它对稳定,提高产品质量, 提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用.机器人技术是 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.机器人应用情况,是一个国家工业自动化水平的重要标志.机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置, 既有人对环境状态的快速反应和分 析判断能力,又有机器可长时间持续工作,精确度高,抗恶劣环境的能力,从某种意义 上说它也是机器的进化过程产物,它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。   

2.2 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. 采用基于 PC 的开放结构的控制系统已成为一股潮 3) 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 Script V.10通用语言,运行于该公司的通用机器人控制器 URC 的 Win NT/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-232,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。   

三、工业机器人发展趋势  

3.1工业机器人技术发展趋势  

随着计算机技术的不断向智能化方向发展, 机器人应用领域的不断扩展和深化以及 在系统(FMS,CIMS)中的群体应用,工业机器人也在不断向智能化方向发展,以适应 "敏捷制造" (AgileManufacturing) ,满足多样化,个性化的需要,并适应多变的非结 构环境作业,向非制造领域进军. (1)感觉功能:感觉功能方面将实现多传感器信息的融合,以检测多变的外部环境, 做出判断和决策,其实质类似于人的五官和身体的综合感觉功能,包括视觉,触觉, 力 觉,滑觉,接近觉,压觉,听觉,味觉,臭觉,温觉等.研究包括各类传感信息的采集 及融合处理,传感器与驱动器一体化技术,感觉功能继承模块等. (2)控制智能化:由引导教向 NC,离线编程发展,进而发展到进一步应用.随着系统 化,集成化生产的发展,基于 PC 的开放式控制系统将机器人控制和车间一级控制的发 展方向,国外专家预测,2007年它将占30%. (3)移动功能的智能化:为解决长距离搬运作业,大作业对象,多作业对象及极限作 业等问题,需开发自主移动系统(包括滑动,滚动,行走,爬行,跳跃,飞行等) . (4)系统应用与集成化:支持以人为核心的生产系统,实现生产系统中机器人群体协 调功能,群智能和多机通讯协议,开发能理解人的意志的"同事机器人" .国外专家预 测,2000你后有可能 IMS 要走向 MA(R)S(多智能体系统) ,而该系统中的"同事机器人" (Cobot)将成为操作人员不可或缺的伙伴.围绕着各种机器人与人共存的诸多课题, 正在兴起一门新学科"软机器人学" . (5)安全可靠性:由于大量不确定因素的存在,要实现智能化的安全可靠性,机器人 必须具有对各种意外情况的应变能力,及时采取预防措施和安全对策,包括硬件级, 软 件级,应用级和人机系统级的自诊断和自修复故障. (6)微型化:向微型化发展,开发毫米级机器人,用于微加工,医学,宇宙和海洋开 发等领域.就使用性和成本来看,毫米级最可行. (7)多传感器信息融合与配置技术:①机器人的传感器配置和融合技术在水泥生产过 程控制和污水处理自动控制系统中的应用包括面向工艺过程的多传感器融合和配置技 术;采用智能传感器的现场总线技术;面向工艺要求的新型传感器研制.②机电一体化 智能传感器:包括具有感知,自主运动,自清污(自调整,自适应)的机电一体化传感 器研究;面向工艺要求的运动机构设计,实现检测和清污的自主运动;调节控制系统; 机器人机构和控制技术在传感器设计中的应用。

3.2工业机器人的产业发展趋势

据UNECE/IFR预测,至2007年,全球新安装装机器人的数量将从2003年的81800套增至2007年的106000套,年平均增长7%。其中,日本2003-2007年工业机器人的销售将从2003年的31600增长至2007年的41000套;欧洲2003-2007年工业机器人将从2003年的27100套增长至2007年的34000套;北美2003-2007年工业机器人市场每年平均增长5.8%,至2007年将增长到16000套。  

四 结语  

工业机器人市场竞争越来越激烈,中国制造业面临着与国际接轨,参与国际分工的 巨大挑战,加快工业机器人技术的研究开发与生产是我们抓住这个历史机遇的主要途 径.因此我国工业机器人行业要认识到以下几点情况:第一,工业机器人技术是我国由制 造大国向制造强国转变的主要手段和途径,政府要对国产工业机器人有更多的政策与经 济支持,参考国外先进经验,加大技术投入与改造;第二,在国家的科技发展计划中,应该继 续对智能机器人研究开发与应用给予大力支持,形成产品和自动化制造装备同步协调的 新局面;第三,部分国产工业机器人已经与国外相当,企业采购工业机器人时不要盲目进 口,应该综合评估,立足国产。

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