工业机器人拥抱互联网 异军突起掘金新蓝海
2020-8-19 来源：-- 作者：肖永清
工业机器人自20世纪60年代问世以来，其研究和开发在工业发达国家中一直备受青睐。为提高机器人控制系统设计的工作效率,把控制系统的硬件部分和软件部分按功能分解成一系列标准模块,将标准模块按照实际需要的设计结构进行组合,即可实现机器人控制系统的设计。采用这种模块化方法实现机器人控制系统设计上的简单化,功能上的灵活化。
1.组合式工业机器人设计思路
在人工智能、云计算、大数据等技术的兴起下，我国已经成为全球最大的工业机器人消费市场以及世界最大的潜在服务机器人市场，智能机器人产业发展拥有得天独厚的基础优势。技术迭代：人机共融有可能成为智能机器人技术发展重要方向。由于起步较晚、技术滞后等多重因素，我国智能机器人产业发展与国际领先水平仍然存在较大差距需奋力追赶。因而客观看待我国智能机器人产业发展的优势和劣势，推进核心技术突破，在借鉴国际经验的基础上推动我国智能机器人产业做大做强、实现高质量发展，已经成为业界关注的焦点。
随着人类文明的不断发展和社会进步，科技已经深入到了人们生活的方方面面。智能化在现实生活中的应用越来越广泛。在当今社会，人们的工作与学习愈加繁忙，机械自动化便顺理成章地成为了社会发展的趋势，这样可以极大地提高工作效率。机器人若要实现智能化就必须要能独立感知外界环境并作出及时的判断与处理，随后触发指令并完成相应的动作。
机器人系统集成供应商相较于机器人本体供应商而言还要具有产品设计能力、对终端客户应用需求的工艺理解、相关项目经验等，提供可适应各种不同应用领域的标准化、个性化成套装备。目前机器人技术领域的研究工作从智能化程度来区分，主要分2个方向：一是全功能通用机器人的研究，追求高智能化，即在计算机控制下的视、触、听、嗅觉与肢体动作协调一致、高度拟人化的机器人；二是不过于强调机器人的智能化，提供价格和性能都能令人满意的简易型机器人。根据我国的实际情况，工业机器人技术开发的思路应从以下方面进行考虑：应能开发出市场急需的、功能实用的、满足用户要求的机器人。为此，应强调功能实用性，不片面追求所谓的高科技和全面先进性，先进并不等于实用；能够在尽可能短的时间内实现机器人产品的快速制造，快速投放市场发往用户；能够生产出品质优良的机器人产品，机器人配置中关键部件必要时可采用进口产品，只有质量好的机器人产品才能赢得用户；价格往往是用户购置机器人时考虑的首要因素。机器人开发应尽可能选用标准件、通用件，减少自制件，控制成本，能够向市场提供价格低廉的机器人产品；采用模块化的设计理念和配置组合、系统集成的制造思路。从产业链的角度看，机器人本体是机器人产业发展的基础，而下游系统集成则是机器人商业化、大规模普及的关键。目前，国内的机器人企业多为系统集成商。根据国际经验来看，国内的机器人产业发展更接近于美国模式，即以系统集成为主，单元产品外购或贴牌，为客户提供交钥匙工程。中国机器人市场基础低、市场大。中国机器人产业化模式较可行的是从集成起步至成熟阶段采用分工模式。
在工业架构内,机器人密切关联着供料路径、自动物流线路,它们创设了自动架构的装配。在物流线路上,完成日常装配。小型的、多关节类的机器人被归类为数控类别,它含有设定好的关节坐标。运动着的关节轴配有编码器,伺服电动机这一配件增设了驱动。设计机器人时,选取半闭环的、开放架构下的位置反馈体系,构建数控系统。
工业机器人产业是一个集系统集成、先进制造和精密配套融合一体的产业，是一个需要技术、制造、研发沉淀经验的行业。从我国机器产业链发展来看，由于受核心技术限制等多方面因素影响，工业机器人产业目前获得突破的主要为系统集成领域。
2.工业机器人组合式模块化结构设计
在全球化经济中，发达国家维持制造业优势的重要因素，就是在技术研发方面的持续投入。技术研发经费的持续投入大大加快了机器人技术的进步，直接推动了机器人产业的普及。另一方面因为人口老化和高技能人才短缺。由于人口老化带来的劳动力老化，以及科学、技术、工程、数学方面的人才短缺将对经济造成冲击，随着人口不断老化，机器人替代人工作的需求也越来越大。我国机器人下游需求较大。需求领域大致可分为C端和B端。目前C端以个人情感陪伴、残障辅助、家庭作业、教育类为主，需求培育还有待时间；B端更多实际需求，如酒店服务、医院服务、安防服务等，如借助销售模式创新，将很快看到需求爆发。
近年来，国内机器人产业发展迅猛，机器人数量快速增长，并逐渐渗透到生活的各领域，展现出了巨大的经济活力。随着机器人设计研究的多领域开发，智能化、情感化是未来机器人设计研究的主要方向之一。智能化是机器人设计研究的主要趋势之一。随着机器人的应用范围的扩大，建筑、农业、采矿、灾难救援等非制造行业、国防军事领域、医疗领域、日常生活领域等对机器人的需求越来越大。因此，适合应用的更为智能的机器人技术必将成为未来研究的热点。随着机器人逐渐深入到人类生活的各领域，与人们的接触增多，人们对机器人设计也有了更高的要求。机器人不仅要在功能满足人们的使用需求，还要在形象上满足人们的审美、情感需求，能够反馈给人们亲切舒心、积极向上的信息，方便人们的情感交流。僵硬冰冷的工业机器人形象已经不能满足时代的审美需求，人们需要更加有情感的机器人形象。人形机器人是大多数人心中的理想形态，相比与传统的机器人，未来机器人在外观上更加倾向于拟人化，质感也更丰富，看起来更亲和。
机器人的设计与大多数机械设计过程相同；首先要知道设计机器人的目的，机器人能实现的功能，以及其活动空间（有效工作范围）。了解基本的要求之后，接下来的工作就好作了。首先是根据基本要求确定机器人的种类，是行走的提升（举升）机械臂、还是三轴的坐标机器人、还是六轴的机器人等。选定了机器人的种类也就确定了控制方式，也就有了在有限的空间内进行设计的指导方向。接下来的要做的就是设计任务的确定。这是一个相对复杂的过程，在实现这一复杂过程的第一步是将设计要求明确的规定下来；第二步是按照设计要求制作机械传动简图，分析简图，制定动作流程表（图），初步确定传动功率、控制流程和方式；第三步是明确设计内容，设计步骤、攻克点、设计计算书、草图绘制，材料、加工工艺、控制程序、电路图绘制；第四步是综合审核各方面的内容，确认生产。
通过对常用配置方式(常规坐标型)的机器人的运动分析可看到以下两点：基本动作可分解为体升降、臂伸缩、体旋转、臂旋转、腕旋转等；基本运动形式可分为直线运动和旋转运动两类。在设计机器人时，可充分利用能够实现直线运动和旋转运动的通用部件(气、液、电等)来进行功能组合，也就是说可将经过合适选择的通用部件作为模块来进行集成。这些部件可作为一个独立的基本模块，也可将几个部件组合为一个复合模块。配置方式应根据产品最终实现的功能要求来确定，模块的分解也是基于产品应满足的功能要求下的模块分解。
对所要设计的工业机器人进行功能分析，划分并设计出一系列通用的功能模块，并对这些模块进行选择和组合配置，就可以构成不同功能，或功能相近但性能不同、价格不同的机器人产品。可见，在工业机器人设计中，采用组合式、模块化设计思路可以很好地解决产品品种、规格与设计制造周期和生产成本之间的矛盾。工业机器人的组合式模块化设计也为机器人产品快速更新换代、提高产品质量、方便维修、增强竞争力提供了条件。
工业机器人由于操作机运动部件多，运动状态经常改变，必然产生冲击和振动，采用最小运动惯量原则，可增加操作机运动平稳性，提高操作机动力学特性。设计时应注意在满足强度和刚度的前提下，尽量减小运动部件的质量，并注意运动部件对转轴的质心配置。当设计要求满足一定工作空间要求时，通过尺度优化以选定最小的臂杆尺寸，这将有利于操作机刚度的提高，使运动惯量进一步降低。由于操作机从手腕、小臂、大臂到机座是依次作为负载起作用的，选用高强度材料以减轻零部件的质量是十分必要的。操作机设计中，刚度是比强度更重要的问题，要使刚度最大，必须恰当地选择杆件剖面形状和尺寸，提高支承刚度和接触刚度，合理地安排作用在臂杆上的力和力矩，尽量减少杆件的弯曲变形。机器人操作机因机构复杂、环节较多，可靠性问题显得尤为重要。一般来说，元器件的可靠性应高于部件的可靠性，而部件的可靠性应高于整机的可靠性。可通过概率设计方法设计出可靠度满足要求的零件或结构，也可通过系统可靠性综合方法评定操作机系统的可靠性。机器人操作机是一种高精度、高集成度的自动机械系统，良好的加工和装配工艺性是设计时要体现的重要原则之一。仅有合理的结构设计而无良好的工艺性，必然导致操作机性能的降低和成本的提高。
目前,模块化机器人的模块划分办法有很多,大部分机器人均是采取自顶向下的办法进行设计,此种设计办法比较注重模块的结构,如果使用现有的机器人模块便会存在一定的难度,其只适用于设计全新模块化机器人。由于自底向上的模块化设计办法是基于已有机器人而开展的,其可以使已有资源得到充分地应用,最大限度地减少设计成本。随着敏捷制造时代的到来，模块化设计会越来越显示出其独到的优越性。
3.点焊机器人系统和弧焊机器人系统在车身焊接中的应用
焊接行业技术人才缺口大，企业普遍存在用工难题。为客户设计工法丰富、性能卓越、扩展能力强的焊接机器人，能够有效降低生产成本、提高产品质量和生产效率。机器人在推动产业提质增效方面将发挥更大的作用，产业未来发展潜力无限。特种机器人产品被广泛应用在消防、应急救援、反恐、军工、矿山、石油石化、电力等众多领域。巨大的市场需求将带来产业发展的广阔空间。大力发展机器人产业项目，尽快形成配套设施完善、整体竞争能力强、有较大市场规模的机器人产业集群。焊接机器人是在工业机器人基础上发展起来的先进焊接设备,是从事焊接(包括切割与喷涂)的工业机器人,主要用于工业自动化领域。其主要优点在于稳定性并能提高焊接质量和生产率、改善劳动条件等。
焊接机器人广泛用于汽车及其零部件制造、摩托车生产、工程机械等行业,在汽车生产的冲压、焊装、涂装、总装四大生产工艺过程中都有广泛应用,其中应用最多的是弧焊、点焊。随着电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展，自动焊接机器人从开始用于生产以来,其技术已日益成熟,稳定和提高焊接质量,能将焊接质量以数值的形式反映出来;提高劳动生产率;改善工人劳动强度,可在有害环境下工作;降低对工人操作技术的要求;缩短了产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资。因此，在各行各业已得到广泛的应用。
焊接机器人是从事焊接(包括切割与喷涂)的工业机器人。根据国际标准化组织(ISO)工业机器人属于标准焊接机器人的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机，具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊(割)枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。
点焊对焊接机器人的要求不是很高。因为点焊只需点位控制，至于焊钳在点与点之间的移动轨迹没有严格要求，这也是机器人最早只能用于点焊的原因。点焊用机器人不仅要有足够的负载能力，而且在点与点之间移位时速度要快捷，动作要平稳，定位要准确，以减少移位的时间，提高工作效率。点焊机器人需要有多大的负载能力，取决于所用的焊钳形式。
对于用与变压器分离的焊钳，30～45kg负载的机器人就足够了。但这种焊钳一方面由于二次电缆线长，电能损耗大，也不利于机器人将焊钳伸入工件内部焊接;另一方面电缆线随机器人运动而不停摆动，电缆的损坏较快。因此，目前逐渐增多采用一体式焊钳。这种焊钳连同变压器质量在70kg左右。考虑到机器人要有足够的负载能力，能以较大的加速度将焊钳送到空间位置进行焊接，一般都选用100～150kg负载的重型机器人。为了适应连续点焊时焊钳短距离快速移位的要求。新的重型机器人增加了可在0.3s内完成50mm位移的功能。这对电机的性能，微机的运算速度和算法都提出更高的要求。
焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。机器人由机器人本体和控制柜(硬件及软件)组成。而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由焊接电源，(包括其控制系统)、送丝机(弧焊)、焊枪(钳)等部分组成。对于智能机器人还应有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置等。世界各国生产的焊接用机器人基本上都属关节机器人，绝大部分有6个轴。其中，1、2、3轴可将末端工具送到不同的空间位置，而4、5、6轴解决工具姿态的不同要求。
早期开发的平行四边形机器人工作空间比较小(局限于机器人的前部)，难以倒挂工作。但80年代后期以来开发的新型平行四边形机器人，已能把工作空间扩大到机器人的顶部、背部及底部，又没有测置式机器人的刚度问题，从而得到普遍的重视。这种结构不仅适合于轻型也适合于重型机器人。近年来点焊用机器人多选用平行四边形结构形式的机器人。
上述两种机器人各个轴都是作回转运动，故采用伺服电机通过摆线针轮(RV)减速器及谐波减速器驱动。早期对于电驱动的机器人都是用直流伺服电机，而后来各国先后改用交流伺服电机。由于交流电机没有碳刷，动特性好，使新型机器人不仅故障率低，而且免维修时间大为增长，加(减)速度也快。一些负载16kg以下的新的轻型机器人其工具中心点(TCP)的最高运动速度可达3m/s以上，定位准确，振动小。同时，机器人的控制柜也改用32位的微机和新的算法，使之具有自行优化路径的功能，运行轨迹更加贴近示教的轨迹。
4.我国机器人行业的未来发展机遇与趋势
得益于既有市场空间尚未饱和，细分领域空间开发提速，全球机器人产业市场增长具有较大潜力。工业机器人市场是其中最大的部分，占据总市场份额的一半以上，工业机器人正迎来整个产业发展的黄金机遇期，通过政策和产业路线图规划设计谋求在机器人领域的技术或应用优势，已经成为世界各国发展机器人产业的典型经验和共性做法。如美国政府制定系列化举措支持机器人产业发展，以确保美国在机器人领域的领先地位。日本政府则明确自身机器人产业的全球定位，计划在制定包括安全对策在内的方针，以便在公共道路上进行无人快递机器人配送试验。欧盟启动全球最大民用机器人项目，增强机器人技术的竞争力和领先地位。随着市场认知和成熟度的提高以及场景应用融合度的增加，服务机器人和特种机器人领域在未来3～5年应该会有更强的表现，机器人产业三足鼎立的格局不会太遥远。
机器人软件和算法决定了机器人在语言识别、图像识别、自然语言处理等方面的作业能力，大大增强了产品的“软实力”。国际机器人企业更加注重软件系统和控制算法。通过深耕软件及算法，业内企业可对机器人产品进行智能优化，同时能够向平台、网络、人工智能等方向拓展。尽管目前国产工业机器人减速机研发困难重重，国内产品的性能与国际水平还存在一定差距，但是整体产品的质量在逐步提高。目前国内部分上市公司已经开始积极布局精密减速机业务，从投资角度出发可重点关注在核心零部件环节有重点布局的企业。
协作型机器人具备小型、轻量化、高度集成等机器人发展最新趋势，目前正处于市场推广阶段，未来此类机器人将主要适用于增长快速的电子行业，满足其柔性化、灵活性、高精度的作业要求。目前研发协作型机器人的企业分成三类:一是拥有核心技术的创新型企业;二是传统工业机器人巨头;三是互联网企业。人机协作型机器人正在抢占下一个风口。机器人已成为衡量国家创新能力和产业竞争力的重要标志之一，具有广阔的市场前景。随着人口老龄化和医疗产业升级，医疗机器人被各国看好，预示着医疗服务机器人未来良好的发展态势。软件和算法引领服务机器人智能化发展。目前，我国机器人产业拥有较大投资机会。
当前，随着全球新一轮科技革命和产业变革的兴起，产业跨界融合日益明显，制造模式和企业形态正在发生重大变化。制造业的数字化、网络化、智能化成为发展趋势。各国都把制造业放在经济发展战略的优先位置。这些举措的共同点都是大力推动技术创新，加快发展先进制造业，提高全社会的综合生产率，与我国推动制造业高质量发展有异曲同工之处。
汽车工业仍为工业机器人主要用户。现阶段汽车工业制造厂商仍然是工业机器人的大用户，未来工业机器人主要需求也仍在汽车工业。因此，汽车工业使用机器人未来发展空间巨大。双臂协力型机器人为工业机器人市场新亮点。随着人力成本持续增长，包括组装代工大厂与中小企业等的人力成本负担相对沉重，加上人口老化严重国家劳动人力短缺，使得双臂协力型机器人成为其降低人事成本、提高生产效率与补足劳力缺口等的解决方案。
服务机器人方面，现阶段以扫地机器人、娱乐机器人及医疗看护机器人等支撑整体市场。服务机器人市场成长动能十分可期：人工智能进步使服务机器人具备与人类沟通互动功能，促使生活陪伴型服务机器人成为市场新生力军。此外，部分国家地区农业人口高龄化日益严重，因此也会带动农业机器人的增长需求。伴随劳动力的结构性短缺以及劳动力成本的急剧上升，我国人口红利时代即将结束，面临迫切产业转型升级的需求，这使国内机器人产业迎来了大发展的春天。中国机器人密度明显低于发达国家，中国机器人市场的需求与供给存在庞大的缺口，未来市场空间巨大，这将为我国集中资源，发展国产机器人产业提供强劲动力。
机器人作为先进制造业的代表行业，具有广阔的市场空间和发展前景，也面临着难得的发展机遇。近年来，工业和信息化部会同有关部门，综合施策，以创新为引领，以需求为带动，以企业为主体，充分发挥市场在资源配置中的决定性作用。推动机器人产业在核心技术研发、产业链构建、应用领域拓展、区域集聚发展等方面取得一定成效。
整体上，我国机器人产业近年来取得了令人瞩目的成就。人机协作机器人、云智能机器人等工业机器人新品不断涌现，关键零部件的技术水平持续提升。手术机器人等服务机器人的产品类型日益丰富，运用领域快速拓展。工业机器人在我国机器人市场上一直占有主导地位，虽然如此，但我国机器人产业仍面临着诸多新的挑战，如，核心技术尚待突破、应用领域有待拓展、法律法规体系亟待完善等，我国机器人行业发展挑战仍存需着力应对。
当前，我国机器人产业发展正面临着无数的机遇和挑战，如何把握趋势，化阻力为动力依然是发展的关键。一方面，政府相关部门应在资金、税收、产品销售补贴等方面出台相应的扶持政策，提高国产工业机器人使用率。另一方面，企业应不断提升自主研发创新能力，完善人才队伍建设，参与国际竞争。行业相关部门应加强行业规范管理，逐步完善机器人产业标准和检测认证体系，规范市场秩序，避免良莠不齐，质低价廉的恶性竞争。只有企业、行业和政府通力合作，练好内功，才能推动中国机器人产业走向真正的成熟与壮大。
机器人产业作为全球科技创新的重要发力点，未来5～10年会持续活跃在创新最前沿。机器人产业是当前人工智能、大数据、互联网等科技浪潮的重要科技创新融合点，是先进制造、产业升级等重要产业应用的结合点。未来机器人技术研究趋势如下：机器电子结构的标准化、模块化、微型化及具有可重构重；新型传感器和多传感器融合技术；伺服驱动技术的数字化、集成化及分散化；新型智能技术，如虚拟技术；控制技术的开放化、网络化及PC化。未来军事领域,以机器人为代表的无人系统将发挥重大作用。国内在军民融合方面取得了长足的进步,但军口技术应用到民口,存在成本高、竞争优势不明显等问题;民口技术在军口的转化,存在整合难度大以及与军口应用部门对接不畅的问题。加快发展军事领域的机器人产品,需加大军民融合力度。把握机器人产业的创新发展大势，精准施策，特色化发展机器人产业，对于区域竞争创新发展，产业蝶变升级的重大意义显而易见。
5.结束语
综上所述，机器人既是先进制造业的代表行业，也是制造业高质量发展的重要支撑，同时还是改善人类生活方式的重要切入点。在我国社会经济与科技迅速发展的过程中，日趋完善的计算机控制技术、网络技术以及人工智能理论的发展背景下，工业机器人的应用将更加的广泛，对于尤其机械行业未来发展也具有至关重要的作用。机器人具有广阔的市场空间和发展前景，也面临着难得的发展机遇。
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