關于工業(yè)機器人技術
| 一、技術概述 工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。 機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。 二、現(xiàn)狀及國內外發(fā)展趨勢 國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢： 1．工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10．3萬美元降至97年的6．5萬美元。 2．機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。 3．工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 4．機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 5．虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。 6．當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。 7．機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。 我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距；在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。 我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000米水下無纜機器人的成果居************水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種；在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。 三、“十五”目標及主要研究內容 1．目標 根據(jù)國內外機器人發(fā)展的經(jīng)驗、現(xiàn)狀及近幾年的動態(tài)，結合當前國內經(jīng)濟發(fā)展的具體情況，“十五”期間機器人技術應重點開展智能機器人、機器人化機械及其相關技術的開發(fā)及應用；開展以機器人為基礎的重組裝配系統(tǒng)及其相關技術的開發(fā)研究及加強多傳感器融合及決策、控制一體化技術及應用的研究。重點解決我國已研制應用多年的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)化前期關鍵技術，大力推進其產(chǎn)業(yè)化進程，力爭在“十五”末期實現(xiàn)噴涂、焊接、裝配等機器人的產(chǎn)業(yè)化。 2．主要研究內容 （1）示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化技術研究 ①關節(jié)式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產(chǎn)品標準化、通用化、模塊化、系列化設計。 ②柔性仿形噴涂機器人開發(fā)：柔性仿形復合機構開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)，整機安全防爆、防護技術開發(fā)，高速噴杯噴涂工藝研究。 ③焊接機器人（把弧焊與點焊機器人作為負載不同的一個系列機器人，可兼作弧焊、點焊、搬運、裝配、切割作業(yè)）產(chǎn)品的標準化、通用化、模塊化、系列化設計。 ④弧焊機器人用激光視覺焊縫跟蹤裝置的開發(fā)：激光發(fā)射器的選用，CCD成象系統(tǒng)，視覺圖象處理技術，視覺跟蹤與機器人協(xié)調控制。 ⑤焊接機器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動態(tài)仿真。 ⑥電子行業(yè)用裝配機器人產(chǎn)品標準化、通用化、模塊化、系列化設計。 ⑦批量生產(chǎn)機器人所需的專用制造、裝配、測試設備和工具的研究開發(fā)。 （2）智能機器人開發(fā)研究 ①遙控加局部自主系統(tǒng)構成和控制策略研究 包括建模－遙控機器人模型，人行為模型，人控制動態(tài)建模，圖形仿真建模，虛擬工具和虛擬傳感器建模；以人為主體的人機共享規(guī)劃與控制；局部自治控制；多傳感融合技術；雙向力反應控制；知識庫的建立，學習與推理方法；人機交互的高級控制技術；虛擬現(xiàn)實（VR）控制與真實世界控制的相互關系；監(jiān)控系統(tǒng)的結構。 ②智能移動機器人的導航和定位技術研究 包括導航和定位系統(tǒng)的系統(tǒng)結構；在結構環(huán)境或非結構環(huán)境中導航和定位方法研究；感知系統(tǒng)的傳感器和信息處理系統(tǒng)的構成；根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)建立環(huán)境模型的方法；模糊邏輯的推理方法用于移動機器人 導航的研究。 ③面向遙控機器人的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng) 包括人機交互圖形生成及其程序設計；遙控機器人（載體和機械手）幾何動態(tài)圖形建模；遙控操作環(huán)境圖形建模；遙控機器人操作與數(shù)據(jù)的獲?。惶摂M傳感器及基于虛擬傳感器的雙向力反應、反饋控制；面向任務的虛擬工具；基于虛擬現(xiàn)實的遙控操作的理論與方法；基于VR模型操作和真實世界操作的可切換、相容性和可交換性；VR監(jiān)控系統(tǒng)。 ④人機交互環(huán)境建模系統(tǒng) 包括CAD建模中的人機交互技術；求知模型工件的反示過程中的交互技術；機器人與環(huán)境的布局及功能驗證中的交互技術；傳感器數(shù)據(jù)處理中的交互技術；機器人標定、運動學建模、動力學建模中的交互技術。 ⑤基于計算機屏幕的多機器人遙控技術 包括三維立體視覺建模；模型的計算機顯示；遙控機器人模型的控制；人機接口；網(wǎng)絡通訊。 （3）機器人化機械研究開發(fā) ①并聯(lián)機構機床（VMT）與機器人化加工中心（RMC）開發(fā)研究 包括VMT與RMC智能化結構實現(xiàn)技術；VMT與RMC關鍵傳動實現(xiàn)技術；VMT與RMC加工、裝配、擺放、涂膠、檢測作業(yè)技術；VMT與RMC監(jiān)控檢測技術開發(fā)；VMT與MRC智能化開式CMC控制系統(tǒng)開發(fā)；系統(tǒng)軟件和應用軟件開發(fā)；智能化機構、材料機電一體化技術；作業(yè)狀態(tài)變量智能化傳感技術；機電一體化的多功能及靈巧作業(yè)終端；通用智能化開式CNC控制硬軟件系統(tǒng)；并聯(lián)機構運動學及動力學理論；RMC智能控制理論；VMT與RMC典型應用工程開發(fā)。 ②機器人化無人值守和具有自適應能力的多機遙控操作的大型散料輸送設備 包括散料輸送系統(tǒng)監(jiān)控和遙控操作的傳感器融合和配置技術；采用智能傳感器的現(xiàn)場總線技術；機器人運動規(guī)劃在等量堆取料、自主操作中的應用；基于廣域網(wǎng)的遠程實時通訊；具有監(jiān)測和管理功能的故障診斷系統(tǒng)。 （4）以機器人為基礎的重組裝配系統(tǒng) ①開放式模塊化裝配機器人 包括通用要素的提??；專用件標準化；裝配機器人模塊CAD設計；通用主流計算機構造的控制器；人機界面方式；網(wǎng)絡功能。 ②面向機器人裝配的設計技術 包括數(shù)字化裝配與CAD集成技術；產(chǎn)品機器人化裝配規(guī)劃生成技術；產(chǎn)品可裝配性模糊評價。 ③機器人柔性裝配系統(tǒng)設計技術 其中單元技術：供料系統(tǒng)智能化設計、末端執(zhí)行器快速執(zhí)行、物流傳輸及其控制與通訊；集成技術：柔性裝配線仿真軟件、管理系統(tǒng)。 ④可重構機器人柔性裝配系統(tǒng)設計技術 開展基于任務和環(huán)境的動態(tài)重構機器人柔性裝配系統(tǒng)理論研究；系統(tǒng)基于自治體（Agent）的分布式控 |
