工业机器人论文
工业机器人技术
摘要: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。机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自20世纪代初问世以来，经历了近的发展已取得显著成果。走向成熟的工业机器人，各种用途的特种机器人的实用化，昭示着机器人技术灿烂的明天。
关键词：工业机器人起源工作原理关键技术趋势
前言：工业机器人是机器人的一种。机器人可以代替或者协助人类完成各种工作，凡是枯燥的、危险的、有毒的、有害的工作，都可由机器人大显身手。机器人除了广泛应用于制造业领域外，还应用于资源勘探开发、救灾排险、医疗服务、家庭娱乐、军事和航天等其他领域。机器人是工业和非产业界的重大生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。工业机器人作为一种特殊的自动化设备，具备智能技术，所以工业机器人在传统产业的应用将大大的提升企业产品的竞争力，促进产品的更新换代，对国家经济产生巨大的推动作用。而在科学研究，资源勘探方面，工业机器人可替代人的大部分工作，因此促进了国家的可持续发展，并增强了国家的国际地位。在国防领域工业机器人的研究更是层出不穷，特别是在强调零伤亡战争的今天，机器人可替代士兵前往危险的前沿地区，而且没有人性的一些弱点，增强了战斗力，为国家创造了一个和平安定的环境。
一、工业机器人的起源
（1）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。
（2）工业机器人技术现状
1.1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。
1.2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(占日本安装台数的10%,销售额的36%)
(1)机械结构:1)已关节型为主流,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.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)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RobotScriptV.10通用语言,运行于该公司的通用机器人控制器URC的WinNT/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。
二、工业机器人的结构及工作原理
（1）概述
机器人系统是由机器人和作业对象及环境共同组成的，其中包括机器人机械系统，驱动系统，控制系统，和感知系统四的部分组成。可以说机器人的组成部分与人类极为类似。一个典型的机器人有一套可移动的身体结构、一部类似于马达的装置、一套传感系统、一个电源和一个用来控制所有这些要素的计算机“大脑”。从本质上讲，机器人是由人类制造的“动物”，它们是模仿人类和动物行为的机器。
（2）结构
工业机器人的机械系统包括机身，臂部，手腕，末端操作器和行走机构等部分组成，每一部分都有若干自由度的机械系统。此外，有的机器人还具有行走机构，若具有行走机构则构成行走机器人，若没有则构成单机器人手臂。工业机器人的机械机械系统相当于人的身体（骨骼，手，臂，腿等）。
驱动系统主要是指驱动机械系统动作的驱动装置。这部分的作用相当于人的肌肉。根据驱动源的不同，驱动系统分为电气，液压，气压以及把它们结合起来应用的综合系统。电气驱动在工业机器人中应用的最为广泛，主要分为步进电动机，直流伺服电机和交流伺服电机三种。液压驱动运动平稳，且负载能力大，对于重载的搬运和零件加工机器人，采用液压驱动比较合理。但液压驱动管道复杂，清洁困难，因此限制了在装配作业中的作用。无论电气还是液压驱动的机器人，其手爪的开合都采用气动形式。
控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序及从传感器反馈回来的信号，控制机器人的执行机构，使其完成规定的运动和功能。如果机器人不具备信息反馈特征，则该控制系统称为开环控制系统；如果机器人具备信息反馈特征，则还控制系统称为闭环控制系统。该部分主要由计算机硬件和控制软件组成。软件主要有人与机器人联系的人机交互系统和控制算法等组成。该部分的作用相当于人的大脑。
感知系统由内部传感器和外部传感器组成，其作用是获取机器人内部和外部环境信息，并把这些信息反馈给控制系统。内部状态传感器用于检测各个关节的位置，速度等变量，为闭环伺服控制系统提供反馈信息。外部状态传感器用于检测机器人与周围环境之间的一些状态变量，如距离，接近程度和接触情况等，用于引导机器人，便于其实别物体并作出相应处理。该部分的作用相当于人的五官。
（3）工作原理
机器人系统实际上是一个典型的机电一体化系统，其工作原理为：控制系统发出动作指令，控制驱动器动作，驱动器带动机械系统运动，使末端操作器到达空间某一位置和实现某一姿态，实施一定的作业任务。末端操作器在空间的实时位姿由感知系统反馈给控制系统，控制系统把实际位姿与目标位姿相比较，发出下一个动作指令，如此循环，直到完成作业任务为止。
三、关键技术包括
(1)开放性模块化的控制系统体系结构：采用分布式CPU计算机结构，分为机器人控制器(RC)，运动控制器(MC)，光电隔离I/O控制板、传感器处理板和编程示教盒等。机器人控制器(RC)和编程示教盒通过串口/CAN总线进行通讯。机器人控制器(RC)的主计算机完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O、传感器处理等功能，而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。
(2)模块化层次化的控制器软件系统：软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系统Linux上，采用分层和模块化结构设计，以实现软件系统的开放性。整个控制器软件系统分为三个层次：硬件驱动层、核心层和应用层。三个层次分别面对不同的功能需求，对应不同层次的开发，系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成，这些功能模块相互协作共同实现该层次所提供的功能。
(3)机器人的故障诊断与安全维护技术：通过各种信息，对机器人故障进行诊断，并进行相应维护，是保证机器人安全性的关键技术。
(4)网络化机器人控制器技术：目前机器人的应用工程由单台机器人工作站向机器人生产线发展，机器人控制器的联网技术变得越来越重要。控制器上具有串口、现场总线及以太网的联网功能。可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机的通讯，便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。
四、工业机器人的发展趋势
敏捷制造策略的提出，为工业机器人的发展提供了新的机遇。敏捷制造的基本思想是企业能迅速将其组织和装备重组，快速响应市场变化，生产出满足用户
需求的个性化产品。敏捷制造要求企业底层的生产设备具有柔性和可动态重组的能力。机器人是一种具有高度柔性的自动化生产设备。如果我们站在更高的层
次，将机器人视为一种有“感知、思维和行动”的机器，那么，敏捷生产设备就应当是新一代机器人化的机器。这将为工业机器人的发展提出更高的要求。
（1）朝着标准化方向发展
提高运动速度和运动精度，减轻重量和减少安装占用空间，必将导致工业机器人功能部件的标准化和模块组合化(它可以分为机械模块、信息检测模块、控制模块等)，以降低制造成本和提高可靠性。近年来，世界各国注意发展组合式机器人。它是采用标准化的组合件拼装而成的。日前，国外己经研制和生产了各种不同的标准组件。除了机器人用的各种伺服电机、传感器外，手臂、手腕和机身的结构也己经标准化了，如臂仲缩轴、臂升降轴、臂俯仰轴、臂摆动轴;手腕旋转轴、摆动轴、固定台身、机座、移动轴等。
（2）研究新型机器人结构
随着工业机器人作业精度的提高和作业环境的复杂化，应开发新型微动机构保证动作精度;开发多关节、多自由度的手臂和手指，研制新型的行走机构等以
适应复杂的作业的需要。
（3）朝着智能化方向发展
在多品种，小批量生产的柔性制造自动化技术中，特别是机器人自动装配技术中，要求工业机器人对外部环境和对象物体有自适应能力，即具有一定的“智
能”，机器人的智能化是指机器人具有感觉、知觉等，即有很强的检测功能和判断功能。为此，必须开发类似人类感觉器官的传感器(如触觉传感器、视觉传感器、测距传感器等)，发展多传感器的信息融合技术。通过各种传感器得到关于工作对象和外部环境的信息，以及信息库中存储的数据、经验、规划的资料，以完成模式识别，用“专家系统”等智能系统进行问题求解，动作规划。
（4）研究机器人协作控制
先进制造技术的发展对协作机器人学的研究与发展起着积极的促进作用。随着先进制造技术的发展，工业机器人己从当初的柔性上、下料装置正在成为高度柔性、高效率和可重组的装配、制造和加工系统中的生产设备。在这样的生产线上，机器人是作为一个群体工作的，不论每个机器人在生产线上起什么作用，它总是作为系统中的一员而存在。因此，要从组成敏捷制造生产系统的观点出发，来研究工业机器人的进一步发展。而面向先进制造环境的机器人柔性装配系统和机器人加工系统中，不仅有多机器人的集成，还有机器人与生产线、周边设备、生产管理系统以及人的集成。因此，以系统的观点来发展新的机器人控制系统，有大量的理论与实践的工作要做。
五、结束语
工业机器人的诞生和机器人学的建立，无疑是20世纪人类科学技术的重大成就。要缩短我国工业机器人应用及研究与国外的差距，必须利用自己的优势走
产业化的发展道路。同时，在现代制造技术快速发展的今天，还必须在研究和开发上跟踪机器人技术的发展趋势。工业机器人产业和技术的发展必将大大加速
我国制造业的崛起。
六、参考文献
[1],吴瑞详.机器人技术与应用.北京:北京航空航天大学出版社,1994
[2],朱世强,王宣银.机器人技术及其应用.杭州:浙江大学出版社,2000
[3],徐元宣.工业机器人.北京:中国轻工业出版社,1999
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工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，能自动执行工作，靠自身动力和控制能力实现各种功能。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。
从产业链角度来看，工业机器人的商业模式可以分为五种：(1)单一本体制造和销售模式；(2)系统集成模式；(3)核心零部件生产和销售模式；(4)本体生产+系统集成模式；(5)全产业链模式。其中采用前三种商业模式的企业主要从事单一的业务，采用后两种模式的企业则从事两种或多种业务。
目前中国和全球范围内较为成功的企业都采用了"核心零部件生产+本体生产+系统集成"的全产业链模式，或是正在向上下游逐步渗透，实现全产业链模式的转型。全产业链模式是当下工业机器人企业的发展趋势之一，也是当前具备较高盈利水平的商业模式。
工业机器人产业链中核心零部件成本占比最高，开发亟待突破
工业机器人产业链上游核心零部件主要包括减速器、控制器和伺服系统等，其成本占机器人本体成本的60%以上。当前减速器中谐波减速器和RV减速器应用较广，日本的纳博特斯克和哈默纳科占据工业机器人减速器领域70%以上的市场。控制器方面，日本、德国和美国的企业占据了主导地位。伺服系统由日韩欧美企业为主导。
工业机器人产业链中游机器人由基座和执行机构构成，包括手臂、腕部等，部分机器人本体还包括行走结构。机器人本体市场由"四大家族"的发那科、安川、库卡、ABB长期占据全球及中国市场的主要份额。
工业机器人产业链下游系统集成商根据不同的应用场景和用途进行有针对性地系统集成和软件二次开发，使工业机器人可以运用于实际生产，工业机器人的应用范围遍及制造业各个细分领域。
中国工业机器人产业链
中国工业机器人产业整体技术水平较低，关键核心部件研发亟待突破。虽然目前中国国内机器人技术基本具备，但机器人产业涉及到整体工业水平、科研体制、配套产业等多个方面，中国国内品牌和海外品牌仍有较大差距。在关键核心部件上，中国企业需攻克长期依赖进口、一直受制于人的伺服电机、精密减速器、伺服驱动器、控制器等关键核心部件的技术难题。
工业机器人三大核心零部件毛利率及知名厂商
工业机器人成本链中，上游核心零部件成本占比最高，占到整体生产成本的60%以上；减速器、伺服系统和控制器分别占约31.2%、19.6%、10.4%；本体成本占比23.6%；系统集成的成本约占14.1%。中国精密减速器、控制器、伺服系统以及高性能驱动器等机器人核心零部件大部分依赖进口，控制器和伺服电机进口比例约为80%，减速器进口比例约为75%，因此生产成本相较国外企业更高，产品价格居高不下。
工业机器人本体市场以四大家族为主
机器人本体是机器人机体结构和机械传动系统，也是机器人的支撑基础和执行机构。工业机器人的主要技术参数一般有自由度、定位精度及重复定位精度、工作范围、最大工作速度和承载能力等。这些参数是工业机器人本体制造过程中重要的考量指标，是衡量一家厂商本体制造水平高低的标准。
现阶段，在工业机器人本体市场上，欧洲和日本是工业机器人本体主要供应商，以"四大家族"为代表的外资品牌在精度和承载能力等技术指标方面处于领先水平，2017年，ABB、库卡、发那科、安川电机占据全球工业机器人本体超50%的市场份额。
中国市场也被以"四大家族"为代表的外资企业占据，中国国产品牌技术方面处于弱势，仍无法与之抗衡，但国产本体在价格方面较为便宜，众多中小厂商在自动化改造过程中，更加注重性价比的高低，因此国产本体仍有一定的市场份额。2013-2016年，中国国产品牌占有率持续攀升，增长率快于外资品牌。2017年外资品牌加大中国区域布局，与中国政府、企业达成战略合作，或者成立合资公司，2017年国产品牌市场份额由2016年的33.2%下降至27.3%，国产机器人销售增长率被外资赶超；但在偶然因素消除且国产品牌大力发展的背景下，2018年上半年国产机器人本体销量有所回升，达到29.5%，沙利文预测未来国产品牌占有率将逐渐回升。
中国机器人本体市场集中度，2017年
工业机器人系统集成需要对下游具体应用场景有充分的认识
机器人系统集成是指在机器人本体上加装夹具及其他配套系统完成特定功能，是工业机器人自动化应用的重要组成。例如，在注塑、冲压、打磨、喷涂、装配、焊接、精雕、压铸、组装、上下料等制造领域，分别采用不同的系统集成解决方案，形成了焊接机器人、上下料机器人、喷涂机器人、装配机器人等适用于不同应用领域的工业机器人。工业机器人系统集成商为终端客户提供应用解决方案，负责工业机器人应用二次开发和周边自动化配套设备的集成。
相较于工业机器人本体制造商，工业机器人系统集成商还需要具有产品设计能力、对终端客户应用需求的工艺理解、应用行业的相关项目经验等，提供可适应各种不同应用领域的标准化、个性化成套装备。需要与客户充分沟通，因此国内企业拥有本土优势，系统集成也是产业链中国产率最高的环节。与中国国内本体厂商面对外资企业强大的竞争不同，得益于本土服务优势，包括渠道优势、价格优势、人才红利等，中国系统集成市场本土企业占据主导，下游行业、工艺覆盖完备。本土集成商在搬运码垛等低端工艺应用领域占据绝对主导，在装配、拣选、焊接等中端工艺应用领域占据优势，在喷涂、视觉监测AOI等高端工艺应用领域也在不断渗透。
工业机器人应用领域以汽车和3C行业为主
工业机器人应用领域广泛，下游以汽车和3C产业为主，另外包括橡胶及塑料工业、食品饮料、化工、铸造等行业。中国国内工业机器人应用领域与全球分布类似，汽车与3C行业合计占比接近60%。根据沙利文数据显示，2017年中国工业机器人应用领域中，汽车占比最高，达到36.2%，其次为3C占比达21.8%、金属铸造、橡胶塑料、食品饮料占比分别约12.3%、11.8%、6.5%。
中国工业机器人应用领域分布，2017年