浅谈工业机器人的发展趋势

刘隽宏

桂林理工大学机械与控制工程学院，广西桂林，541006

0 引言

我国工业发展面临着与全球市场接轨，并积极参与全球分工的重要挑战，要实现中国高端工业的竞争优势，就必须实现数字化，在主要工业生产领域全面实施智慧制造模式，而推进工业机器人的研制与制造，并将之运用到工业的生产实践中，是通过实施智慧制造模式使中国由工业大国迈向工业强国的关键手段与路径。为了适应现代科技的发展，满足人民群众生活不断增长的物质需求，适应多样化、个性化以及向更大更宽的应用领域发展，工业机器人的研究和应用正在朝着模块化、可重构化、PC化、开放化、网络化、数字化、系统化、智能化趋势发展[1]。

1 结构的模块化和可重构化

传统的工业机器人系统都是按照一定的工业使用范畴来发展的，由于工业应用任务明确，一般可包括焊接加工机器人、移动机器人、喷漆机器人、擦胶机器人、组装机器人、码垛机器人、分割机器人等，但由于市场与全球化的竞争日益加剧，需要工业机器人系统在使用范畴上更加广泛，而仅仅能够满足一定的有限范围的工业机器人的基本构型已无法适应市场经济的需求，所以有必要发展可重构工业机器人系统，以满足科技发展对各种各样工作任务机器人的需求。它是由一组具备各种性能特点和各个大小尺寸且可互换的机械模块构成，可以根据各种各样的工作条件而被装配成各种各样大小不同构形的机器人。

模块一词也是一种设计用语，是经过格式化整理的模块，是指一个已经组装好的硬件功能单元，能够与其余元件同时使用、合并或替换，是可以独自命名或独自完成某种功用的程序语言的集合体（即程式代码和各种数据构成的集合体）。它有两种基本特征：外观特性与内在特性。外部特性是指模块完成与外界之间的连接（即任何模块完成或程序调用该模块完成的方法，包含有进入输出参数、引入的全局变量）和模块完成的各种功用；内在特性是指模块完成的内在环境具备的特性（即该模块完成局部数据信息和程式代码）。模块化机器人针对其使用领域、工件特征和性质，以及功能本身的特点应具备以下特征：各个功能模块都应是单独的，或者自组装的；是可以快速连结到任何其他的模块单元，而不管其类型怎样；是最小重力和最小惯性的，在运动学和动力学上都具备独特性。因此它是一种系统，是由一个模块组成的[2]。

目前对机械模块的分类，大致是从基本单元、末端件、连杆、关节等方面来划分的。模块通常是自封闭的，硬件部分包括感应器、传动设备、感应器端口、CPU、驱动器、刹车器、电机增强器和通信端口等。而模块的电器部分设计也要符合模块化要求的设计原理，要有具有基本功能的母版和特殊功用的子版，还必须设计一种高度集成的快速相互耦合接口，以利于模块内部和模块之间的高速互连。模块应该能够实现某一特定功能，有自封装的功能，并具备驱动能力，实现一定的运动与动作，以便于不同模块之间能配合工作，还应该具备通信能力、数据处理能力。

模块化机器人是由一组不同功能的组件构成的，它使用不同的通用化、标准化模块装配成不同模块化的机器人形，用一种最优的装配构形来实现给定的功能，使模块化机器人构形的最基本设计目的得到了表达。在研制模型硬件的同时也需要发展实时控制应用，以满足机器人使用范围的迅速变化，必须要实现模型应用软件的研制和这些功能根据硬件构形和功能任务自动整合并运用于机器人之中。

工业机器人控制系统通过架构的模块化，大大增强了工业控制系统的安全性、易操控性和维修性，同时使用者也可以很简单地拆散或者组装不同模块，组合成不同的工业机器人构形以适用于一定的工作条件，这便是工业机器人的可重构化。

2 控制技术的PC化、开放化和网络化

控制技术，是指根据现代科学技术的发展，利用现代管理、仪器仪表、电子计算机以及其他信息，对生产流程所实行的监测、管理、优化、调整、监控和决策，以实现提高质量、降低资源消耗、实现产量目标、保证安全性等目的的先进综合型控制技术，主要分为制造自动化系统应用软件、硬件和系统三大部分。近年来，由于制造业电子计算机的发展，由工业PC、I/O装置、监测装置、监控网络等构成的工业PC—based的制造业智能化体系应用于制造业实践中，使低成本制造业的智能化目标得以实现。许多公司在采用了工业生产PC所构建的控制器后效益很好，但工业生产PC在高档电子设备中的运用越来越多，数据信息繁杂且工业设备集成度高，观其发展，控制器将来很可能会出现在工业生产PC与PLC系统中，这种技术融合的现象也开始出现[3]。

PC化和开放化将是PLC系统未来发展的重点方向，近年来，随着微型PLC的研制成功，以及软件PLC（soft PLC）控制系统的功能逐步完善与发展，配备了软件PLC组态软件和PC—based控制器功能的设备也将越来越多。随着Ethernet技术的发展，PLC规模扩大，为更多的PLC设备提供了Ethernet端口，因此PLC将向开放式控制系统方面发展，尤其是基于工业PC的控制系统。

控制技术的开放化，主要目的是克服封闭控制系统主要功能和适应变换频率较高的工作需求之间的冲突，并由此形成了一种控制系统网络平台。这种控制系统网络平台是一种可重构的、功能统一的、提高了数控系统柔性的平台。控制系统构建在一种开放性的网络平台上，具有模块化的组织架构，以便满足能快速应对用户各种变化的使用要求，并按照需求进行选择与整合，从而改变并拓展了控制系统的功用。构成控制系统的各个主要功能系统也能够与来自各种各样的设备供应商彼此整合。开放化控制器的研发能够在系统的运行平台上直接面对终端用户，从而形成了系列化，并能把终端用户的特定应用整合到控制器中，实现了各种开放性的控制器。它包括：系统互换性、可伸缩性、可移植性、可互操作性。开放化控制器结构并非既有控制结构的简单集成，而是在博采众长的基础上，反映控制器结构开发的成果进行开发。

在一些工业机器人控制系统中，有很多不同的信号、测试仪、PLC、读卡器、电脑等技术设备，利用上述技术设备所提供的通信接口，通过相互连接组成了一种综合控制网络系统，与无线局域网技术设备之间通过隔离式信号转换器，使工业设备的串口信息和无线局域网及以太网络信息互相转化，从而扩大了工业设备的互联能力。近年来，由于信息、网络通信技术、计算机等现代化信息技术的发展，通过将计算机与网络技术、无线信息、传感器技术等三者融合，导致了网络化智能传感器的诞生，同时由于这些智能传感器技术在工业生产装置中大量运用，使得在工业装置工作时，现场的数据都可以利用无线链路在互联网上共享、发布、传输。这种无线局域网技术大大丰富了工业控制网的通信能力和特性，也有效地克服了在工厂一些环境下有线上网的缺点，可以为厂房内各类智能装置、智能化设施之间的通信提供高带宽的无线网络数据链路和灵活多样的网络拓扑架构。该控制器能够便捷地连接所有类型计算机的特殊网络系统，管理者利用计算机网络对设备实施全面的监视与控制。将控制器连接工厂局域网后，管理者将能够使用管理电脑，利用互联网直接了解各种有关加工厂的工况与工作流程的信息数据，并及时发布各类命令，以保证生产目标的达成，还可通过互联网接受各种工作任务和商家的技术服务[4]。

3 伺服驱动器技术的数字化与分散化

工业生产机器人系统共有四大部件，依次是机械本体、伺服系统、加减速器和控制器。其中，工业机器人电动伺服系统的基本构造由三条循环进行控制，即电压环、转速环、位置环。伺服系统由伺服电机、伺服驱动器、指令机构等三个部分所组成，其执行部分就是伺服电机，依靠它来进行运动，其电机的速度随着控制器信号的改变而发生变化，并能实现不断改变。更好地满足生产实践应用需要，要求伺服电机必须体型要小、质量要小、轴向长度要短，并能在短时间内经受数倍过载，经受得起苛刻的十分繁琐的正反方向加减工作。伺服驱动器是伺服电机的高功率电源，是可使用各类电机所形成的动力和扭矩，通过直接或间接地驱使机器人本身从而实现自动化机器人系统的各项运动的机构，具备转矩转动惯量比高、无电刷无换向火花等优势。伺服驱动器利用接收到的通信信号控制输出端旋转角度，为自动化机器人系统的各个关节形成相对精确的传递动力，来完成相对精确的运动控制。指令机构是发脉冲或者给速度用于配合伺服驱动器工作。伺服管理系统又名随动管理系统，是指一种精确的追踪或复现某种工作过程的反馈控制管理系统，是专指被控量（操作系统的输入输出量）是机械位移或移动速率、加速率的直接反馈管理系统，其功能是使输入输出的机械位移（或旋转）精确地追踪入口的移动（或旋转），伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。伺服驱动器则能够利用人工设置的其内部功能参数，完成相对位移调节、转速限制、扭矩调节等各种功能。

随着现代相关科技的发展，使用新型高速微处理器和专用数字信号处理器（DSP）的伺服装置控制单元将全面取代全部由传统模拟元器件所组成的伺服装置控制单元，进而通过将伺服装置驱动系统完全数字化的方法以实现。完全数字化的实现，使原来的硬件伺服控制系统变为了应用软件伺服控制系统，进而使在伺服驱动系统中大量运用现代控制技术中的高级算法技术（如；优化管理、人工智能、模糊管理、神经元网络技术等）变为了可能。

随着现代工业的生产实践中出现了大惯量、大功率装备的出现，采用多个电机同时驱动的方法已经代替单电机驱动，成为当今伺服系统控制研究领域的难点、热点及发展方向，并且已经在工业轧钢系统、舰炮控制系统、雷达伺服系统得到了成功应用。相较于单电机驱动系统，多电机驱动系统能够很大程度上增强系统的过载能力和整体的驱动能力，极大降低对每个驱动电机功率等性能的要求，消除制造成本和技术限制。同时，多个电机驱动系统的联动控制还可以提高复杂系统的控制精度、加快系统的响应速度。

4 多传感器融合技术的实用化

传感器，是指一类可以满足对信号的收集、传递、处理、储存、显示、记忆、控制等基本要求的测量设备。它能感觉到被测量的信息内容，并可把所感觉到的信号数据，按一定规律转化作为电信号或其所要求形态的信号输入输出，这是完成控制和自行测量中最关键的主要环节，是不可缺的。在现代工业特别是自动化制造过程中，要监测和管理在工业生产过程中的所有参数，使机器设备在正常状况或良好状态下工作，圆满达到工作目标，就需要应用各种智能传感器。可以说，众多功能优良传感器是中国现代化工业的重要基石，已经渗透到了工业生产、宇宙研究、海洋监测、环保、资源研究、医疗诊断等人们生活的各个领域[5]。

工业机器人要完成复杂工作，需要许多种类和不同型号的感应器共存于一个机器人的传感体系中，而各个感应器所收集的数据在时限、空间和表达方式上也不尽相同。因此如果对各个不同感应器所收集的数据分别进行处理和分析，就常常会导致数据的丢失错误和判断的失败。要防止和改变这一现象，就必须引进多种数据整合方法，将处在相同条件下的多种传感器数据按照相应的方法和策略加以整合而不能简单地合并，从而得到系统的一致性的数据解释。多传感器的信息融合技术指机器人运用对不同信息有效地统一的使用方式，即采用对不同感应器及其所检测数据的适当支配和使用，把多种感应器之间在空间和时间上的相互作用和冗余信息按照同一个优化原则结合在一起，从而形成对所监测环境的一致性理解和评价。信息融合的目标是透过从各感应器中分散检测的数据、运用对数据的优化组合，得出更多的可用数据。其终极目的是透过运用多种感应器间共享或联合操作的技术优势，增强整套感应器体系的稳定性。

随着现代信息技术在工业机器人领域的广泛应用，工业机器人正不断地向着自动化、多功能化以及高性能、自检测、自维修趋势方向发展，感应器功能也日益强大。组装和连接机器人运用了与视野、力觉、移动、高速、低速等感应器，遥测自动化机器人运用了触摸、力觉、视野、音觉等感应，来实现对环境、模型和决策监控。

5 工作条件设置的优化，生产作业的柔性化和管理系统的联网和智能化

工业机器人所具的各项工作功能基本上是由工业机器人部门、感应器部门、操控部门的组合而确定的，但是，工业机器人的各项工作能力基本上还取决于与外界条件的连接与协调能力，即工业机器人与外界条件的互动能力，一般分为硬环境与软环境。与硬环境的互动，一般是与外界器件间的信息交流、对工作域的障碍和自由度空间的定义、对作业目标的定义等；与软环境的互动，一般是与生产单元控制计算机所带来的控制数据的交流。为了使工业机器人顺利、高效、精确地实现既定的各项工作目标，还需要充分利用各种先进的现代科学实用技术，并借助计算机技术，进行各项工作设计的动态分析与模拟，以加强对工业机器人的岗位条件的优化设计。工业机器人在作业时应合理运用科学的现代控制理论和智能传感器技术，以实现工业机器人作业对周围环境的适应性和高度柔性，同时降低了作业人员参与的岗位复杂度。

随着信息技术、计算机技术、网络通信技术、传感器技术等现代化高科技技术的发展和成熟，工业机器人由一个独立的个体机器人向几个、几十个甚至上百个工业机器人群体发展，由一个单独独立的机器人个体系统向多个机器人群体组成的群体系统发展，使智能遥控型工厂成为现实，它实现了远距离的智能生产操作、工作维护，以及实时生产监控。现如今，工业机器人的自动化程度也愈来愈高，系统集成愈来愈高越来越小，体系结构也愈来愈灵活，并朝着工业一体化方向发展。

6 结语

纵观当前国内外的工业机器人研发与使用状况，工业机器人架构正不断走向模块化与可重构化发展，控制正向PC化、开放化与互联网方向发展，伺服驱动器技术向着数字化和分散性强方向发展，多传感器融合技术朝着应用性强方向发展，工作环境设计朝着最优化和作业环境的柔性型及其控制系统的联网和智能的大趋势发展，以适应现代工业对工业机器人多样化、个性化的需求，向更大、更宽的应用领域发展。