重载搬运机器人的研究进展综述＊

张秋霞，陈文皓

（江苏电子信息职业学院，江苏 淮安223003）

重载搬运机器人是替代人工搬运的一种自动化产品，人工搬运具有可移动性高、灵活性好，但是劳动强度大的特点；重载搬运机器人具有工作场合广泛、工作效率高，但是工作空间不可变的特点，融合二者优势，专家们研制出了能够替代人工搬运的重载搬运机器人。近年来，重载搬运机器人发展迅速，汽车行业、电子行业、橡胶及塑料行业、船舶行业、金属制品行业、食品行业均有应用，主要从事分拣、搬运、铸造和码垛等工种。

1 国内外重载搬运机器人的发展

工业机器人最早起源于美国，1958年，美国成立了世界上第一家机器人公司，并制造了世界上第一台机械手式的搬运机器人；1960年，美国又出现了用于搬运作业的搬运机器人Versatran和Unimate[1]；1966年，美国通用公司研制出了“哈迪曼系统”，这套系统有30个活动关节，一只胳膊承重能力为自身质量的一半。自从1970年，在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议以后，人们对工业机器人的研究进入了快速发展阶段，美国、日本、德国和瑞典的发展尤其突出。目前，日本的FANUC集团、德国的KUKA集团、瑞典的ABB集团所生产的搬运机器人最能够代表世界搬运机器人的水平，其中，FANUC集团主要推出了FANUC系列、OKURA系列等产品；KUKA集团主要推出了KUKA系列、M-系列、KR系列等产品；ABB集团主要推出了ABB系列、IRB系列等产品。2017年，FANUC集团在上海工博会展出了一款M-410iC/110搬运机器人，该机器人采用通用性法兰，中空走线，4轴机器人，末端负载能力为110 kg，行程范围为2 403 mm，前臂驱动采用后置式。

中国工业机器人与国外相比，起步较晚，技术相对薄弱，但是，随着国家对机器人产业的重视和科技的不断进步，最近几十年中国机器人产业发展迅速，许多高校、科研院所和企业投入机器人工业的研究。中国第一台全液压式重载搬运机器人是由青岛华东工程机械有限公司研发出来的，上海交通大学机器人研究所与沃迪包装科技有限公司合作开发出了TPR系列机器人，哈尔滨博实自动化有限公司、沈阳新松机器人自动化有限公司、盟立自动化科技有限公司等公司在机器人工业方面发展迅速，清华大学、北京机械工业自动化研究所、上海交通大学机器人研究所、武汉理工大学等为中国机器人的发展作出了极大贡献。

进入21世纪后，机器人成为了许多国家的支柱性产业，并制定了国家发展战略，例如，法国的“工业新法国”、德国的“工业4.0”和中国的“中国制造2025”计划等，随着国家政策的出台，市场将会加快机器人发展，机器人产业将会出现稳定增长。

2 重载搬运机器人的应用领域

近年来，中国重载搬运机器人销量逐年攀升，应用领域越来越广泛，从应用行业看，汽车制造行业、电子行业、橡胶和塑料制品行业、化学原料和化学制品制造行业及电气机械和器材制造行业应用较为集中，占销售总量的58%。其中，黑色金属冶炼和压延工业、教育、医药制造业、专用设备制造业、家具制造、服装、服饰业、酒、饮料和精制茶制造业增速较快。

重载搬运机器人具有工作效率高、装配精度高、应用范围广等特点，在汽车行业得到大力发展，主要应用于焊接、装配和拆卸等工种，外资品牌的机器人在国内整车厂占据主导地位，一般与哪个国家合资的汽车企业会使用哪个国家的机器人，一般的汽车零件厂使用内资品牌的机器人较多，新能源汽车企业是国内主导的企业，内资品牌的机器人有望占据主导地位。随着机器人装配精度的提升，许多大型电子企业引进机器人从事涂层和胶封、装配和拆卸工作，内资品牌主要集中在胶封工作中，喷涂具有易燃易爆的危险性，内资技术还不能达到。船舶行业也开启了中国智能制造的新篇章，引进重载搬运机器人应用于焊接、修补、背烧、上料和卸料等工种，有效解决了工件一致性差、加工误差大、焊缝组对间隙不规则等问题。

3 重载搬运机器人的研究内容

通过对国内外专家研究成果整理、分析发现，重载搬运机器人的研究内容主要包括机器人机械部分设计、运动轨迹规划、控制部分设计、运动学分析与仿真、动力学分析[2]。

根据机器人的机械结构划分，可分为多关节型机器人、坐标型机器人、物流机器人和并联机器人[3]，根据重载搬运机器人的实际使用场景，选择不同机械结构的机器人，规划出机器人的主要动作，设计出主要的技术参数。机械部分设计主要指运动轴结构设计、驱动系统的设计和传动机构设计，根据运动轴数分，分为三轴机器人、四轴机器人、五轴机器人和六轴机器人，驱动系统分为气动驱动、液压驱动、电动驱动和综合驱动，综合驱动指驱动系统中的两项或三项综合起来的驱动形式，可以是直接驱动或间接驱动，间接驱动可以通过齿形皮带、同步链条、齿轮齿条、谐波传动等方式进行驱动，每种方式的特点、运动方式、传动距离如表1所示。为保证机器人工作安全、可靠、稳定、准确，必须针对具体的用途，对机械结构进行详细分析，为后续的控制部分设计奠定理论基础。

表1 传动方式比较

运动轨迹指机器人的末端执行机构运动时所产生的运动轨迹。运动轨迹的规划可分为两种：规划构建与构件之间的关节角；规划末端在空间坐标系中的位置，无论采用哪种规划方式，均采用函数关系进行计算[4]。

控制部分和机械部分是机器人不可缺少的两部分，控制部分是机器人的电脑控制模块，是衡量机器人智能化水平的重要标志，关系到所设计产品的优劣[5]。控制部分主要包括人机交互界面设计、软件和硬件设计、驱动系统设计和传感器设计，所设计内容必须能够满足重载搬运要求。目前的控制方案主要有以下三种形式，其优缺点如表2所示。控制方案选择时，既要考虑到实际使用环境、用户操作简单方便、数据采集、远程监控诊断与通讯等功能，也要考虑到性价比、维修方便、后续升级改造等因素。

表2 控制方案

运动学分析与仿真指借助AutoCAD、CAM等三维建模软件创建机器人的三维模型，利用ADAMS、SAP、SolidWorks Motion、Ansys等仿真软件进行静态和动态分析[6]，检测机器人在结构上是否存在干涉、碰撞等问题，是否能够准确地按照设计的轨迹运动，简化机器人的设计、开发、生产过程，缩短机器人的开发周期，节约生产成本，根据分析、仿真结果，修改设计、优化参数，进而达到最优设计方案。

动力学分析是对机器人进行仿真分析和建模的基础，动力学模型能够真实模拟机器人的工作状况，利用控制算法，实现机器人各个关节之间的最优控制，最终实现高速度、稳定控制和准确定位。动力学分析的主要内容是关节输入驱动力矩与输出角位移和角速度等运动特性之间的关系[7]，以此来解决驱动系统的控制问题，实现精确控制，进而达到预期的运动轨迹和动态性能。

4 重载搬运机器人的优化设计思路

针对该项目重载搬运机器人的工作环境、运动要求，设计重载搬运机器人的类型、构建三维模型、控制设计、运动学以及空间轨迹优化分析，实现重载搬运机器人的精确控制与精准定位，主要研究内容如下。

4.1 重载搬运机器人结构模型建立与分析

分析重载搬运机器人的结构参数、传动方式与驱动方式的设计选择，通过理论分析、三维建模完成在非线性运动约束条件下重载搬运的智能助力机器人的传动尺寸、重心位置、自重等结构参数的优化。

4.2 重载搬运机器人运动轨迹规划研究

基于机器人学中的逆运动学，把轨迹上规定的中间位置点的坐标换算成关节空间的角度，并添加一些特定的约束，获取各个关节量关于时间的函数。通过这些函数实现机器人按次序经过各个中间位置点。利用关节空间轨迹规划方法对电机输入角进行轨迹规划，并求得输入角函数的样条曲线，从而机器人以预期的位置和姿态到达各路径点。

4.3 伺服驱动控制系统研究

针对重载搬运机器人各关节之间的位姿运动关系以及外界扰动因素对系统稳定性的影响规律，在决定了系统的结构以后，提出对系统参数进行辨识的方法。对主控制器与驱动器的接线端子进行分布，编写了控制系统的底层程序并对其进行了优化，实现了对各轴运动的精确控制。

4.4 人机界面设计

加强工作时的人机交互，采用嵌入式触摸屏作为上位机，编写机器人的监控程序，实现对机器人的实时监控。

4.5 重载搬运机器人搬运重物实验

在完成以上工作后，进行重载搬运机器人搬运重物实验，以验证先前轨迹规划和运动控制研究的有效性以及验证能否达到预期目标。从中也可以看出在将来的重载搬运机器人研究中，可能要求增加控制系统的柔性，比如使用鲁棒控制、滑模控制等更加复杂的控制算法来对机器人进行控制。

5 重载搬运机器人的发展趋势

近年来，虽然中国重载搬运机器人发展迅速，但是，与发达国家相比，在技术方面还是存在一定的差距，自主创新能力不足，大型合资企业或独资企业所使用的重载搬运机器人大多使用合资方国家的机器人，对于中国重载搬运机器人发展也是一个很大的冲击。随着现代信息技术和工业自动化的快速发展，中国重载搬运机器人发展迅速，发展势头良好，主要的发展趋势如下。

5.1 智能一体化

将机器人本体与控制器、驱动器与电机组合成一体，利用总线技术，将人机交互界面、运算控制、编码器反馈和电机集成一体化控制系统。机器人不但能够检测自身状况，而且可以通过分析、判断、处理外部环境的变化。

5.2 轻量化

目前机器人所使用的材料主要是高强度不锈钢、铝合金等，与“中国制造2025”提出的新型复合材料碳纤维相比，质量较重，随着研发的深入，碳纤维材料有望在重载搬运机器人的零部件中使用。

5.3 虚拟调试

将机器人调试、电气调试、离线编程等联调的模块和设备，合并到可视化页面中，进行测试和验证虚拟环境中的机器人和电气系统以及其他相关参数，在非现场环境下进行维护保养与维修。

6 结语

重载搬运机器人是集机械结构、电控系统于一体的一种自动化设备，近年来，虽然在许多领域得到了广泛应用，但是在柔性、效率、精度、适用范围和可靠性方面还有待进一步提高。