搬运机器人在制造业中的应用及发展趋势

黄磊

摘 要：工业机器人技术是近代自动控制领域出现的一项高新技术，是集多领域应用技术有机融合的一体化装置。本文主要从工业机器人在制造业中的应用、工业机器人中搬运机器人在制造业中的应用，对搬运机器人在制造业领域的发展趋势进行展望。

关键词：工业机器人;搬运机器人;应用分析;发展趋势

一、引言

工业机器人技术是近代自动控制领域出现的一项高新技术，是集多领域应用技术有机融合的一体化装置。目前，工业机器人技术的应用已非常广泛，涉及机械、电子、运动控制、传感检测、计算机技术等，尤其是在航空航天工程、海洋探索等高科技领域。《中国制造2025》也明确了工业机器人为中国制造十大重点领域的第二个重点领域，进入21世纪，工业机器人的应用程度已经成为衡量一个国家工业自动化水平的重要标志。

二、工业机器人在制造业中的应用分析

工业机器人是机器人领域中的重要一员，是目前技术发展最为成熟、应用最为广泛的一类机器人，工业机器人是面向工业领域的多关节机械手、多自由度的机械装置，它不仅可以按照预先设定的程序来执行某些特定的工作指令，也可以根据人工智能技术制定的程序指令行动，并依靠自身动力和控制能力来实现工业制造中所需的各种功能。工业机器人一般用于机械制造业中替代人工完成一些具有高质量、大批量要求的工作，如舰船、汽车、摩托车的制造，电视机、电冰箱、洗衣机等家电产品生产，化工等行业自动化生产线中的电焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装、码垛等作业。随着机器人技术的不断更新与发展，机器人的应用领域进一步拓宽，集中体现在以下五大领域（如图1）。

（1）机器人搬运应用（38%）。机器人搬运作为工业机器人的第一大应用领域，为很多自动化生产线进行上下料、搬运以及码垛等操作。随着协作机器人的兴起，搬运机器人的市场份额也逐年提升。

（2）机器人焊接应用（29%）。机器人焊接应用主要包括汽车行业中使用的电焊和弧焊，在很多加工车间逐步引入用来实现自动化焊接作业。

（3）机器人装配应用（10%）。装配机器人主要应用于零部件的安装、拆卸以及修复等工作。

（4）机器人喷涂应用（4%）。机器人喷涂主要应用于工业制造业中的涂装、点胶、喷漆等工作。

（5）机械加工应用（2%）。机械加工机器人主要应用于零件铸造、激光切割以及水射流切割。

三、工业机器人在制造业中的典型应用举例——搬运机器人

1.搬运机器人介绍

搬运机器人（如图2）是能够进行自动搬运作业的工业机器人，在作业时，与生产控制系统相连接，形成一种完整的集成化搬运系统。搬运机器人主要分为移动搬运小车（AGV）、码垛机器人、分解机器人、机床上下料机器人等。世界上出现最早的搬运机器人是1960年由美国设计研发的Versatran和Unimate。目前，世界上使用的搬运机器人已超过10万台，广泛应用于汽车零部件制造、汽车生产组装、机械加工、电子电气、橡胶及塑料、木材与家具等制造行业以及医药、食品、饮料、化工等行业的输送、包装、装箱、搬运、码垛等工作领域中。

搬运机器人在执行操作指令时，是末端夹具设备握持工件，将工件从一个加工位置移动到另一个加工位置，整个搬运系统构成了工业机器人的搬运工作站。 如果给搬运机器人安装不同类型的末端执行器，则可完成不同形态和状态的工件搬运工作。

搬运机器人的轴数一般分为6轴式和4轴式。其中6轴式主要用于各行业的重物搬运作業，尤其是重型夹具、车身的转动、发动机的起吊等。4轴式由于轴数少，运动轨迹近于直线，因此速度明显提高，适用于高速包装、码垛等。

2.搬运机器人的特点及优势

总的来说，搬运机器人工作站具有如下特点：（1）具有物品的传送装置，其形式可根据物品的特点选用或设计;（2）可使物品准确定位，便于机器人抓取;

（3）设有物品托板，可机动或自动地交换托板;（4）在传送物品的过程中可自行整型，以确保码垛质量;（5）可根据搬运物品设计专用的末端执行器;（6）可根据行业需要选用适合的搬运作业的机器人。

在制造领域中，搬运机器人具有如下优势：（1）提高生产率，可实现一天24小时无间断工作;（2）改善工人劳动强度，减少人工成本;（3）大大缩短产品改型换代的准备周期，减少所需的设备投资;（4）实现工厂自动化、无人化生产。

四、搬运机器人的发展趋势展望

当前，工业机器人已经广泛应用于焊接、切割、装配、搬运、喷涂等领域，工作难度、复杂程度日趋增加，用户对产品品质和加工效率的要也越来越高。在这种情形下，机器人的编程方式、效率和质量就显得尤为重要。因此，降低编程难度及工作量，提高编程效率，已成为机器人技术发展的终极目标。

目前，针对提高机器人的工作效率，已经出现了多种编程方式，如：在线示教编程、离线编程和自主编程技术。在线编程能够直接切合实际操作环境，针对工作站现场编程，且上手简单适合初学者;离线编程可利用计算机图形学的成果，通过对工作单元进行三维建模，在仿真环境中建立与现实工作环境对应的场景，采用规划算法对图形进行控制和操作，适合在仿真环境下针对复杂路径进行规划与生成，节约时间方便操作（如图4）;自主编程技术融合多种传感技术自动生成轨迹程序，更加智能。

搬运机器人的发展趋势主要有以下几方面：（1）搬运机械手的性能不断提高 （高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降。（2）加速机器人功能部件向标准化、模块化、可重构化发展，减少重量和占用空间;将机器人的各机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化，由关节模块、连杆模块用重组方式构造搬运机械手整机。（3）搬运机械手的控制系统向基于 PC机的开放型控制器方向发展，趋于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构，以提高系统的可靠性、易操作性和可维修性。（4）搬运机械手中的传感器作用日益凸显，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，搬运机械手还需应用视觉、力觉等传感器，研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态， 融合各种传感技术自动生成轨迹程序。（5）虚拟现实技术在搬运机械手中的作用从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵搬运机械手。

参考文献

[1] 兰虎，戴鸿宾，刘俊等.工业机器人技术及应用[M]. 北京：机械工业出版社，2014.8.

[2] 骆敏舟，方健，赵江海.工业机器人的技术发展及其应用[J].机械制造与自动化，2015，（1）.

[3]李义强，郑睿，卢卫子等.智能化物料搬运机器人的系统开发与结构分析[J].机械工程与技术，2019，（5）.