工业机器人技术的发展与应用分析

乔宁宁

（山西工程科技职业大学，山西 晋中 030619）

0 引言

在我国社会经济水平以及科学技术水平不断提高的背景下，越来越多的新兴科学技术应用于社会生产生活中。工业机器人技术是我国当前着重发展的一种新型科技，其融合了多行业领域知识科技，具有多种优势优点，将其充分应用于我国工业生产中，能够发挥出其功能与价值，推动我国工业持续健康发展。因此，文章对工业机器人技术的发展与应用进行分析研究，有着重要的价值和现实的意义[1]。

1 工业机器人技术发展现状

1.1 工业机器人技术早期发展现状

通常情况下，工业机器人这一概念最早出现于上世纪30年代，在此概念出现后，工业机器人技术长期处于缓慢发展的状态，至上世纪50年代，Unimation研制了一款名为Unimat的工业机器人，这也是世界上第一款数字化可编程工业机器人，该机器人选择了液压驱动，并以示教再现方式来生成程序，其具有比较高的定位精度，能够大大提高工件搬运效率。如今，随着全球科学技术的发展，提高了对工业机器人的需求量，当前工业机器人已经能够通过机械臂对其运动路径进行灵活调整，实现多种行动与操作，在此情况下，极大地拓展了工业机器人的应用范围，如在金属筑造、冶金、汽车制造等领域中得到广泛应用，并取得了比较理想的应用效果[2-3]。

1.2 工业机器人技术国内发展现状

早在上世纪70年代我国就加大了工业机器人研发力度，但是因为受经验、资金、工艺技术以及人才等因素的限制，研发情况并未取得良好的效果，研发进度较为缓慢。80年代后，基于国家政策支持，大大的推动了工业机器人研究力度，诸如“863”、“九·五”等技术发展计划均在一定程度上促进了我国工业机器人技术的研究发展，使工业机器人技术取得了比较明显的技术突破。同时，我国工业机器人技术整体研究研发呈现出快速进步的态势，就目前而言，我国现有的工业机器人产业链不断完善，并逐渐在上海、沈阳、徐州、昆山等城市进行了工业机器人产业基地建设，其不仅可以实现对工业机器人的批量化生产，而且还可以进一步带动我国工业机器人技术的发展与进步。根据统计数据得知，从2013年开始中国工业机器人市场进入快速发展阶段，而在2017年、2018年增长率呈现下降趋势，与2019年下半年实现增速由负转正，但是全年出货量同比下滑3.5%，预计2020年中国工业机器人出货量将会创出新高，增速超过10%。

1.3 工业机器人技术未来发展趋势

基于信息化时代背景下，推动了科学技术的发展，同时也提高了工业机器人的使用需求，并对工业机器人的性能与功能提出了更多要求。因此，我国相关企业开始加大对工业机器人技术的研发力度，以高精度化、高智能化作为工业机器人技术未来发展的目标与趋势。高精度化要求的前提是需要保证工业机器人技术拥有较高的智能化、一体化程度，并随着科学技术点发展在未来逐渐朝着柔性化、精密化等的方向发展，以此将更多的技术融合于工业机器人中，这样既可以提高工业机器人的整体水平和性能，还可以降低工业机器人生产成本，进而有效推动该行业的发展。通常情况下，在工业机器人中融入多项技术可以提高其一体化水平，能够帮助提高工业机器人操作活动的精度。智能化趋势是工业机器人技术在未来发展中最为核心的重要的一个发展方向，充分借助人工智能技术来有效构建专家知识库，并在工业机器人运行程序中植入专家知识库，以确保工业机器人能够直观、形象地模拟人类思维方式，由此来开展相关操作，进而使工业生产中所遇到的问题得到有效解决。

2 工业机器人关键零部件分析

2.1 机器人本体

工业机器人本体结构主要是由机械传动系统和机体结构两部分组成，其属于机器人的执行机构和支承基础。其中，国产品牌机器人价值量占比低于销量占比，主要由于现阶段国内企业仍然以主打性价比的中低端市场为主。

2.2 减速器

在工业机器人中，减速器是比较重要的中间装置，其负责连接动力源和执行机构，并通过输入轴上的小齿轮啮合将高速运转的动力（内燃机、电动机）传输至轴上的大齿轮，进而实现减速的效果，同时还能够传递更大的转矩。因为减速机是纯精密机械部件，因此除了回转精度要求特别高外，还需要刚度和疲劳强度高，对材料和工艺水平要求高。在工业机器人中，减速器是技术壁垒最高的关键部件，根据结构差异可以分为谐波齿轮减速器、精密行星减速器、RV减速器、摆线针轮行星减速器以及滤波齿轮减速器。

2.3 伺服系统

通常情况下，机器人的关节驱动需要依赖于伺服系统，而且机器人的关节越多，则对其精准度和柔性提出了越高的要求，进而增加了伺服电机的数量。工业机器人对伺服系统提出了比较高的要求，如快速响应、调速范围宽、动转矩惯量比大以及高起动转矩，同时要尽可能确保工业机器人重量轻、体积小，而且要求加减速运行稳定、可靠。伺服电机一般涵盖了交流伺服系统和直流伺服，其中前者由于具有转矩转动惯量比高、换向火花及无电刷等优点，因此被广泛应用于工业机器人中。

2.4 控制器

在工业机器人中，控制器属于核心大脑，其将会对机器人功能和性能产生决定性的影响，主要任务是对工业机器人的运动位置、轨迹、姿态以及动作时间、操作顺序等进行有效控制。随着国产机器人的快速发展，未来几年机器人控制器将迎来良好的发展契机。当前每台工业机器人20万元，按照控制器成本占比约15%，可测算出每台工业机器人对应的控制器市场需求。

3 工业机器人技术分析

3.1 工业机器人机械结构

对工业机器人而言，以机械结构为主要标准划分为串联和并联机器人，前者采用了串联机械机构，主要是通过减速器和电机来为其提供驱动，并选择旋转关节为该过程中的作用点，这样一来在单一轴运行运转阶段不会对其他轴坐标原点产生任何影响。而并联机器人机械结构涉及两个及以上独立运动链，且拥有大于两个的自由度，通过并联方式来实现驱动的效果。将两种工业机器人类型进行对比得知，虽然串联工业机器人操作起来相对比较简单，然而其位置反解操作具有比较大的难度，而并联工业机器人位置反解较为简单，但是位置正解较为困难，具有微动精度较高、刚度大一级运动负荷小等优势。在实际的应用过程中，需要根据不同工业生产的需求选择不同类型工业机器人。

3.2 工业机器人驱动系统

当前工业机器人的驱动系统主要有三种类型，分别为液压驱动、电机驱动以及气压驱动，其中液压驱动方式多出现在早期工业机器人中，在实际应用阶段存在低速稳定性差、运行噪声大及泄压明显等相关问题，同时功率单位换算具有相对比较复杂的流程。如今，随着工业机器人技术的发展，极大地推动了液压驱动类型机器人发展，且不断有相关研究企业取得了良好的研究进展，逐步克服液压驱动中冲击荷载大、机械部位形变对机器人影响大等问题与不足。电机驱动是液压驱动之后出现的一种机器人驱动方式，并且不同电机种类所具有的应用范围不同。例如，直流伺服电机采用了闭环控制方式，并且被广泛应用在高精度工业机器人中，而直流电机则主要被用于超高速或超低速工业机器人中，具有结构简单、磨损小、高加速度等优势。

3.3 工业机器人感知系统

在工业机器人中，感知系统发挥着不可替代的作用，其一般是对工业机器人所处环境和内部运行状态给予更加真实的感知，并将收集的信号按照一定的方式转化为数字信号，以确保机器人程序可以识别，随后生成相对应的参数信息。当前工业机器人技术大部分采用视觉伺服技术，其一般是将视觉信号作为反馈信号，以实现对机器人运行环境和运行状态的全面感知，并结合感知情况来对其姿态、位置等进行实时调整[4]。

3.4 工业机器人运动规划

工业机器人运动规划系统的主要功能与作用是根据工业机器人感知系统所获得的现场信息来对机器人运动路径给予科学、合理的规划，以此来确保机器人运动路径与障碍物之间能够保持安全距离，并提高工业机器人操作行动的高精度性，保障工业机器人能够在工业生产中充分发挥其功能与作用。

4 工业机器人技术具体应用

当前我国工业机器人技术具体应用主要有搬运机器人、缝纫机器人、打磨抛光机器人等。其中，搬运机器人可以取代人工来实现对工业生产原材料及产品的及时、高效搬运。在生产线中，通过搬运机器人的工作适应性强、搬运精度高、搬运速度快等优势来构建高效的物流线，搬运机器人能够在狭窄空间对大质量产品进行搬运，不仅能够提高搬运效率，也能够提高搬运的安全性。打磨抛光机器人主要作用是代替人工进行工件打磨抛光与精密加工，这样不仅可以降低人为因素对工件加工质量和精度产生的影响，而且还能够使打磨抛光整体水平得到提升，进而使其符合不同形状机械零件质量标准。缝纫机器人是一种新型的工业机器人，在传统缝纫生产过程中，缝纫过程相对比较复杂，而且涉及的内容比较多，这样就对缝纫工作人员的专业知识和技能提出了较高要求，传统工业机器人难以满足缝纫工作需求。而新型缝纫机器人则针对缝纫工作进行了优化，其具有高精度定位、高水平、环境感知等功能，能够在短时间内对缝纫位置进行准确识别和定位，进而有效提高其生产水平。

5 结语

综上所述，在我国成为全球最大工业机器人市场，工业生产对工业机器人需求不断增加的背景下，对工业机器人技术进行分析研究，十分关键且重要。文章对工业机器人技术的发展与应用进行多方面分析研究，对工业机器人技术发展历程、技术内容、机器人结构及应用形式等给予归纳和总结，以期更好地推动我国工业机器人技术进步，提高工业机器人技术在工业生产中的应用水平，推动工业良好发展。