|
作者：賴維德 一、技術概述 工業機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅動系統和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用。 機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業自動化水平的重要標志。 機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環境狀態的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續工作、精確度高、抗惡劣環境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產物，它是工業以及非產業界的重要生產和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。 二、現狀及國內外發展趨勢 國外機器人領域發展近幾年有如下幾個趨勢： 1．工業機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10．3萬美元降至97年的 6．5萬美元。 2．機械結構向模塊化、可重構化發展。例如關節模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統三位一體化；由關節模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產品問市。 3．工業機器人控制系統向基于PC機的開放型控制器方向發展，便于標準化、網絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統的可靠性、易操作性和可維修性。 4．機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術在產品化系統中已有成熟應用。 5．虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業環境中的感覺來操縱機器人。 6．當代遙控機器人系統的發展特點不是追求全自治系統，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統構成完整的監控遙控操作系統，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統成功應用的最著名實例。 7．機器人化機械開始興起。從94年美國開發出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。 我國的工業機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業的近30條自動噴漆生產線（站）上獲得規模應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統技術與國外比有差距；在應用規模上，我國已安裝的國產工業機器人約200臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩定。因此迫切需要解決產業化前期的關鍵技術，對產品進行全面規劃，搞好系列化、通用化、模化設計，積極推進產業化進程。 我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000米水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發出直接遙控機器人、雙臂協調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種；在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發應用上開展了不少工作，有了一定的發展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統攻關，才能形成系統配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。 三、“十五”目標及主要研究內容 1．目標 根據國內外機器人發展的經驗、現狀及近幾年的動態，結合當前國內經濟發展的具體情況，“十五”期間機器人技術應重點開展智能機器人、機器人化機械及其相關技術的開發及應用；開展以機器人為基礎的重組裝配系統及其相關技術的開發研究及加強多傳感器融合及決策、控制一體化技術及應用的研究。重點解決我國已研制應用多年的示教再現型工業機器人的產業化前期關鍵技術，大力推進其產業化進程，力爭在“十五”末期實現噴涂、焊接、裝配等機器人的產業化。 2．主要研究內容 （1）示教再現型工業機器人產業化技術研究 ①關節式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產品標準化、通用化、模塊化、系列化設計。 ②柔性仿形噴涂機器人開發：柔性仿形復合機構開發，仿形伺服軸軌跡規劃研究，控制系統開發，整機安全防爆、防護技術開發，高速噴杯噴涂工藝研究。 ③焊接機器人（把弧焊與點焊機器人作為負載不同的一個系列機器人，可兼作弧焊、點焊、搬運、裝配、切割作業）產品的標準化、通用化、模塊化、系列化設計。 ④弧焊機器人用激光視覺焊縫跟蹤裝置的開發：激光發射器的選用，CCD成象系統，視覺圖象處理技術，視覺跟蹤與機器人協調控制。 ⑤焊接機器人的離線示教編程及工作站系統動態仿真。 ⑥電子行業用裝配機器人產品標準化、通用化、模塊化、系列化設計。 ⑦批量生產機器人所需的專用制造、裝配、測試設備和工具的研究開發。 （2）智能機器人開發研究 ①遙控加局部自主系統構成和控制策略研究 包括建模－遙控機器人模型，人行為模型，人控制動態建模，圖形仿真建模，虛擬工具和虛擬傳感器建模；以人為主體的人機共享規劃與控制；局部自治控制；多傳感融合技術；雙向力反應控制；知識庫的建立，學習與推理方法；人機交互的高級控制技術；虛擬現實（VR）控制與真實世界控制的相互關系；監控系統的結構。 ②智能移動機器人的導航和定位技術研究 包括導航和定位系統的系統結構；在結構環境或非結構環境中導航和定位方法研究；感知系統的傳感器和信息處理系統的構成；根據傳感器數據建立環境模型的方法；模糊邏輯的推理方法用于移動機器人導航的研究。 ③面向遙控機器人的虛擬現實系統 包括人機交互圖形生成及其程序設計；遙控機器人（載體和機械手）幾何動態圖形建模；遙控操作環境圖形建模；遙控機器人操作與數據的獲取；虛擬傳感器及基于虛擬傳感器的雙向力反應、反饋控制；面向任務的虛擬工具；基于虛擬現實的遙控操作的理論與方法；基于VR模型操作和真實世界操作的可切換、相容性和可交換性；VR監控系統。 ④人機交互環境建模系統 包括CAD建模中的人機交互技術；求知模型工件的反示過程中的交互技術；機器人與環境的布局及功能驗證中的交互技術；傳感器數據處理中的交互技術；機器人標定、運動學建模、動力學建模中的交互技術。 ⑤基于計算機屏幕的多機器人遙控技術 包括三維立體視覺建模；模型的計算機顯示；遙控機器人模型的控制；人機接口；網絡通訊。 （3）機器人化機械研究開發 ①并聯機構機床（VMT）與機器人化加工中心（RMC）開發研究 包括VMT與RMC智能化結構實現技術；VMT與RMC關鍵傳動實現技術；VMT與RMC加工、裝配、擺放、涂膠、檢測作業技術；VMT與RMC監控檢測技術開發；VMT與MRC智能化開式CMC控制系統開發；系統軟件和應用軟件開發；智能化機構、材料機電一體化技術；作業狀態變量智能化傳感技術；機電一體化的多功能及靈巧作業終端；通用智能化開式CNC控制硬軟件系統；并聯機構運動學及動力學理論；RMC智能控制理論；VMT與RMC典型應用工程開發。 ②機器人化無人值守和具有自適應能力的多機遙控操作的大型散料輸送設備 包括散料輸送系統監控和遙控操作的傳感器融合和配置技術；采用智能傳感器的現場總線技術；機器人運動規劃在等量堆取料、自主操作中的應用；基于廣域網的遠程實時通訊；具有監測和管理功能的故障診斷系統。 （4）以機器人為基礎的重組裝配系統 ①開放式模塊化裝配機器人 包括通用要素的提取；專用件標準化；裝配機器人模塊CAD設計；通用主流計算機構造的控制器；人機界面方式；網絡功能。 ②面向機器人裝配的設計技術 包括數字化裝配與CAD集成技術；產品機器人化裝配規劃生成技術；產品可裝配性模糊評價。 ③機器人柔性裝配系統設計技術 其中單元技術：供料系統智能化設計、末端執行器快速執行、物流傳輸及其控制與通訊；集成技術：柔性裝配線仿真軟件、管理系統。 ④可重構機器人柔性裝配系統設計技術 開展基于任務和環境的動態重構機器人柔性裝配系統理論研究；系統基于自治體（Agent）的分布式控制技術及系統各單元體間的協作規劃。 ⑤裝配力覺、視覺技術 包括高精度、高集成化六維腕力傳感技術；視覺識別與定位技術。 ⑥智能裝配策略及其控制 包括裝配狀態實時檢測和監控；裝配順序和路徑智能規劃及控制技術。 （5）多傳感器信息融合與配置技術 ①機器人的傳感器配置和融合技術在水泥生產過程控制和污水處理自動控制系統中的應用 包括面向工藝過程的多傳感器融合和配置技術；采用智能傳感器的現場總線技術；面向工藝要求的新型傳感器研制。 ②機電一體化智能傳感器 包括具有感知、自主運動、自清污（自調整、自適應）的機電一體化傳感器研究；面向工藝要求的運動機構設計、實現檢測和清污的自主運動；調節控制系統；機器人機構和控制技術在傳感器設計中的應用。 |
