“机器人+”背景下工业机器人技术创新发展方向

摘要：工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，具有柔性好、自动化程度高、可编程性好、通用性强等特点。在工业领域中，工业机器人的应用能够代替人工进行单调重复地生产作业，特别是在危险恶劣环境中的加工操作。基于此，本篇文章对“机器人+”背景下工业机器人技术创新发展方向进行研究，具有重要现实意义。

关键词：“机器人+”；工业机器人；技术创新

引言

工业机器人是现代及未来制造业支撑性自动化设备，是机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等技术综合应用的集大成。利用工业机器人进行焊接、喷涂、装配、搬运等已在现代工业生产中普及。国际机器人联合会和国际标准化组织将机器人定义为一种半自主或全自主工作的机器，可以做对人类有益的工作，且是一个自动、位置可控、可编程的多功能机械手，它具有多轴，可以通过编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用设备，执行各种任务。根据国际标准化组织ISO给出的定义，服务机器人是“对人类或设备执行有用的任务，不包括工业自动化应用设备”，由该定义可知，自动引导车辆属于服务机器人的范畴，鉴于AGVS已是现代工业生产的重要物流工具，故也将其列入工业机器人类别。本文分别从世界和我国两个视角概括了工业机器人发展脉络，简述了现阶段工业机器人的关键技术，并提出工业机器人技术未来发展的挑战。

1工业机器人的特点

随着工业智能化的不断进步，工业机器人应运而生。后者不仅仅可以模仿人类行为，同时也可以模拟人类思维。在相关工作人员输入特定命令之后，工业机器人则能够完成有着较大危险性以及难度的生产或制造任务，因此在很大程度上使工业生产及制造的质量与效率得到提升。尤其是在最近几年，得益于中国科技水平的进一步提升，有越来越多的领域引入工业机器人，并且取得了预期的应用目标。通过分析，不难看出工业机器人在被应用于工业生产时，和人类比较，主要有着如下几项特性：（1）大脑层面。作为人类神经中枢的大脑，能够对身体行为予以控制与调节。而在工业机器人中，其自动控制系统即起到大脑的功能，能够在特定指令或者参数设置之下，完成相应的操作。（2）身体层面。工业机器人其结构形态即为身体。不过，考虑到工业机器人功能与应用领域存在一定差异，因此其往往有着不同的结构形态。（3）动作效层面。相关研究数据都表明，机械设施与机械臂在目前的工业生产领域中得到了较为普遍的应用，且主要被应用于如下几项作业过程中：1）焊接作业。通过应用工业机器人，相关制造公司则能够大幅度提升包括氩弧焊等在内的焊接准确性，进而实现更高质量的工业焊接作业。2）运输等作。在仓储物流环节中引入工业机器人，则能够使物品分拣和运送工作的效率得到进一步提升，从而降低工作人员工程量以及工作的难度。

2技术瓶颈

（1）视觉、传感和感知。机器视觉技术已初步在各个领域中得到应用，包括提高产品检测速度，降低产品质量检测成本，确保协作机器人系统的安全性，以及实现通用零件选择等。然而，视觉技术达到如人眼般的智能程度仍然是亟待解决的一个瓶颈问题。在使用视觉技术之前，主要采用触觉感知来解决问题，因为基于视觉的解决方案，围绕数据检测的鲁棒性仍然存在许多挑战，例如在对生产线上的部件进行微小的改动，或者工厂内部的照明发生微弱的变化，常常导致视觉系统无法正常辨识或者系统崩溃。此外，采用深度学习的视觉应用，相机系统的神经网络目前需要大量的训练数据，由于无法提供工业环境所需的可靠性和鲁棒性，基于深度学习的解决方案仍然是不通用的。（2）机器人抓握。机器人抓握仍然是实现机器人解决方案的另一个技术瓶颈。目前，机器人的抓握能力与人类相比还差距甚远，因此物理抓握物件仍然是一个巨大的挑战。大多数机器人操纵器仍然不灵活，机器人的抓握能力仍然远远赶不上人类的抓握能力。目前的机器人抓手很难操纵灵活、可变形的物体，这就限制了机器人抓手在制造中的大量应用，因此工业自动化生产中需要更灵活和智能的抓握技术（3）新技术的鲁棒性和可靠性。将新技术引入生产线时，需要广泛的鲁棒性和可靠性。制造过程中的异常或变化可能代表一个障碍，例如：照明变化会影响感知算法，而零件方向或尺寸的异常会限制夹紧能力；两者都可能使生产线停滞。制造过程中任何形式的停机时间都将造成损失，这时引入人工智能（ArchitectureIntelligence，AI）算法是值得考虑的一条解决方案，虽然AI本身具有智能、精准等特点，但其鲁棒性和可靠性有待进一步探索和验证。

3工业机器人的新技术发展方向

3.1协作共融技术

共融机器人是指能与作业环境、人以及其他机器人协作交互、自主适应复杂动态环境并协同作业的机器人。机器人协作共融技术，就是要让机器人把人的符号化、学习、预见、自我调节以及逻辑推理能力与机器的精准、力量、重复能力、作业时间、环境耐受力等结合在一起。共融机器人通过人工智能与规划算法进一步提高感知、推理、决策、学习等智能活动的能力，融入到人的生产环境，是一个可以和环境、人类进行自然交互的工作系统。近年来，国内外企业发布了多种人机协作型机器人，这些机器人大多采用圆润、柔软的外壳，并于各个关节集成高性能碰撞检测功能、力矩传感器和视、触觉等感知元件，如应用广泛的“ＵＲ”系列协作机器人、ＡＢＢ公司的ＹｕＭｉ等。这些协作机器人大多轻量小巧，因此带负载能力有限，并且传感器等造价昂贵。在现有工业制造系统中，协作工业机器人由于设计初衷及能力限制，在人员感知和柔性控制能力方面仍有较长的一段路要走。

3.2功能模块可重构与系统智能化

工业机器人在功能模块方面的新技术可以分为关键零部件技术和系统层技术两个方面。随着工业机器人在精密操作、现代智能制造领域的深入应用，生产柔性化、智能化、集成化要求进一步提高，新技术通过整机设计中轻量化、高强度材料的应用提高机器人负载／自重比；新型高标准化、模块化的一体化关节设计有利于提升生产效率和自动化水平；可拓展、可移植的开放式控制系统和可重构化的机械设备搭建能够提高生产线的柔性程度，机器人关键零部件技术的发展将大大加快智能制造和柔性制造的进程。在系统层技术方面，通过充分利用嵌入式控制系统，使生产技术实现交互式、联网化，达成机器人、机械设备与人之间的共融合作，未来随着人工智能技术的发展与应用，智能机器人系统将以人工智能为决策主体，结合多传感融合感知、虚拟现实与人机交互技术，实现人机智能协作。

结束语

工业机器人的研发与应用是21世纪工业发展的主题之一，但国产工业机器人离国际顶尖企业生产的机器人尚存较大差距，为了尽早赶超该领域国际顶尖水平，我国需要持续专注于工业机器人核心部件的投入与研发并不断拓展上下游产业链，走产业化发展的道路。在未来，随着国家政策的不断扶持，各项技术的不断革新，国产工业机器人若能够抓住机遇，提升核心竞争力，势必会成为工业机器人领域的一线品牌，从而在全球占据更多市场份额。

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