工业机器人（2）：技术发展综述

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简介

工业机器人是制造业竞争的基石，它能以较小代价实现高生产力、高质量和自适应性的制造。快速成长的行业和新兴的制造工艺，将越来越多的依赖先进的机器人技术。这些行业的机器人数量一直在稳步增长。

为满足大规模的制造，机器人的设计应当满足最广泛的潜在需求，但这在实际中很难做到。不同类别机器人的设计会根据负载、自由度而定，并且工作空间会根据应用类别（比如装配、码垛、喷漆、焊接、机械加工和一般的处理任务）而确定。每个机器人工作单元（robot workcell）包括一个或多个带控制器的机器人，以及外设（例如：夹持器或工具[1]、安全装置、传感器、物料传送装置等）。通常，完整的机器人工作单元的成本是机器人本身的4倍。机器人工作单元根据实际需求而确定，利用标准化的工程方法、工具和借鉴最佳实践范例能降低成本，并能预估性能。目前，工业机器人的需求主要来自于资本密集和批量化生产的行业，比如：汽车工业、电子和电器工业。未来的机器人不仅是现今机器人特点和性能的扩展，它应当遵循新的设计原则，以满足更广阔的应用领域和行业。同时，新技术，特别是IT技术，也将极大影响未来工业机器人的设计、性能和成本[2]。

如今，国际和国内标准有助于量化机器人的性能，规范安全防范措施、几何尺寸和媒介接口。大多数机器人都在安全屏障后面操作，以确保人员工作在安全距离范围[3]。随着安全标准的提高，人和机器人可以直接协作，允许他们在同一个工作空间工作[4]。

技术发展简史

• 1954年，George Devol申请了一项工业机器人专利“programmed article transfer”[2]。
• 1961年，George Devol与Joseph Engelberger合作，成立了第一家机器人公司Unimation，并在通用汽车工厂将机器人用于从压铸机中提取部件。此后几年，大多数液压驱动的Unimate机器人被用于工件处理和汽车点焊[5]。由于机器人自身的工作和产出都很稳定，很多公司迅速投入工业机器人的研发。
• 1969年，斯坦福人工智能实验室学生Victor Scheinman设计出了6自由度的斯坦福臂（Stanford Arm）[6]。
• 1973年，ASEA（如今的ABB）推出了第一台微电脑控制的全电动工业机器人IRB-6，它的运动轨迹连续，这是弧焊和加工的前提。这种方案稳定性好，机器人的寿命可长达20年[7]。20世纪70年代，机器人在汽车制造业中迅猛发展，主要用于点焊和操纵应用（handling application）。
• 1978年，日本山梨大学的Hiroshi Makino发明了平面双关节型机器人 (SCARA，Selective Compliance Assembly Robot Arm)[8]。这种独创的四轴廉价方案能实现快速和复杂的手臂运动，非常适合组装小部件，它为全球电子和消费产品的繁荣做出了贡献[9]。
• 1998年，Güdel公司推出了弧形轨道龙门，不同于传统的三正交平移轴方案，它以高的速度和精度极大增加了机器人的工作空间。这对物流（或machine tending）尤为重要[10]。
• 2005年，MOTOMAN推出第一个同步双手操控机器人的商用产品。灵巧的双手操控对复杂的装配至关重要，可以同时完成处理和工件加工，或者处理大型对象[11]。
• 2006年，KUKA实现了拥有先进动力控制能力的紧凑型7自由度机器手臂[12]¹，它是轻巧型机器人，满足了对机器人速度和重量的要求²。
• 到2007年：（1）机器人的平均价格大约降到了1990年的三分之一，大大提高了速度、负载、平均无故障时间（MTBF，mean time between failures ）等性能指标。（2）可以通过一个控制器对多个机器人编程和同步，使得它们可以在同一个工件上精确协作。（3）用于识别、定位和质量控制的视觉系统，逐步成为机器人控制器的组成部分。（4）机器人通过现场总线或以太网互联，进行控制、配置和维护。（5）机器人租赁和提供机器人服务的公司逐步发展。

在工业机器人发展的同时，自动牵引车（AGV，automated guided vehicle）也出现了。这些移动的机器人用于将工件从一点运到另一点。在自动化柔性制造系统（FMS，flexible manufacturing system），AGV已经成为实现其弹性流程的重要部分。起初，由地板下预置的电缆或磁体引导AGV的运动。与此同时，自主导航的AGV被用于大规模的制造和物流。AGV导航利用激光扫描器，获得真实环境的精确二维地图，进行自我定位和避障[13]。在早期，AGV和机器手臂的组合用于加载和卸载机床（machine tool），只有在特定环境，例如半导体行业设备的加载和卸载，这些移动手臂才有经济价值。

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工业机器人的4个显著特点：

1. 仿人功能：利用传感器感知环境，在功能上模仿人的腰、臂、手腕、手爪等部位以实现工业自动化；
2. 可编程：通过编程适应工作环境的改变；
3. 通用性：通过更换末端执行器完成不同的工业生产任务；
4. 良好的环境交互：在无人为干预的条件下，对工作环境自适应控制能力和自我规划能力。

• 传统类容：运动学、动力学、基本控制系统等
• 新技术：机器视觉、机器听觉、移动机器人的自主定位等

参考资料

1. [1]W. Chen, S. Zhao, and S. L. Chow, Handbook of Manufacturing Engineering and Technology: Grippers and End-Effectors. Springer, 2014. [Online]
2. [2]M. Hägele, K. Nilsson, and J. N. Pires, Handbook of Robotics: Industrial Robotics. Springer, 2008.
3. [3]B. S. Dhillon, A. R. M. Fashandi, and K. L. Liu, “Robot systems reliability and safety: A review,” Journal of quality in maintenance engineering, vol. 8, no. 3, pp. 170–212, 2002.
4. [4]R. Dieter Schraft, S. Schmid, and S. Thiemermann, “Man-robot cooperation in a flexible assembly cell,” Assembly Automation, vol. 22, no. 2, pp. 136–138, 2002.
5. [5]S. Y. Nof, Handbook of industrial robotics, vol. 1. John Wiley & Sons, 1999.
6. [6]V. D. Scheinman, “Design of a computer controlled manipulator.,” DTIC Document, 1969.
7. [7]M. P. Groover, Automation, production systems, and computer-integrated manufacturing. Prentice Hall Press, 2007.
8. [8]H. Makino, “Assembly robot.” Google Patents, Jul-1982. [Online]
9. [9]G. Boothroyd and L. Alting, “Design for assembly and disassembly,” CIRP Annals-Manufacturing Technology, vol. 41, no. 2, pp. 625–636, 1992.
10. [10]R. Bloss, “Innovation at IMTS,” Industrial Robot: An International Journal, vol. 30, no. 2, pp. 159–161, 2003.
11. [11]M. Wilson and Y. Kusuda, “The international robot exhibition 2005 in Tokyo,” Industrial Robot: An International Journal, vol. 33, no. 5, pp. 342–348, 2006.
12. [12]G. Hirzinger et al., “DLR’s torque-controlled light weight robot III-are we reaching the technological limits now?,” in Robotics and Automation, 2002. Proceedings. ICRA’02. IEEE International Conference on, 2002, vol. 2, pp. 1710–1716.
13. [13]R. Siegwart, I. R. Nourbakhsh, and D. Scaramuzza, Introduction to autonomous mobile robots. MIT press, 2011.

脚注