但异形、大型材料或船舶、车辆等大型废旧设备的切割，已开始逐步使用工业机器人。其中，汽车制造业、电子电气工业、金属制品及加工业是目前工业机器人的主要应用领域。图5-41工业机器人的应用汽车及汽车零部件制造业历来是工业机器人用量最大的行业，其使用量长期保持在工业机器人总用量的40%以上。金属制品及加工业的机器人用量大致在工业机器人总量的10%左右，使用的种类主要为搬运类的输送机器人和装卸机器人。......
2023-06-15
工业机器人关键技术探析
【摘要】：采用新材料提高工业机器人的负载与自重比。根据终端用户的需求设计工业机器人系统及相关产品和任务，将保证人机交互的自然，不仅是安全的而且效益更高。工业机器人必须容易示教，而且人类易于学习如何操作。
我国工业机器人尽管在某些关键技术上有所突破，但还缺乏整体核心技术的突破，特别是在制造工艺与整套装备方面，缺乏高精密、高速与高效的减速机、伺服电动机、控制器等关键部件。建议对关键技术开展攻关，掌握以下核心技术：模块化、可重构的工业机器人新型机构设计，基于实时系统和高速通信总线的高性能开放式控制系统，在高速、负载工作环境下的工业机器人优化设计，高精度工业机器人的运动规划和伺服控制，基于三维虚拟仿真和工业机器人生产线集成技术，复杂环境下机器人动力学控制，工业机器人故障远程诊断与修复技术等。
1.工业机器人灵巧操作技术
工业机器人机械臂和机械手在制造业应用中模仿人手的灵巧操作，在高精度高可靠性感知、规划和控制性方面开展关键技术研发，最终达到通过独立关节、创新机构及传感器，达到人手级别的触觉感知阵列，动力学性能超过人手的高复杂度机械手能够进行整只手的握取，并能做加工厂工人在加工制造环境中的灵活性操作工作。在工业机器人创新机构和高执行效力驱动器方面，通过改进机械装置和执行机构以提高工业机器人的精度、可重复性、分辨率等各项性能。因而，在与人类共存的环境中，工业机器人驱动器和执行机构的设计、材料的选择，需要考虑工业机器人的驱动安全性。创新机构包括外骨骼、智能假肢，需要高强度的自重/负载比、低排放执行器、人与机械之间自然的交互机构等。采用新材料提高工业机器人的负载与自重比。
2.工业机器人自主导航技术
在由静态障碍物、车辆、行人和动物组成的非结构化环境中实现安全的自主导航，对装配生产线上对原材料进行装卸处理的搬运机器人、原材料到成品的高效运输的AGV工业机器人，以及类似于入库存储和调配的后勤操作、采矿和建筑装备的工业机器人均为关键技术，需要进一步进行深入研发技术攻关。
一个典型的应用为无人驾驶汽车的自主导航，通过研发实现在有清晰照明和路标的任意现代化城镇上行驶，并能够展示出其在安全性方面可以与有人驾驶车辆相提并论。自主车辆在一些领域甚至能比人类驾驶做得更好，如自主导航通过矿区或者建筑区、倒车入库、并排停车及紧急情况下的减速和停车等。
3.工业机器人环境感知与传感技术
未来的工业机器人将大大提高工厂的感知系统，以检测机器人及周围设备的任务进展情况，能够及时检测部件和产品组件的生产情况、估算出生产人员的情绪和身体状态，需要攻克高精度的触觉、力觉传感器和图像解析算法，重大的技术挑战包括非侵入式的生物传感器及表达人类行为和情绪的模型。通过高精度传感器构建用于装配任务和跟踪任务进度的物理模型，以减少自动化生产环节中的不确定性。
多品种小批量生产的工业机器人将更加智能，更加灵活，而且将可在非结构化环境中运行，并且这种环境中包含有人类/生产者参与，从而增加了对非结构化环境感知与自主导航的难度，需要攻克的关键技术包括3D环境感知的自动化，是在非结构环境中也可实现产品批量生产，适应机器人在加工车间中的典型非结构化环境。
4.工业机器人的人机交互技术
未来工业机器人的研发中越来越强调新型人机合作的重要性，研究全浸入式图形化环境、三维全息环境建模、真实三维虚拟现实装置，以及力、温度、振动等多物理作用效应人机交互装置。为了达到机器人与人类生活行为环境及人类自身和谐共处的目标，需要解决的关键问题包括：机器人本质安全问题，保障机器人与人、环境间的绝对安全共处；任务环境的自主适应问题，自主适应个体差异、任务及生产环境；多样化作业工具的操作问题，灵活使用各种执行器完成复杂操作；人-机高效协同问题，准确理解人的需求并主动协助。
在生产环境中，注重人类与机器人之间交互的安全性。根据终端用户的需求设计工业机器人系统及相关产品和任务，将保证人机交互的自然，不仅是安全的而且效益更高。人和机器人的交互操作设计包括自然语言、手势、视觉和触觉技术等，也是未来机器人发展需要考虑的问题。工业机器人必须容易示教，而且人类易于学习如何操作。机器人系统应设立学习辅助功能用以实现机器人的使用、维护、学习、和错误诊断/故障恢复等。
5.基于实时系统和高速通信总线的工业机器人开放式控制系统
基于实时操作系统和高速总线的工业机器人开放式控制系统，采用基于模块化结构的机器人的分布式软件结构设计，实现机器人系统不同功能之间无缝联接，通过合理划分机器人模块，降低机器人系统集成难度，提高机器人控制系统软件体系实时性；攻克现有机器人开源软件与机器人操作系统兼容性、工业机器人模块化软硬件设计与接口规范及集成平台的软件评估与测试方法、工业机器人控制系统硬件和软件开放性等关键技术；综合考虑总线实时性要求，攻克工业机器人伺服通信总线，针对不同应用和不同性能的工业机器人对总线的要求，攻克总线通信协议、支持总线通信的分布式控制系统体系结构，支持典型多轴工业机器人控制系统及与工厂自动化设备的快速集成。
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2023-06-23
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