工业机器人已经广泛渗透到制造业、汽车工业、电子工业、食品工业、医疗设备等众多领域，主要承担着生产线上的自动化加工、装配、搬运、焊接、喷涂等任务。它们带来的好处非常直接：提升生产效率、降低生产成本、提高产品精度与质量，同时还能减轻人工劳动强度、降低安全风险。随着人工智能技术的不断演进，现代工业机器人的灵活性和自主性也在显著提升——可以根据实际需求进行编程控制，适应不同的生产环境和工艺要求。智能化程度方面，视觉识别、语音识别、深度学习等技术的加持，让机器人能够实现更精准的操作和决策。下面，就来看看几种典型的工业机器人具体是怎么发展应用的。 ## 搬运机器人的应用与发展 **1）搬运机器人的功能** 搬运作业，指的是用设备（或机器、装置）握持工件（或物品），使其从一个制造加工状态（或位置）移动到另一个制造加工状态（或位置）。搬运机器人就是专门实现这类自动化搬运的工业机器人，广泛应用于化工、食品加工、包装物流等行业，并且还在向更多领域延伸。主要来说，它有这么几个优势： * 改善物流管理和调度的能力。 * 满足柔性场地要求和特殊工作环境需求。 * 负载能力强。 * 具有高动态特性，工作效率高，搬运精度高。 * 简单经济、易维修、使用寿命长，一般寿命可达20年。 **2）搬运机器人系统组成** 搬运机器人是一个完整的系统。拿关节式搬运机器人来说（见图1），其工作站主要由操作机、控制系统、搬运系统（气体发生装置、真空发生装置和手爪等）以及安全保护装置组成[1]。 图1 搬运机器人系统组成 **3）搬运机器人技术发展** 搬运机器人技术是机器人技术、搬运技术和传感技术的融合。开发的重点往往放在对其各项性能的完善上，具体的发展趋势表现为： * **高负载。** 对搬运机器人承载能力的要求越来越高，其能承受的重量也越来越大。比如ABB公司推出的IRB 6660-100/3.3，就是专门为解决坯件大、重、距离长等压机上下料难题而设计的。 * **高可靠性。** 搬运过程中，运行的稳定性至关重要，如果频繁发生故障，很可能导致物料损坏。日本FANUC公司推出的FANUC R-2000iB，就具备紧凑的手腕结构、狭小的后部干涉区域、可高密度布置以及高可靠性等特点。 * **和谐的人机交互。** 搬运机器人越来越常见于人们的生活中，提升人与机器的交流效率，也就显得尤为重要。 * **智能化。** 随着个性化需求和服务增长，传统制造模式已无法满足多样化生产的需求，必须升级到具有个性化定制能力的智能制造模式。不仅要求机器人完成预定工作，还要求它根据环境变化做出适当反应。FANUC公司推出的机器人控制柜R-30iA，内置视觉功能、散堆工件取出功能、故障诊断功能，可实现散堆工件搬运，一定程度上实现了智能化和网络化。 ## 码垛机器人的应用与发展 **1）码垛机器人的功能** 码垛机器人是在物流生产线末端，用以替代工人或码垛机完成工件自动码垛的设备，是机械与计算机程序有机结合的产物。它能在工业生产过程中实现大批量工件、包装件的快速获取、搬运、装箱、堆垛、拆垛等作业，是可以集成在生产线上任意阶段的高新机电产品。优势包括： * 结构简单、故障率低、性能可靠、保养维修方便；占地面积少，操作范围大。 * 适应性强，可根据不同产品类型和实际需求进行编程。 * 智能程度高，可根据设定信息对货物进行识别，送至不同位置。 * 操作简单，可在控制柜屏幕上操作，示教方法简单易懂。 * 能耗低，传统码垛机功率在26kW左右，而码垛机器人功率仅为5kW左右，能耗优势非常明显。 **2）码垛机器人系统组成** 如图2所示，码垛机器人系统主要由操作机、控制系统、码垛系统（气体发生装置、液压发生装置）和安全保护装置组成。 图2 码垛机器人系统组成 **3）码垛机器人技术发展** 在全球生产制造追求最大利益化的背景下，码垛正逐渐成为各企业生产的瓶颈。为了适应不断变化的商品对码垛的要求，让码垛机器人更好地服务工业生产，必须解决限制其技术发展的因素，并针对新功能、新特点进行创新和发展，推动整个包装物流业逐步走向“自动化、无人化”。未来主要发展趋势如下： * **自动化程度不断提高。** 机电综合技术将成为主流，自动化主要包括自动控制和自动检测。微电子、红外线、传感器等新技术，尤其是微小型计算机的广泛使用，将大幅提升自动控制和自动检测水平，进而提高码垛质量。 * **模块集成化。** 采用模块化结构，不仅能最大限度地满足不同物品对机器人的要求，还能让设备的设计和制造更方便，有利于降低成本、缩短生产周期。比如KUKA公司的KRC4控制器，将安全控制、机器人控制、运动控制、逻辑控制及工艺控制集中在一个开放高效的数据标准构架中，实现了机器人部分的模块集成。 * **功能多样化。** 近年来，多品种、小批量商品市场不断壮大，中、小型用户数量急剧增加，多功能通用码垛机器人的发展速度越来越快，应用前景也愈发开阔。 * **高速化。** 不仅要促进单机高速化，还要提高整个码垛系统的高速化。在不断提升自动化程度的前提下，持续改进码垛机器人的结构，让整个码垛系统的高速化向更深层次发展。ABB公司推出的全球最快码垛机器人IRB-460，操作节拍可达2190次/h，运行速度比常规机器人提升了15%。 ## 焊接机器人的应用与发展 **1）焊接机器人的功能** 焊接机器人是替代人类从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。它集焊接技术、计算机控制、数控加工等多种知识于一体，在制造业中的应用数量逐年增加。使用焊接机器人可以提高焊接生产效率，改善劳动条件，稳定和保证产品质量，易于实现差异化生产，并推动相关产业自动化升级改造。通常所说的焊接机器人包括：点焊机器人、弧焊机器人、激光焊接机器人、搅拌摩擦焊接机器人、等离子焊接机器人等，其中点焊、弧焊和激光焊接机器人应用最为普遍。主要优点有： * 稳定和提高焊接质量，保证均匀性。采用机器人焊接时，每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人为因素影响较小，质量稳定。 * 改善劳动条件，提高劳动生产率。工人只需要装卸工件，就能远离焊接弧光、烟雾和飞溅等有害环境，从高强度的体力劳动中解脱出来，并且可以实现24小时连续生产。 * 产品周期明确，容易控制产品产量。 **2）焊接机器人系统组成** 根据焊接工艺不同，焊接机器人的系统组成也略有差异，但基本可以分为机器人系统和焊接系统两部分。具体点焊机器人、弧焊机器人、激光焊接机器人的系统组成分别如图3~图5所示。 图3 点焊机器人系统组成 图4 弧焊机器人系统组成 图5 激光焊接机器人系统组成 **3）焊接机器人技术发展** 焊接是一个高度非线性、多变量、充满多种不确定因素的过程，控制焊缝成形质量极为困难。因此，机器人焊接领域的发展需要借助计算机技术、控制技术、信息和传感技术、人工智能等多学科知识，实现焊接电源静动特性的无级控制、焊接初始位置的自主识别、焊缝实时跟踪、焊接熔池动态特征信息的获取、焊接参数自适应调节等，以确保焊接质量和提高效率。未来主要发展趋势如下： * **智能化水平更高。** 未来焊接机器人需要提高对加工模式及工作环境的识别能力，能够及时发现问题并提出解决方案加以实施，创建能够从有限数据中快速学习的系统。 * **离线编程仿真技术应用更广。** 目前使用的示教再现编程耗时长，机器人长期处于空置状态，影响加工效率。离线编程及计算机仿真技术将工艺分析、程序编制、工艺调整等工作集中于离线操作，不影响焊接机器人的正常生产，将在提高生产率方面发挥积极作用。 * **向基于PC机的通用型控制转变。** 焊接机器人已开始从特定的控制器控制向基于PC机的通用型控制转变，从而把声音识别、图像处理、人工智能等一系列研究成果更好地应用于实际工程生产中。 * **多智能焊接机器人调控技术应用。** 根据生产需要，可以将各种功能的机器人组装成一个群组加工平台，更适用于流水线式生产操作。YASKAWA公司推出的机器人控制柜就可以协调控制多达72个轴，更好地为群组作业服务。 * **焊接技术更加柔性化、网络化。** 将各种光、机、电技术与焊接技术有机结合，实现焊接的精密化和柔性化。FANUC公司的R-0iA与林肯新型弧焊电源之间已实现数字通讯，网络化水平更高。 ## 装配机器人的应用与发展 **1）装配机器人的功能** 装配机器人是工业生产中用于装配生产线，对零件或部件进行装配的一类工业机器人。作为柔性自动化装配作业线的核心设备，它们在不同装配生产线上发挥着强大的作用。主要优点包括： * 操作速度快，加速性能好，能缩短工作循环时间。 * 精度高，具有极高的重复定位精度，保证装配精度。 * 能够实时调节生产节拍和末端执行器的动作状态；通过更换不同的末端执行器，可以方便快捷地适应装配任务的变化。 * 柔顺性好，能够与零件供给器、输送装置等辅助设备集成，并与其他系统配套使用，实现柔性化生产。 * 大多配备视觉传感器、触觉传感器、接近度传感器和力传感器等，大大提高了作业性能和环境适应性，确保装配任务的精准性。 **2）装配机器人系统组成** 装配机器人由装配系统和机器人系统两部分组成（见图6），其中装配系统主要包括：操作机、控制系统、装配系统（手爪、气体发生装置、真空发生装置或电动装置）、传感系统和安全保护装置[2]。 图6 装配机器人系统组成 **3）装配机器人技术发展** 装配机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的自动化装备，已成为柔性制造系统、自动化工厂、计算机集成制造系统中的代表性设备。经过长期发展，装配机器人正逐步实现柔性化、无人化、一体化装配工作。未来主要发展趋势如下： * **操作机结构的优化设计：** 探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比，同时机构进一步向模块化、可重构方向发展。日本川田工业株式会社推出的NEXTAGE装配机器人拥有15个轴，打破了机器人定点安装的局限，其底部配有移动导向轮，可适应不同结构的装配生产线。 * **直接驱动装配机器人：** 传统机器人减速装置中的传动链会增加系统功耗，产生惯量、误差等并降低系统可靠性。采用高扭矩低速电机直接驱动，可以避免这些问题。 * **多传感器融合技术：** 为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器融合是关键。YASKAWA机器人公司推出的双臂机器人SDA10F，拥有15个轴，并配备了VGA CCD摄像头，极大地促进了装配准确性。 * **机器人遥控及监控技术：** 通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有延时的条件下，建立预先显示进行遥控等操作。 * **虚拟机器人技术：** 基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥控操作和人机交互。 * **并联机器人应用范围扩大：** 传统机器人采用连杆和关节串联结构，而并联机器人的执行机构分布得到改善，可减少非累积定位误差和奇异位置的数量。 * **多智能体协调控制技术：** 这是目前机器人研究的一个崭新领域，涉及多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理、感知与学习方法、建模和规划、群体行为控制等方面。同时，同一机器人的双臂协作，以及人与机器人的协作，也是值得关注的方向。