工业机器人关键技术标准体系.doc

工业机器人技术体系梳理分析

随着国内生产力发展和经济构造调节不断进一步，有关基本科学与技术（特别是信息技术）研究巨大进步，电机、IC、工业计算机等机器人基本部件性能不断提高，成本不断减少，机器人发展正面临重大发展机遇。大力发展智能机器人核心技术和产业原则，结合国内在制造业方面成本优势，勉励和扶持一批大中型公司发展机器人产业，早日成为智能机器人研发和制造大国，对于提高国家竞争力具备重要战略意义。
对工业机器人定义各国并不统一。GB/T 12643-1997以为：“（操作型）工业机器人是自动控制，可重复编程，多用途，并可对三个和三个以上轴进行编程。可以是固定式或移动式，在工业自动化中使用”。可见，工业机器人多指面向工业领域，可编程并实现各种用途多关节机械手或多自由度机器人。
工业机器人广泛应用是国内装备制造业转型升级重要手段和内容，这对于上海地区更具备现实意义。工业机器人可以在如下几方面发挥重要作用：产品复杂化、多样化，生产周期缩短规定产品可靠性、精度等得到更有效控制，避免人为因素干扰；“以人为本”和人力成本提高规定把劳动力从单调、枯燥、有危害环境中解放出来；市场经济规定公司不断提高劳动生产率，增强核心竞争力；顾客个性化需求规定不断减少生产调节时间，提高生产过程“柔性”。
1． 工业机器人行业现状 工业机器人生产公司可提成几种类型：
（1） 国际机器人公司及合资公司
跨国公司：发那科、库卡、ABB、安川电机、川崎等。
合资公司：首钢莫托曼等。
（2） 已形成产业国内骨干机器人公司
沈阳新松机器人公司、海尔机器人公司、奇瑞机器人公司等。
（3） 机床公司机器人(设备)部门
沈阳机床、华中数控、大连机床、友嘉等机床公司都在进行工业机器人研发，初步形成产业化只有广州数控。
（4） 小型机器人专业公司
生产某些类型或系列机器人产品或从事集成、应用开发。
2． 工业机器人应用领域
机器人重要产销国日本记录数据显示，工业机器人重要应用在：装配（普通装配、贴片、钎焊、涂胶等）、焊接（弧焊、点焊、气焊等）、净室（平板显示、半导体等）、原料输送、注塑、涂装、机械加工（上下料、切割等）及其他领域（按销售额递减排序）。08、资料也表白，中华人民共和国工业机器人重要种类为搬运、焊接和净室，应用行业为汽车及零部件、电子电器和化工（塑料和橡胶）等。和全球工业机器人状况类似，所占比例略有不同。
3． 工业机器人主流产品
（1） 焊接机器人 涉及点焊、弧焊、激光焊等。重要用于汽车整车、零部件焊接工作。
（2） 搬运机器人 用于机床上下料、码垛搬运、冲压自动化生产线、自动装配流水线等。
（3） 装配机器人 用于普通装配、贴片工艺、钎焊、钻孔和连接（铆接、螺栓连接、粘接）等。
（4） 喷涂机器人 用于汽车、马达、箱体、工程机械等喷涂生产线。
（5） 净室机器人 在干净环境中使用机器人，多用于电子电器行业。
（6） 真空机器人 多用于半导体工业中，实现晶圆在真空环境中传播。
4． 上海在工业机器人方面技术水平
上海市已成功研制了“上海一号”、“上海二号”、“上海三号”、“上海四号”等工业机器人，在机器人优化设计制造技术、机器人控制技术及驱动系统等积累了近年研发经验。在工业机器人应用领域，已掌握多关节、桥架、码垛等工业机器人系统及周边自动化设备集成技术，具备搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等机器人工作单元成套、成线能力。
5． 将来产业化发展规定
（1） 注重功能组件核心技术研究和产业化
开展面向应用机器人核心部件国产化开发（机器人用伺服系统、机器人控制器、机器人智能控制技术、高精度减速机等），把公司行为提高为国家行为；进一步开展机器人控制技术研究。提高机器人高速平稳性、动态跟踪精度、智能控制等方面性能。
（2） 着力提高机器人系统可靠性和产业体系建立。
从样机到成熟产品要通过长时间应用验证和不断改进，需要由公司牵头开展国产机器人稳定性、可靠性等问题研究和应用测试；加强研发、加工、装配、检测、维护、管理等机器人产业体系建立。
（3） 瞄准将来，支持研发智能型工业机器人技术
（一） 主流产品体系架构及研发重点
产品分类体系、功能模块分解
1． 产品分类体系
工业机器人分类办法众多，可以按照运动机构分（直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型、移动型），按照驱动方式分（电力、液压、气动驱动），按照运动方式分（点位控制、持续轨迹控制），按程序输入方式分（编程输入、示教输入）及按照完毕功能（操作、移动）等。依照1990年工业机器人国际原则大会文献，把工业机器人按控制方式分为四类[2]：
（1） 顺序型。此类机器人拥有规定程序动作控制系统；
（2） 沿轨迹作业型。此类机器人执行某种移动作业，如焊接。喷漆等；
（3） 远距作业型。例如在月球上自动工作机器人；
（4） 智能型。此类机器人具备感知、适应及思维和人机通信机能；能在较为复杂环境下工作；能按照人指令自选或自编程序去适应环境，并自动完毕更为复杂工作。
当前，机器人强国日本工业机器人已在第发展（3）、（4）类工业机器人路上获得了举世瞩目成就。国内应用大多局限在（1）、（2）类上，某些大公司产品中某些单元模块（如视觉）体现出智能化，但整体智能化水平不高。
2． 产品功能模块
工业机器人产品重要由本体、驱动系统、控制系统、感知系统等某些构成。
（1） 本体，即机座和执行机构（即机械壳体某些）
涉及机械臂、腕部和手部，有机器人尚有移动机构；机械主体占所有成本15%左右，国产化限度最高，诸多国外机器人本体也叫国内工厂代工。
（2） 驱动系统，涉及动力装置和传动机构
用以使执行机构产生相应动作装置。国产伺服电机、驱动器、减速器等与欧洲和日本产品尚有较大差距。重要体当前对运动控制核心技术和制造工艺掌握上；高精度减速机国产化也是影响工业机器人发展难题，其他大部份核心部件则要依赖进口，使国内机器人成本居高不下。
（3） 控制系统
控制系统是按照输入程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。重要任务就是控制工业机器人在工作空间中运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作时间等，国内缺少机器人控制器和相应机器人控制器硬件平台。
（4） 感知系统
是实现工业机器人与人、环境互操作人机接口，也是工业机器人智能化以完毕更复杂操作必备条件。由各种传感器和接口构成。
3． 智能型工业机器人研究重要领域
（1） 面向与人类近距离或有接触作业高负载自重比机械臂安全性、轻型化、机灵性技术；
（2） 基于新材料（如碳纤维材料）机构轻量化、模块化设计、加工工艺，基于力反馈安全性控制和柔顺控制等办法；
（3） 面向运动核心部件，涉及电机总成、驱动器、控制器、传感器及大载荷、高功率比密度构造与驱动集成设计等，制定各硬件模块互联接口原则；
（4） 提高工业机器人安全防护性及系统可靠性办法；
（5） 控制与规划；
（6） 高精度和健壮性传感器；
（7） 人机接口方式；
（8） 机器人协作系统；
（9） 自学习和自适应性；
（10） 建模仿真及分析；
（11） 低成本技术。
区域重点产品或方向
依照上海市“两个中心”定位和产业布局，建议：重点发展面向汽车、电子电器行业、飞机制造、光伏、风电设备制造等产业需求工业机器人；着力提高老式汽车行业国产工业机器人运营可靠性；长期、持续投入，进一步开展新一代智能型工业机器人研究。
记录数据表白，日、韩等国近年来在电子电器行业销售额增长迅速，而在汽车焊接等老式领域有所下降。长三角地区是中华人民共和国电子电器行业心脏，也是劳动密集型公司汇集地，在此行业大力推广工业机器人产品具备特殊意义。该行业相应机器人类型重要有：小型装配机器人（装配、贴片、钎焊等）、净室加工机器人、真空机器人等。
积极摸索面向飞机制造、新能源汽车、太阳能发电、风电设备制造等新兴产业工业机器人和柔性自动化生产线开发。当前，库卡等机器人国际巨头已经开始面向这些新兴产业所需产品研发和布局。
汽车及零部件生产是上海老式优势产业，也是工业机器人使用量最大行业。典型类型有：点焊机器人、弧焊机器人、涂装机器人等。在此应着力开展国产机器人运营可靠性研究和测试，大力推广国产工业机器人及有关设备。
加大投入，开展新一代智能化工业机器人长期、持续研发和应用测试。争取在高起点上与重要机器人生产大国技术水平同步，避免始终走重复研究、追赶国外技术老路。
（二） 核心技术体系分析
核心技术体系框架
1． 整机设计制造技术
2． 机器人控制技术
3． 可重构装配技术
4． 末端执行器
5． 机器人协作
6． 人机合伙
7． 非构造化环境下信息感知
8． 建模及仿真
技术实现方案和途径：主流、潜在
1． 整机设计制造技术
以往工业机器人研究办法重要在借鉴国外先进技术基本上进行二次开发，导致自身创新技术少，基本零部件制造能力和核心技术落后，制约了工业机器人发展。应着力解决工业机器人整机设计制造能力，大力支持高性能伺服电机、基于高速总线新型控制器、高精度减速器、健壮性高精度传感器等机器人核心部件设计制造技术研发，加速机器人产业化和高品位制造业发展步伐。通过5-长期研究开发，下列目的也许得到突破：
短期（）：初步解决核心部件设计制造技术，设计开发汽车、电子工业中惯用主流型号机器人，具备机器人整机设计及制造能力。
中期（）：解决机器人核心部件设计制造技术，电子、汽车等主流行业机器人产品系列化、产业化，在飞机制造、太阳能发电、风电设备制造等新兴产业开发出亟需典型产品和配套自动化生产线。
短期（2025）：完全掌握代表世界先进水平机器人核心部件设计制造，成为有关产品重要研发、制造基地之一。智能型工业机器人及配套生产线设计制造能力达到国际同类水平
2． 机器人控制技术
机器人控制技术是机器人技术核心，直接影响着机器人性能。为提高机器人动态响应、轨迹跟踪精度、抑制运动中振动等，除了关注机器人控制器，还要注重机器人控制办法和有关软件研究和开发。加强对与人类近距离或有接触作业“人机合伙”环境中控制技术研究。通过不断研究工作，但愿在5-内在如下方面实现突破：
短期（）：为电子、汽车工业中惯用主流型号机器人及其构成自动化生产线控制提供技术支持和配套控制软件，在基于力反馈安全性控制、柔顺控制和多机器人协调控制方面获得明显进展。
中期（）：提供满足主流行业和新兴产业中工业机器人控制规定控制技术，开发具备预测功能、分布式、自调节自整定控制器。
长期（2025）：为智能型工业机器人及配套生产线提供技术支撑，开展容错、自动可重组控制器研究。
3． 末端执行器
国内使用机械手等机器人末端执行器在力量和速度上已获得很大发展，但在完毕抓取细小物体等机灵操作任务时与国外产品差距很大。由于要达到操作性能往往受到机器视觉、运动规划、高性能传感器、数据解决办法等诸多条件限制。通过5-长期研发后，但愿将来末端执行器可以达到如下目的：
短期（）：应用品有几种关节、复杂限度较低专用末端执行器在特定工业环境下实现抓、拾、放等简朴操作，能完毕普通经济精度装配工作。
中期（）：用中档复杂限度多关节末端执行器实现对工业环境下典型工件、工具抓取和实现一定机灵动作，对典型零部件完毕精度较高装配。
长期（2025）：用品有类似人触觉传感器和高性能执行机构末端执行器进行复杂限度很高抓取，实现工业环境下需要各种机灵动作，完毕复杂装配工作。
4． 可重构装配生产线
当前从设计到产品推出开发周期依然过长，大量时间耗费在新产品生产前设备调节、调试上，规定将来设备应具备自适应性强可重构生产能力，体现设备“柔性”。在将来5-间但愿通过持续研发，达到如下目的：
短期（）：在较短时间内完毕涉及工业机器人、刀具安装到附属设备安装在内典型新产品装配生产线安装、调配、编程、调试等工作。
中期（）：在24小时内完毕涉及工业机器人、刀具安装到附属设备安装在内典型新产品生产线安装、调配、编程、调试等工作。
长期（2025）：在5-8小时内完毕涉及工业机器人、刀具安装到附属设备安装在内典型新产品生产线安装、调配、编程、调试等工作，涉及工业机器人、工具和其他外部设备等。
5． 机器人协作
机器人协作是各种机器人共同完毕或分工完毕复杂任务，工作过程涉及多台机器人任务规划、协调控制等，是分布式人工智能理论典型应用。当前，协作中控制任务普通预先人工设定和划分，在中央控制单元控制下由各台机器人分别执行。通过5-长期研发，将来机器人协作但愿达到如下目的：
短期（）：可以协作完毕如汽车焊接、喷涂、装配等系列工作，采用集中控制、通信和公共地图，为各台机器人分别划分任务。
中期（）：为团队拟定明确任务，采用分布式控制和内部智能通信实现任务协作。粒子群理论和规则得到应用。
长期（2025）：由机器人自主进行任务获取和分派，完毕协作任务。
6． 人机合伙
人与机器人共存、合伙共处工作环境是将来工厂普遍场景，在这种生产线中，工业机器人以人类助手或智能机器等各种方式与人合伙。因而需要在人机接口、安全性等方面进行进一步研究。通过5-长期研发，将来人-机器人合伙（co-robot）但愿达到如下目的：
短期（）：机器人可以理解人自然语言、肢体语言等，能依照人规定，在一段不需要人干预时间（5个小时）完毕生产线上简易装配。
中期（）：机器人有效理解人自然语言、肢体语言等，依照人规定规定完毕生产线上较复杂装配任务，维持10-20小时不需要人干预。
长期（2025）：机器人有效理解理解人自然语言、肢体语言等，依照人规定与人共处，完毕生产线复杂装配任务，维持40-60小时不需要人干预。
7． 非构造化环境下信息感知
面向小批量、多样化客户需求柔性自动化生产线需要工业机器人智能化水平更高，可以在与人近距离接触非构造化环境中安全运营，这就规定工业机器人信息感知能力大幅提高。信息感知能力与传感器技术、计算机技术和通信技术发展密切有关，它们为机器人信息获取提供保障。通过5-进一步研究，在机器人信息感知方面但愿达到如下目的：
短期（）：三维视觉、力觉及其他传感技术获得长足发展，工业机器人在半构造化或非构造化典型工作环境下（针对典型产品）可运用感知到三维信息完毕批量操作任务。
中期（）：运用信息感知技术完毕小规模、成批生产任务，使工业机器人广泛应用到小型加工公司；
长期（2025）：运用信息感知技术，使工业机器人可以完毕单件个性化生产需求。
8． 建模及仿真
建立数学模型是对现实世界一种描述方式。虽然在诸多领域都会用到这种办法，但由于工业机器人多自由度机电一体化系统特点和运动形态，决定其在设计制造过程中对实际对象及组件进行建模、仿真显得格外重要。在数学建模方面国内有较好理论基本和人才储备，但愿通过5-进一步研究，在这方面不断获得进展，达到如下目的：
短期（）：摸索建立描述机器人模型原则语言；
中期（）：形成描述机器人模型原则语言，采用优化算法建立了可互换模型。
长期（2025）：完毕对机器人和环境状态精准判断，实现实时动态建模。
（三） 技术体系图
表1　智能机器人总体技术体系图
①：上海优势技术 ②：共性技术 ③：能突破技术 ④：能冲击市场技术 ⑤：必要基本技术 ⑥：必要安全性技术 ⑦：原则化技术
核心
零部
件
技术要素
技术现状和课题

此后举措
技术实现途径
技术评价
①
②
③
④
⑤
⑥
⑦
机器人本体
机器人本体优化设计；高负载自重比执行机构安全性、轻型化和机灵性
现阶段技术：
构造、功能相对单一；执行机构负载自重比有待提高；末端执行器柔性和机灵性不强
当前：
对机器人本体开展新构造、功能和设计办法研究；
针对新兴产业和中小公司需求，开展机器人本体研究工作

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下阶段技术：
功能拓展和构造优化；高负载自重比执行机构刚度、安全性；末端执行器轻型、精密性
3-5年：
进一步提高执行机构负载自重比；对机构模块化、可重构技术作研究
依托材料科学等有关学科发展，摸索新高强度轻质材料

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长远技术：
机灵型机械手
5-
机灵型机械手研究
推动公司研发团队和专业研究机构在智能、机灵型机械手方面长期合伙

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精密减速器
谐波减速器、FA摆线针轮减速器、RV涡轮减速器制造技术
现阶段技术：
有技术积累和国内代替产品，在输出扭矩高度、精度、效率、寿命上差距较大
当前：
开展高精密谐波减速器、FA减速器制造工艺研究
制定产业发展引导政策

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下阶段技术：
提高制作工艺水平，减少成本
3-5年：

勉励重点科研机构、公司界合伙研发

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长远技术：
开发

5-

加速推动产业化进程

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伺服电机和驱动器
伺服电机及驱动器设计、制造技术；
现阶段技术：
同步交流伺服电机、直接驱动进电机及驱动器制造技术
当前：
全数字交流伺服驱动控制和绝对位置反馈
继续推动大功率交流永磁同步电机及驱动某些基本研究和产业化

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下阶段技术
发展机器人专用伺服电机和驱动器，采用高速通讯总线；
3-5年：
研究高效控制驱动算法，提高响应速度和控制精度；

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长远技术：
高效、低能耗、安全、高扭矩执行元件（电、气、液）及驱动器
5-
智能材料应用；高效气动、液压执行元件开发

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嵌入式控制器
控制器设计、开放式原则化体系构造、控制方式和算法
现阶段技术：
用运动控制卡、嵌入式控制系统、以工控机和实时系统为核心机器人控制软件系统，可实现全数字协调运动控制
当前：
研发机器人控制器硬件平台，提高控制精度，减少控制器成本，提高人机界面和谐性；

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下阶段技术
开放性、模块化体系构造；模块化、层次化通用软件包；网络化控制器技术
3-5年：
基于力反馈安全性控制和柔顺控制；多机器人和操作者之间协调控制
制定硬件模块互联接口原则
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长远技术：
提高智能化控制水平
5-
机器人控制器原则化；基于PC机网络化、智能化控制器；

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传感器
传感器可靠性；新型传感器开发；信息融合；智能传感器
现阶段技术：
视觉、力觉等重要传感器得到使用；提高既有传感器精度和可靠性；
当前：
集成电机、驱动器和传感器驱动单元；视觉图像辨认

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下阶段技术
实用性多传感器信息融合算法
3-5年：
三维视觉传感器

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长远技术：
类皮肤多传感器阵列；人机交互中智能感知技术

5-
生物信号和肢体运动信号采集、辨认、理解算法及实现技术

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表2　工业机器人产品体系图
产品类别
产品领域
重要用途
研究开发方向
工业机器人
焊接（电焊、弧焊、气焊、激光焊等）
l 汽车及零部件
l 工程机械
l 飞机制造
Ø 焊缝实时智能跟踪及反馈
Ø 计算机离线示教和仿真
Ø 非线性非平稳情形下多传感器融合算法
Ø 焊缝辨认和导引技术
Ø 焊缝成形质量控制办法
Ø 多机器人协调控制技术
Ø 特殊环境下焊接机器人技术
装配（普通装配、贴片技术、钎焊、制孔及连接、密封涂胶等）
l 电子电器
l 金属制品及机械
l 飞机装配
Ø 机器人装配系统总体设计技术
Ø 低成本可重构柔性工装技术
Ø 多功能末端执行器技术
Ø 装配系统集成控制技术
Ø 数字化测量辅助高精度定位技术
Ø 离线编程与仿真技术
Ø 多机器人协作系统
搬运（物料运送、上下料）
l 金属制品及机械
l 电子电器
l 汽车及零部件
Ø 途径规划
Ø 自动导航技术
Ø 避障　　
Ø 多机器人协调控制
Ø 非构造化环境下信息感知
干净
l 电子电器（半导体加工）

Ø 干净润滑技术
Ø 高速平稳控制技术
Ø 控制器小型化技术
Ø 非接触晶圆检测技术
喷涂
l 汽车及零部件
l 工程机械
l 飞机制造
l 电器
l 搪瓷
Ø 途径规划
Ø 位姿精度与标定
Ø 喷涂机器人控制算法
Ø 离线编程与仿真技术

表３　工业机器人技术体系图
①：上海优势技术②：共性技术③：能突破技术④：能冲击市场技术⑤：必要基本技术⑥：必要安全性技术　⑦：原则化技术
产
品
领
域
功
能
分
类
技
术
要
素
技术现状和课题
此后举措
技术实现途径
技术评价
①
②
③
④
⑤
⑥
⑦
电子电器

汽车及零配件

飞机制造、太阳能发电、风电设备等等新兴产业

工业机器人及配套生产线
整机设计制造技术
现阶段技术：
创新技术少，基本零部件制造能力和核心技术落后
当前：
外购核心零部件，进行系统集成和应用研究
国家主导，产、学、研、用合伙开发机器人核心部件、主流型号机器人及配套生产线
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下阶段技术：
解决核心部件设计制造技术，具备机器人整机设计及制造能力
3-5年：设计开发电子、汽车工业中惯用主流型号机器人
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长远技术：
彻底解决工业机器人整机及配套生产线设计制造技术
5-
主流行业机器人产品实现系列化、产业化
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控制系统
机器人控制技术
现阶段技术：
在运动控制和伺服电机控制理论与制造工艺上与欧美日差距较大
当前：
继续开发具备高速总线接口嵌入式控制器、同步交流伺服电机、集成式伺服驱动控制器
国家主导，产、学、研、用合伙开发机器人核心部件、主流型号机器人及配套生产线
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下阶段技术：
在基于力反馈安全性控制、柔顺控制和多机器人协调控制方面获得进展
3-5年：
开发开放机器人控制器硬件平台，为主流型号机器人提供控制技术支持和配套控制软件
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长远技术：
开发具备预测功能、分布式、能自调节自整定控制器
5-
提供主流行业和新兴产业中工业机器人控制规定控制技术
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机器人本体
末端执行器
现阶段技术：
国产化限度较高，在力量和速度上获得发展

当前：
致力于提高执行机构工作性能和可靠性
国家主导，产、学、研、用合伙开发

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下阶段技术
应用品有几种关节、复杂限度较低专用末端执行器在特定工业环境下实现抓、拾、放等简朴操作
3-5年：
构造设计优化；新材料增进轻型和机灵性提高

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长远技术：
用中档复杂限度多关节执行器实现对典型工件、工具抓取和机灵动作
5-
构造设计；带有触觉传感器阵列机械手研发

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工业机器人产品及生产线
可重构装配技术
现阶段技术：
设备安装、调节、调试时间长
当前：
开展了初步研究
国家主导，产、学、研、用合伙开发
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下阶段技术
在较短时间内完毕典型新产品装配生产线安装、调配、编程、调试
3-5年：
开展生产线建模及仿真、布局与规划等研究
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长远技术：
在24小时内完毕典型新产品装配生产线安装、调配、编程、调试
5-
将人工智能与可重构技术结合
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工业机器人产品
机器人协作
现阶段技术：
停留在实验室和样机生产阶段
当前：
开展了初步研究
以高校为主，联合顾客开展研究
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下阶段技术
可以完毕系列工作协同
3-5年
开展任务规划、协同控制等研究
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长远技术：
采用分布式控制和内部智能通信实现任务协作
5-
开展有关算法和规则研究
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工业机器人产品
人机合伙
停留在实验室和样机生产阶段
当前：
开展了初步研究
以高校为主开展研究
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能理解人语言，依照规定完毕简易装配
3-5年
开展人机接口方面研究

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有效理解人语言，依照人规定规定完毕生产线上较复杂装配任务
5-
开展人机接口方面研究；进行规划决策等研究

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感知系统
信息感知
处在构造化环境下信息感知限度
当前：
开展了初步研究
以高校为主开展研究

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在半构造化或非构造化典型工作环境实现信息感知
3-5年
触觉传感器研究；数据解决；多信息融合

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在非构造化典型工作环境实现信息感知
5-
提高自主定位导航能力

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控制系统
建模及仿真
缺少描述机器人模型原则语言
当前：
开展了初步研究
以高校为主开展研究
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形成描述机器人模型原则语言
3-5年
开展建模原则语言开发
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初步实现实时动态建模
5-
对自身和外部环境精准评估；控制算法优化

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