工业机器人发展的回顾与展望

1.工业机器人发展回顾

工业机器人这支“铁领”工人队伍进入人类历史舞台从事各类生产活动已近半个世纪。在这半个世纪内，经历了示教再现型第一代机器人、具有感觉功能的第二代机器人和智能型第三代机器人的发展过程，已从机械制造应用领域扩展到电子、电器、冶金、化工、轻工、建筑、电力，邮电、军事、海洋、医疗、家庭及服务等行业。

（1）20世纪50年代——萌芽期

1954年美国G.C.Devol发表了《通用重复性机器人》专利论文，第一次提出了“工业机器人”和“示教再现”的概念；1959年由美国Unimation公司推出了世界第一台工业机器人商品，由此美国自称是机器人的故乡。

（2）20世纪60年代——黎明期

1962年美国机床铸造公司AMF生产出圆柱坐标机器人，用于点焊、喷涂、搬运作业；稍后Unimation公司推出球坐标结构的机器人，电液伺服驱动，可完成近200种示教动作。1967年日本引进上述两类美国的机器人技术，率先应用于机械制造业。

（3）20世纪70年代——实用化期（中国：萌芽期）

随着计算机和人工智能技术的发展，机器人进入实用化时代，到20世纪70年代末全世界拥有万台以上的机器人，日本已成为机器人拥有量最多的“机器人王国”。

1971年日立公司推出具有触觉、压力传感器，7轴交流电动机驱动的机器人；1974年美国Milacron公司推出世界第一台小型计算机控制的机器人，由电液伺服驱动，可跟踪移动物体，用于装配和多功能作业；1979年日本山梨大学发明SCARA平面关节型机器人，最适合于装配作业；与此同时，美国Unimation公司推出PUMA系列机器人，为多关节、多CPU二级计算机控制，全电动，有专用VAL语言和视觉、力觉传感器。

1972年中国第一台机器人在上海诞生，随后有10多家研究单位和高校分别开发了固定程序的液压伺服通用机器人。

（4）20世纪80年代——普及期（中国：开发期）

随着制造业FMS和CIMS的发展，使工业机器人在发达国家走向普及，并向高速、高精度、轻量化、成套系统化和智能化发展，以满足多品种、少批量的需要。至20世纪80年代末世界机器人总数已达45万台。

1985年日本FANUC公司推出p-150机器人，交流伺服驱动，采用多处理器，具有MAP（制造自动化通信协议）接口，采用高级语言；1986年美国Adept公司推出Adept系列机器人，采用直接驱动DD（Direct Driving），可离线编程，输出力矩大，可靠性高，是高速高精度的智能装配机器人；1989年日本Bridge-Stone公司推出Soft Boy喷涂机器人，该机器人5个关节均由人造肌肉“橡胶驱动器”驱动，适宜于窄小作业空间的喷涂。

我国于1986年开始实施工业机器人攻关计划和“863”高技术计划机器人主题。

（5）20世纪90年代至21世纪初——扩展渗透期（中国：实用化期）

随着计算机技术、智能技术的进步和发展，第二代具有一定感觉功能的机器人已经实用化并开始推广，具有视觉，触觉、高灵巧手指、能行走的第三代智能机器人相继出现并开始走向应用。进入20世纪90年代后，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10%左右。2004年增长率达到创纪录的20%。其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，高达43%，工业机器人应用领域从制造业向非制造业发展，其应用地域也从发达国家向发展中国家扩展渗透。

1992年德国KUKA公司推出IR761工业机器人，负载达1 500 N，交流伺服驱动，用于大负载焊接、搬运和装配；1996年日本的并联机器人DELTA商品化，可实现每分钟120～150周的超高速搬运动作；法国、加拿大和日本三国共同开发推出了带视觉传感器和激光三角测量系统的焊接跟踪弧焊机器人，使编程时间由几小时缩短为5～10 min，用于船体及容器的焊接。(www.xing528.com)

2.工业机器人发展展望

今后，机器人技术将朝着自学习、自适应、智能性控制方向发展，将开发出具有灵活的可操作性和移动性，丰富的传感器及其处理系统，全面的智能行为和友好协调的人机交互能力的高级机器人。

（1）执行机构

在机器人执行机构研究方面，其重点将集中在各种具有柔性感、灵巧性手爪和手臂上，包括：研究新型轻质、高强度和高刚性的结构材料；快速准确、结构紧凑的机器人手腕、手臂及其连接机构；多自由度、灵活柔顺的执行机构等。

（2）动力和驱动机构

机器人的动力和驱动机构要求质量轻、体积小、出力大。为使机器人的作业能力与人相当，要求其指、肘、腕各关节有3～300 N·m的输出力矩和30～60 r/min的输出转速。减轻驱动机构质量的措施有：采用交流电动机、优化电气机构参数；采用电动机-编码器-调速器一体化设计；进行多自由度集成等。此外，开发形状记忆合金、人工肌肉、压电元件、挠性轴等新型驱动器，如日本水下机器人的手腕和手爪驱动采用了5～8 g的人工肌肉，以2 MPa压力为工作介质，收缩力高达500 N，这是采用新型驱动器的一个成功应用的实例。

（3）移动技术

目前运行的机器人绝大多数都是固定式的，它们只能固定在某一位置进行操作，其功能和应用范围均受到限制。而移动机器人可用于清洗、服务、巡逻、防化、侦察等作业，在工业和国防上具有广泛的应用前景。移动机器人有步行机器人和爬行机器人，由1足、4足、6足、8足或更多足组成。移动机器人能够按照预先给定的任务指令，根据已知的地图信息作出规划，并在行进过程中不断感知周围局部环境信息，自主作出决策，引导自身绕开障碍物，安全行驶到达指定目标，并执行要求的操作。其移动技术包括移动机构、行走传感技术、路径动态规划等。

（4）微型机器人

微型机械和微型机器人是21世纪尖端技术之一，可望生产出毫米级大小的微型移动机器人和直径为几百微米甚至更小的纳米级医疗机器人，可让它们直接进入人体器官进行各种疾病诊断和治疗，而不伤害人的健康。微型机器人研究的关键技术包括：微型执行元件的加工装配、微小位置姿态的控制、微型电池、微小生物运动机构、生物执行器、生物能源机构等。

（5）多传感器集成与融合技术

单一传感器信号难以保证输入信息的准确性和可靠性，不能满足智能机器人系统获取环境信息及系统决策能力。采用多传感器集成和融合技术，利用各种传感信息，获得对环境的正确理解，使机器人系统具有容错性，保证系统信息处理快速性和正确性。将不断研制各种新型传感器，如超声波触觉传感器、静电电容式距离传感器、基于光纤陀螺惯性测量的三维运动传感器，以及具有工件检测识别和定位功能的视觉系统等。此外，在多传感集成和融合技术研究方面，人工神经网络和模糊控制的应用将成为新的研究热点。

（6）新型智能技术

智能机器人有许多诱人的研究新课题，对新型智能技术的概念和应用研究正酝酿着一种新的突破。形状记忆合金（SMA）的电阻随温度的变化而变化，导致合金变形，可用来执行驱动动作，完成传感和驱动功能。基于模糊逻辑和人工神经网络的识别、检测、控制，在规划方法的开发和应用中将占有重要的地位。基于专家系统的机器人规划获得新的发展，将广泛用于任务规划、装配规划、搬运规划、路径规划和自动抓取规划。遗传算法和进化编程用于移动机器人的自主导航与控制。

（7）仿生机构

由于生物体构造、移动模式、运动机理、能量分配、信息处理与综合，以及感知和认识等方面已开展仿生机构的研究，目前，人工肌肉、以躯干为构件的蛇形移动机构、仿象鼻柔性臂、人造关节、多肢体动物的运动协调等将得到关注。