工业机器人关键技术综述

摘 要 工业机器人既是先进制造业的关键支撑装备，大力发展机器人产业，对于打造中国制造新优势，推动工业转型升级，加快制造强国建设具有重要意义。文章概述工业机器人关键技术的发展现状，核心内容，以及未来的发展趋势。

关键词 工业机器人;关键技术;现状;趋势

1 工业机器人关键技术发展现状

机器人关键技术主要指的是四大核心零部件的技术：减速器、电机、伺服、系统。机器人的基础技术与智能制造其他领域的技术有着诸多共性，发展国产机器人的关键技术对推动工业转型升级，解决劳工荒、人工成本快速上涨等现实问题有重要的意义。

目前我国机器人技术已经取得了一定的进步，但与工业发达国家相比，还存在较大差距。主要表现在：关键技术起步晚，基础弱;核心零部件依赖进口;核心技术创新能力薄弱等。核心零部件长期依赖进口的局面短期内依然难以改变，导致国内企业生产成本压力大，也限制了国内机器人技术的发展和成长[1]。

2 工业机器人关键技术

2.1 本体设计关键技术

（1）传动结构设计

拟定总体方案，确定机器人的结构形式，并据此进行初步的传动结构设计，零件结构设计，三维建模。要求设计者对机器人常见的结构形式，常见的传动原理和传动结构，减速器的类型和特点非常的熟悉和了解，要有较强的结构设计能力和经验。

（2）减速器选型

要对减速器的结构类型，性能参数的含义有深刻理解，会对减速器进行选型和计算校核。要会对减速器进行检测、测试，检测的内容主要包括噪音、抖动、输出扭矩、扭转刚度、背隙、重复定位精度和定位精度等。

减速器的振动会引起机器人末端的抖动，降低机器人的轨迹精度。减速器振动有多种原因，其中共振是共性的问题，机器人企业必须掌握抑制或者避免出现共振的方法。

（3）电机选型

必须要对电机的工作特性非常了解，并会对电机扭矩、功率、惯量进行计算和校核。

（4）仿真分析

进行静力学和动力学的仿真分析，对电机、减速器的选型校核，对本体零部件进行强度、刚度校核，降低本体重量，提高机器人工作效率，降低成本。对三维模型进行模态分析，计算出固有频率，有助于进行共振抑制。

（5）可靠性设计

结构设计采用最简化设计原则;本体铸铁件采用综合性能较好的球墨铸铁材料，铸铝件采用流动性好的铸造材料，采用金属模铸造;装配要有详细的装配工艺指导书，装配过程中有部件和单轴的测试;装配完后要有整机性能测试和耐久拷机测试;提高整机的防护等级设计，提高电柜的抗干扰能力，以适用不同工作环境的使用。

2.2 电机伺服关键技术

（1）电机

①轻量化

对机器人来说，电机的尺寸和重量非常敏感，通过高磁性材料优化、一体化优化设计、加工装配工艺优化等技术的研究，提高伺服电机的效率，减小电机空间尺寸和降低电机重量，是机器人电机的关键技术之一。

②高速

在减速比不能较大调整的情况，电机的最高转速则直接影响着机器人的末端速度和工作节拍;而且速比太低会影响电机的惯量匹配，因此提高电机的最高转速也是机器人电机的关键技术之一。

③直驱、中空

随着协作机器人的不断成熟和推广，机器人结构的轻量化、紧凑化要求提高，发展高力矩直接驱动电机、盘式中空电机等机器人专用电机也是未来的趋势。

（2）伺服

①快速响应，精确定位

伺服的响应时间直接影响到机器人的快速起停效果，影响机器人的工作效率和节拍。

②无传感器方式实现弹性碰撞

安全性是衡量机器人性能的一个重要指标。加入力或力矩传感器会使结构更复杂，成本更高，基于编码器、电机电流耦合关系的无传感弹性碰撞技术，可以在不改变本体结构，不增加本体成本的条件下，在一定程度上提高机器人的安全性。

③驱动多合一、驱控一体

驱动多合一，多核CPU多轴驱控一体化集成技术，提高系统性能，降低驱动体积与成本。

④在线自适应抖振抑制

工业机器人悬臂结构极易在多轴联动、重载及快速起停时引起抖动。机器人本体刚度要与电机伺服刚度参数相匹配，刚度过高，会造成振动，刚度过低会造成起停反应缓慢。机器人在不同的位置和姿态，以及在不同的工装负载下刚度都不一样，很难通过提前设置伺服刚度值能满足所有工况的需求。在线自适应抖振抑制技术，提出免参数调试的智能控制策略，同时兼顾刚度匹配、抖振抑制的需求，可以抑制机器人末端抖动，提高末端定位精度。

2.3 控制关键技术

（1）运动解算及轨迹规划

运动求解，最佳路径规划，提高机器人的运动精度和工作效率。

（2）动力学补偿

一般工业机器人是一个串联悬臂式结构，刚性弱，运动复杂，容易发生变形和抖动，是一个需要运动学和动力学相结合的课题。为了改善机器人的动态性能和提高运动精度，机器人控制系统必须建立动力学模型，进行动力学补偿。补偿的内容主要包括重力补偿、惯量补偿、摩擦补偿、耦合补偿等。

（3）标定补偿

机器人机械本体由于加工误差和装配误差的原因，难以避免会和理论数学模型存在偏差，会降低机器人TCP精度和轨迹精度，如在焊接和离线编程使用时会受到严重影响。通过检测和算法标定补偿机器人的模型参数，可以较好地解决此问题。

（4）工艺包完善

控制系统要与实际工程应用相结合，系统除不断升级，功能更加强大外，还要根据行业应用的需求不断开发和完善工艺包，有利于积累行业工艺经验，对客户来说使用更方便，操作更简单，效率更高[2]。

3 工业机器人技术未来的发展趋势

3.1 人机协作

随着机器人从与人保持距离作业向与人自然交互并协同作业方面发展。拖动示教、人工教学技术的成熟，使得编程更简单易用，降低了对操作人员的专业要求，熟练技工的工艺经验更容易传递。

3.2 自主化

目前机器人从预编程、示教再现控制、直接控制、遥操作等被操纵作业模式向自主学习、自主作业方向发展。智能化机器人可根据工况或环境需求，自动设定和优化轨迹路径、自动避开奇异点、进行干涉与碰撞的预判并避障等。

3.3 智能化、信息化、网络化

越来越多的3D视觉、力传感器会使用到机器人上，机器人将会变得越来越智能化。随着传感与识别系统、人工智能等技术进步，机器人从被单向控制向自己存储、自己应用数据方向发展，逐渐信息化。随着多机器人协同、控制、通信等技术进步，机器人从独立个体向相互联网、协同合作方向发展。

参考文献

[1] 徐方.工业机器人产业现状与发展[J].机器人技术与应用，2007， 30（05）：2-4.

[2] 吴振彪.工業机器人[M].武汉：华中理工大学出版社，2006：200.