21世纪我国工业机器人技术展望.pdf

2 科技论坛 2 1 世纪我国王业机器人技术展望 周胜付 ( 重庆文理学院，重庆4 0 2 1 6 0 ) 摘要：介绍了我国现已有工业机器人技术和国外工业机器人的发展状况，比较了国内与国外工业机器人相比存在的技术差距，并对 国内工业机器人所存在的问题进行分析，展望了2 1 世纪新一代工业机器人的发展趋势。 关键词：工业机器人；技术；问题 1 概述 目前，在工业生产中，使用较为最广泛的是六自由度垂直多关节 机器人。全球不同机器人厂家都各自有自己的设计标准、设计风格 和外观结构特点，但在主要的机械结构和控制功能方面差异并不 大。在2 l 世纪这个科技飞速进步的时代，主流的新型工业机器人，其 主要性能的改进体现在机械结构更加紧凑，速度控制和精度范围更 加准确，功能更多，制造工艺水平更先进等。德国在世界上拥有先进 的工业制造技术和工业化水平，率先提出了德国工业4 o 。这标志着 全球加快了全面进入以智能制造为核心的智能经济时代的到来。而 一个国家工业机器人在实际工业生产中的应用情况，是度量一个国 家在工业自动化水平高低的标尺。现今，国家对机器人产业“十三 五”规划已基本制定完成，在“十三五”期间，我国机器人产业将迎来 黄金发展阶段。机器人产业既有国家规划，又有供给侧结构性改革 的内在需求，更有市场的广泛热情参与，其产业美好的发展愿景值得 我们期待。 2 我国现有工业机器人技术 我国在2 0 世纪7 0 年代初开始机器人研究和开发工作，到现在 已经历了四十多年的历程。前十年期间处于研究单位自主开研发状 态，由于条件和技术有限，发展速度相对较为缓慢。1 9 8 5 年后，国家 开始重视机器人产业的发展，机器人产业开始列入国家有关计划， 发展相对比较快。尤其是在机器人技术国家攻关、“8 6 3 ”计划、自然 科学基金等重点支持下，使我国的机器人技术取得了较为大的发展 和进步，在国内的市场也慢慢走向成熟阶段。在工业机器人技术领 域，取得了如下成就： 在基本技术方面：比如对机器人进行运动学分析和动力学分 析，在运动时对轨迹的规划和运算，机器人专用编程语言、传感器的 研发以及对机器人进行在线、离线编程，远距离操控机器人等均取 得较大进展，有些已在实际生产中得到的应用。 在基本零部件的研发方面：在高精密的减速器、谐波减速器、高 性能的驱动器、高精度的交直流伺服电机、直线滚动导轨、滚子轴承 等方面均研究开发出一系列产品。由于制造精度、材料的使用等方 面与国外还存在差距，这些元部件批量生产还有一定的距离。 在控制装置的研发方面：已自主开发出具有双处理器、多处理 器，多级分层控制功能的机器人配套设备和控制装置，和上世纪相比 所使用的控制装置、处理器等有了显著的改进，工作效率也有大幅 提高。 在操作机研制方面：已开发出一些较为前沿的机器人，如服务机 器人、能在光滑墙壁上爬行的机器人，用于工业装配的工业机器人 其重复定位精度可高达0 0 2 4 r a m ，可用移动终端操控的机器人，能 够潜入深海进行水下作业的机器人等。 3 国外工业机器人的发展 机器人发展经历了由低级到高级的发展过程，从第一代以示教 一再现方式工作的工业机器人，到第二代能够感知外界环境的工业 机器人，一直到现在智能工业机器人，经历漫长而曲折的探索过程。 在1 9 5 9 年，日本的发那科公司率先推出了电液步进电机。发那 科是世界上唯一一家能提供集成视觉系统的机器人企业，同时也是 唯一能提供0 5 公斤到1 3 5 吨负重的公司。发那科机器人产品在装 配、搬运、焊接等不同生产环节有着广泛的应用，其产品种类多大 2 4 0 余种。 1 9 7 4 年，欧洲诞生了世界上第一台六轴工业机器人，该工业机 器人由瑞士的A B B 公司发明。A B B 拥有当今世界上产品种类最多 的机器人产品，先进的技术和售后服务，目前A B B 系列的机器人在 全球已装机器人已超过1 6 万台，欧洲的汽车制造商沃尔沃，印度 T A T A 汽车机器人弧焊工作站，马来西亚伟创力涂装线等都应用了 A B B 生产的工业机器人。 日本安川电机是制造伺服、变频器、工业开关等传动产品一流 的公司。在2 0 1 5 年，日本安川电机开发出3 6 厘米工业机器人，是世 界上最小的工业用小型关节机器人，其重量仅4 3 千克，具有便于变 换位置，分担作业等特点。 1 9 7 1 年德国K U K A 为D a im l e r B e n z 建成欧洲焊接生产线； 1 9 7 3 年，K U K A 建成世界上第一台六轴机电驱动工业机器人F A M U L U S 。K U K A 所制造的机器人广泛应用于汽车、冶金、食品和塑 料成形等领域。其中最通用的应用范围包括工厂焊接、喷漆、弧焊、 装配、搬运、零件加工等其它自动化作业。 4 我国现有工业机器人存在的问题 虽然我国已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术，控制系 统软硬件的自主设计开发、运动学计算分析、运动轨迹规划技术等， 能自主制造生产部分机器人关键性元器件，但国内工业机器人行业 尚处于产业发展阶段，技术还不够成熟，和国外相比，仍存在很多问 题，主要有以下几个方面： 4 1 在零部件制造方面精度不高，使用寿命短。目前，国内工业机 器人中很重要零部件如谐波减速器、高精度电机等，都依赖于国外 进口。虽然国内能生产和制造这些元器件，但随着使用时间的增加， 内部元器件磨损非常严重，导致精度逐渐降低。在工业机器人传感 器的生产和制造上，与国外相比，没有国外生产的使用寿命长。质量 稳定。 4 2 设计理念上还不够成熟，无法和国外相媲美。国内生产的机 器人大部分都是为了实现其功能，而没有兼顾其稳定性等方面的因 素。随着使用时间的增加，容易出现各问题，这方面和国外国外相比 还有一定的差距。 4 3 控制器开发方面开放性、容错性、独立性差，不能对其进行外 部扩展等问题。目前国内工业机器人大多采用的是封闭式结构。虽 然使用封闭的控制器结构使其具有特定的功能，在一定程度上提高 系统的稳定性，并且在作业时适应于特定的环境，但不便于对系统 进行外部扩展和改进。其次，软件的独立性差。机器人的软件结构及 其逻辑结构依赖于处理器硬件，这些软件都是每个制造商自己独立 设计开发的，不能和其它不同类型机器人进行数据交换。在容错性 方面也和国外相比也有差距，若其中一个处理器出问题，就可能导致 整个系统的瘫痪，进而导致真整个机器无法正常工作。 4 4 拓展功能不足，具有局限性。如今，机器人控制器的研究开发 主要着重于关节，对于关节的改进可以改善和提高系统的性能。由 于机器人结构本身的具有封闭性，难以根据实际需求对系统进行外 部扩展，如增添传感器控制、摄像头等。从总起来看，并行和串行结构 的机器人，二者所使用的控制器都是封闭式的，从而导致在软件和硬 件都难以对其进行扩充和更改，使得机器人具有局限性。 5 我国未来工业机器人技术发展方向 目前投入运行的工业机器人中，应用较多的是一种人机隔离的 并且不具有人脑智能的工业机器人。而未来工业机器人则是可以融 人到实际的生产环境去，能够配合工人一起完成相应的动态生产任 务，与人优势互补，合作互助。通过观察能学习人的技能，保证人机物 的安全，拥有人的灵巧作业性以及自主智能优化决策能力等功能。 要想满足这一新的发展需求，我们必须从根本上反思传统的设计理 念，在已有的技术基础上，研究开发新的机器人理论与技术。则需要 有以下要求： ( 转下页) 科技论坛 3 我国地质矿产勘查困难分析与建议 何美娟 ( 黑龙江省区域地质调查所，黑龙江哈尔滨1 5 0 8 0 0 ) 摘要：我国是能源和资源的消耗大国，每天因为进口石油、煤炭以及金属资源都会浪费我国大力资金，所以实现资源的能源的自给 自足以及做好战略资源储备就必须从源头上管理，也就是从地质矿产勘测上做好工作，争取找到一批优良的矿业资源，满足我国发展的 需求。分析了地质矿业勘查工作的难点，并对其有关问题提出了相应意见， 关键词：地质勘测；能源和资源；矿业；问题及建议 1 引发我国地质矿产勘测存在的困难 1 1 人才的缺乏。人才的缺乏是我国矿业勘测是最严重的问题。在 矿业勘探是 个不受重视的专业，喜好地质知识的学生少，导致每年就 读地质勘探专业的学生很少。同时地质勘探的效益低，工作辛苦，需要 长途跋涉，所以很多这个专业的学生在实习过后就放弃了专业。这就造 成了我国地质勘探的人才没有后继2 ：5 J 。另一方面，地质勘探是一项非 常高深的学科，一般高校毕业的学生根本无法胜任这项工作，在地质的 勘探过程中使用的设备已经是最新的技术，但是一项技术被写人课本 至少有着三年的时间，所以学生对于新设备、新算法不了解与初学者无 异。另外地质勘测并不是想以前那种形式，采用挖掘和钻孔探测的方 式，而是采用磁力扫描、同位素扫描等。这样的数据结果更准确但是呈 现在勘察人员的并不会像原来一样的土壤情况，而是一堆数字，能否从 数字中找出特征，判断地质的情况，这就完全依靠地质勘探人员是职业 素养。 1 2 勘测经费问题。勘测经费包括勘测人员的工薪以及场地与设备 的资金。一般勘察工作都是由国家或者当地政府组织的，所以经费的支 出上，一般都是国家和地方政府出资。但是一旦探明 处矿产其矿产价 值和勘察经费的支出完全是不成比例的，这样的现象一方面导致勘探 部门工作积极性不断降低。另一方面带来的问题就是在勘探到一处大 型矿区的时候，当地政府的工作重心就放在开发矿上，忽视了勘测部门 的意义。在一处矿区开发完毕后在重启勘探工作，同时再次对勘察工作 进行拨款。在矿区开发的过程中，地质勘探部门的工作资金严重不足， 待遇很低，造成了很多人才流失。这也是我国矿业勘测发展不良的主要 原因之一。这样的现象不仅出现在我国的地质勘测部门上，在一些矿业 企业的地质勘探部门中也经常面临这样得情况，因为资金的不足，导致 探测工作的发展走走停停，发展缓慢。 2 我国地质矿产勘查的建议 2 1 人才培养。二十一世纪是 个知识经济时代，是 个市场竞争 激烈的时代，在这个时代各个企业和行业之间的竞争归根结底都是人 才的竞争。在我国地质矿产勘查中，最首要的任务便是对人才的培养。 在培养人才的过程里，首先各个科研院校应着重培养出一些有责任心、 专业能力及实践能力强的地质勘查人才，以此壮大勘查队伍。其次要对 已经从事相关工作的技术人员不断的加强培训力度，使其能更新勘查 技术。 龙规范矿产勘查市场。我国现有的地质矿物勘查队伍里面，大部分 已经进入了商业性的轨道。在已有的地质勘查单位里，不论在资金还是 市场竞争中，大部分比较分散。为了使问题得到解决，政府部门应该对 一些地质勘探单位进行扶持，组建起实力强、竞争力更强的地质勘查公 司。唯此方能更适应于当今社会的经济趋势，同时在寻找深矿、大矿方 面处于有利地位。我国的地质勘探投入总体上呈现出缓慢的增长，由于 投入的结构不平衡，与新形势下对地质工作的需要相比有效投入不足。 3 结论 本文分析了我国矿业勘测开发的主要困难和问题集中在人员素质 不高，后续人力储备不足，同时面临勘探经费的缺乏，政府和企业一般 都在矿业资源要枯竭的时候才认识到勘探的重要性，但是勘探对人才 已经发生严重的流失现象。我国的勘探方向已经逐渐的改变，从原来的 露天矿产、浅层矿产逐渐转变为深层矿产、海洋矿产等方面。探测难度 不断加大，这是因为我国在露天矿产和浅层矿产中已经出现开发过度， 想要满足需求就要在向着更深，或者开发难度大的方向发展。 参考文献 1 】刘伟地质矿产勘查单位档案管理的对策分析 J 3 中外企业家，2 0 1 6 ( 1 1 ) 圜李兴洪分析地质矿产勘查困难所在口l 黑龙江科教信息，2 0 1 6 ( 13 ) 唧余应朝刍议新时期地质矿产勘查工作手段及方法l 黑龙江科技信 息，2 0 1 6 ( 1 4 ) 【4 】刘玉我国地质矿产勘查困难分析与建议口l 黑龙江科技信息，2 0 1 6 ( 1 甄 5 1 选用安全的柔性机构和轻型本体材料。传统的机器人关节 部位，为了提高强度一般采用的是刚性机构，由这种刚性机构在人机 合作时存在安全隐患。操作不当可能危及人身安全。所以，为了保证 人身安全，研发安全性较高的柔性机构是首先需要考虑的问题。将 现有机器人以钢铁为主体材料的结构替换为新的轻型本体材料，也 是提升机器人本体性能和与人共融时需要考虑的因素。 5 2 机器人对外界的感知、认识和理解技术。机器人要能理解环 境、理解合作者意图与需要。为了达到机器人与人在同一空间安全 共存、彼此紧密合作的目的，机器人需要具备对外界环境的感知能 力和人机共享环境能力，根据合作者的需求作出相应的动作，进而为 协同行为和决策提供相应的依据。 5 3 机器人自主学习能力和决策优化能力。要打破传统设计理 念中机器人只能在人为设计好的框架下进行相应的任务，实现机器 人自我知识经验的不断积累，达到和人具有相似的智能发育。为了 实现这一目的，需要克服机器人对人类知识获取的能力，学习人类的 思维来表示抽象思维和方法，进行独立思考的能力，处理问题的能力 以及对知识的存储更新等几大难题。 5 4 人机合作时安全因素技术。机器人在与人合作时不得伤害 人类以及危及人类安全。与人共融的新一代机器人在非结构化的、