工业机器人技术体系

工业机器人技术体系梳理分析随着我国生产力的发展和经济结构调整的不断深入，相关基础科学与技术(尤其是信息技术)研究的巨大进步，电机、IC、工业计算机等机器人基础部件的性能不断提高，成本不断降低，机器人的发展正面临重大发展机遇。大力发展智能机器人的核心技术和产业标准，结合我国在制造业方面的成本优势，鼓励和扶持一批大中型企业发展机器人产业，早日成为智能机器人的研发和制造大国，对于提升国家竞争力具有重要的战略意义。对工业机器人的定义各国并不统一。GB/T12643-1997认为：“(操作型)工业机(1)国际机器人公司及合资公司跨国企业：发那科、库卡、ABB、安川电机、川崎等。合资企业：首钢莫托曼等。已形成产业的国内骨干机器人企业沈阳新松机器人公司、海尔机器人公司、奇瑞机器人公司等。(设备床企业都在进行工业机器人研(4)小型机器人专业公司生产某些类型或系列的机器人产品或从事集成、应用开发。工业机器人应用领域2010（普通装配、贴片、钎焊、涂胶等）、焊接（弧焊、点焊、气焊等）（平板显示、半导体等）（上下料、切割等）（额递减排序）。08、09年资料也表明，中国工业机器人的主要种类为搬运、焊接和净室，应用行业为汽车及零部件、电子电器和化工（）等。和全球工业机器人情况类似，所占比例略有不同。工业机器人主流产品接工作。水线等。（接、粘接）等。4海在工业机器人方面的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”成线能力。未来产业化发展的要求产化开发（等），把企业行为提升为国家行为；深入开展机器人控制技术的研究。提升机器人的高速平稳性、动态跟踪精度、智能控制等方面的性能。3）瞄准未来，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（直角坐标型、），按照驱动方式分（动），按照运动方式分（点位控制、连续轨迹控制），按程序输入方式分（1990年工业机器人国际标准大会的文件，把工业机器人按控制方式分为四类：[2]顺序型。这类机器人拥有规定的程序动作控制系统；沿轨迹作业型。这类机器人执行某种移动作业，如焊接。喷漆等；远距作业型。比如在月球上自动工作的机器人；成更为复杂的工作。目前，机器人强国日本的工业机器人已在第发展（3）、（4）类工业机器人的路上取得了举世瞩目的成就。国内应用大多局限在（1）、（2）类上，某些大公司的产品中部分单元模块（如视觉）体现出智能化，但整体智能化水平不高。产品功能模块工业机器人产品主要由本体、驱动系统、控制系统、感知系统等部分组成。本体，即机座和执行机构（即机械壳体部分）的机器人还有移动机构；机械主体占全部成本的15%左右，国产化程度最高，很多国外机器人的本体也叫国内工厂代工。智能型工业机器人研究的重要领域灵巧性技术；基于新材料（如碳纤维材料）于力反馈的安全性控制和柔顺控制等方法；（3）面向运动的核心部件，包括电机总成、驱动器、控制器、传感器及大载荷、高功率比密度结构与驱动集成设计等，制定各硬件模块互联的接口标准；提高工业机器人安全防护性及系统可靠性的措施；控制与规划；高精度和健壮性的传感器；人机接口方式；机器人协作系统；自学习和自适应性；建模仿真及分析；低成本技术。区域重点产品或方向根据上海市“两个中心”的定位和产业布局，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的工业机器人；着力提高传统汽车行业国产工业机器人运行的可靠性；长期、持续投入，深入开展新一代智能型工业机器人的研究。统计数据表明，日、韩等国近年来在电子电器行业销售额增长迅速，而在汽车焊接等传统领域有所下降。长三角地区是中国电子电器行业的心脏，也是劳动密集型企业的聚集地，在此行业大力推广工业机器人产品具有特殊意义。该行业对应的机器人类型主要有：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。积极探索面向飞机制造、新能源汽车、太阳能发电、风电设备制造等新兴产业的工业机器人和柔性自动化生产线的开发。目前，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的研发和布局。汽车及零部件生产是上海的传统优势产业，也是工业机器人使用量最大的行业。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行可靠性的研究和测试，大力推广国产工业机器人及相关设备。加大投入，开展新一代智能化工业机器人长期、持续的研发和应用测试。争取在高起点上与主要机器人生产大国的技术水平同步，避免始终走重复研究、追赶国外技术的老路。（二）关键技术体系分析关键技术体系框架整机设计制造技术机器人控制技术可重构装配技术末端执行器机器人协作人机合作非结构化环境下的信息感知建模及仿真技术实现方案和路径：主流的、潜在的5-15年的长期研究开发，下列目标可能得到突破：短期（2015）：用主流型号的机器人，具备机器人整机设计及制造能力。中期（2020）：解决机器人关键部件的设计制造技术，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的典型产品和配套自动化生产线。短期（2025）：5-15以下方面实现突破：短期（2015）：中期（2020）：提供满足主流行业和新兴产业中工业机器人控制要求的控制技术，开发具有预测功能、分布式、自调整的自整定控制器。长期（2025）：可重组控制器的研究。5-15（2015）：等简单操作，能完成一般经济精度的装配工作。中期（2020）：用中等复杂程度的多关节末端执行器实现对工业环境下典型工件、工具的抓取和实现一定的灵巧动作，对典型零部件完成精度较高的装配。长期（2025）：费在新产品生产前的设备调整、调试上，要求未来设备应具有自适应性强的可重构生产能力，体现设备的“柔性”。在未来5-15年间希望通过持续的研发，达到如下目标：短期（2015）：新产品装配生产线的安装、调配、编程、调试等工作。中期（2020）：24的典型新产品生产线的安装、调配、编程、调试等工作。长期（2025）：在5-8小时内完成包括工业机器人、刀具安装到附属设备安装在它外部设备等。5-15（2015）：能够协中期（2020）：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的获取和分配，完成协作任务。6．5-15年的长期的研发，未来的人-机器人合作（co-robot）希望达到如下目标：短期（2015）：机器人能够理解人的自然语言、肢体语言等，能根据人的要求，在一段不需要人干预的时间（5个小时）完成生产线上的简易装配。中期（2020）：机器人有效理解人的自然语言、肢体语言等，根据人的要求要求完成生产线上较复杂的装配任务，维持10-20小时不需要人的干预。长期（2025）：机器人有效理解理解人的自然语言、肢体语言等，根据人的要求与人共处，完成生产线的复杂装配任务，维持40-60小时不需要人干预。5-15年的深入研究，在机器人信息感知方面希望达到如下目标：短期（2015）：三维视觉、力觉及其它传感技术获得长足发展，工业机器人在半结构化或非结构化典型工作环境下（针对典型产品）可利用感知到的三维信息完成批量操作任务。中期（2020）：利用信息感知技术完成小规模、成批生产任务，使工业机器人广泛应用到小型加工企业；长期（2025）：5-15短期（2015）：探索建立描述机器人模型的标准语言；中期（2020）：长期（2025）：完成对机器人和环境状态的精确判断，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：上海的优势技术②：共性技术③：能突破的技术④：能冲击市场的技术⑤：必要的基础技术⑥：必要的安全性技术⑦：标准化技术核心技术要零部素件

技术现状和课题 今后的举措 技术实现路径 技术评价① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦机 机器人现阶段技术：器 本体优结构、功能相对

现在：对机器人本体开展

针对新兴产业和中小企业需求，开展人 化设 一；执行机构负载自新结构、功能和设 机器人本体的研

V V V V V本 计；高重比有待提高；末端计方法的研究； 工作体 负载自执行器的柔性和灵重比执性不强行机构下阶段技术：

3-5年：进一步提咼执行机

依托材料科学等相关学科的发展，探性、轻化；高负载自重比执构的负载自重比;对索新的高强度轻质

V V V V V V型化和行机构刚度、安全 机构的模块化、可 材料灵巧性性；末端执行器的轻重构技术作研究型、精密性长远技术：灵巧型机5-10年

推动企业研发团队械手 灵巧型机械手研究

和专业研究机构在智能、灵巧型机械手方面的长期合作

V V V V V精 谐波减现阶段技术：密 速器、有技术积累和国内

现在：开展高精密谐波减

制定产业发展的引导政策减 FA

代产品，在输出扭矩速器、FA减速器制

V V V V速 摆线针高度、精度、效率、造工艺的研究器 轮减速寿命上差距较大器、RV涡轮器、RV涡轮下阶段技术：减提高制作工艺水平，速器制降低成本造技术长远技术：开发 5-10年

发程

V V V VV V V V伺 伺服电服 机及驱现阶段技术

现在：全数字交流伺服驱 继续推进大功率交电 动器的同步交流伺服电机、动控制和绝对位机 设计、直接驱动进电机及驱反馈和 制造技动器的制造技术

流永磁同步电机及 V V驱动部分的基础研究和产业化驱 术动

下阶段技术

3-5年：研究高效控制驱动器 发展机器人专用的伺算法，提高响应速 V V服电机和驱动器，米度和控制精度；用咼速通讯总线；长远技术：咼效、低能耗、安全、高扭矩执行元件（电、气、液）及驱动器嵌控制器现阶段技术：式控制

5-10年智能材料应用；高效气动、液压执行元件开发现在：研发机器人控制器硬件平台，提高控制精度，降低控制器成本，提高人机

V VV V V V V V器 结构、统，可实现全数字协界面的友好性；控制方调运动控制式和算法 下阶段技术开放性模块化的体系结构

3-5年：基于力反馈的安全

制定硬件模块互联的接口标准模块模块化、层次化的通性控制和柔顺控 V制器技术 操作者之间的协调VVVVV长远技术： 5-10年提高智能化控制 机器人控制器的标水平 准化；基于PC机的 VVVVV网络化、智能化控制器；传 传感器现阶段技术：感 的可靠视觉、力觉等主要传现在：器 性； 感器得到使用；提高集成电机、驱动器VVV新型传现有传感器的精度和和传感器的驱动单感器开可靠性；元；视觉图像识别发； 下阶段技术 3-5年：信息融实用性的多传感器信三维视觉传感器 V合； 息融合算法智能传长远技术： 5-10年感器 类皮肤的多传感器阵生物信号和肢体运列；人机交互中的智动信号采集、识另 V能感知技术 h理解的算法及现技术2工业机器人产品体系图产品类别 产品领域 主要用途 研究开发的方向VVV用软件包；网络化控制；多机器人和控制焊接（弧焊、气焊、激光焊等）

汽车及零部件工程机械飞机制造

?焊缝实时智能跟踪及反馈?计算机离线示教和仿真?非线性非平稳情形下的多传感器融合算法?焊缝识别和导引技术?焊缝成形质量控制方法?多机器人协调控制技术?特殊环境下的焊接机器人技术搬运（物料运输、上下料）

金属制品及机械电子电器汽车及零部件

?机器人装配系统总体设计技术装配（普通装电子电器配、贴片技装配（普通装电子电器配、贴片技术、钎焊、制金属制品及机械机装配飞孔及连接、密封涂胶等）?多功能末端执行器技术?装配系统集成控制技术?数字化测量辅助高精度定位技术?离线编程与仿真技术?多机器人协作系统?路径规划?自动导航技术?避障?多机器人协调控制?非结构化环境下的信息感知洁净 电子电器（半导加工）

?洁净润滑技术?高速平稳控制技术?控制器的小型化技术?非接触晶圆检测技术喷涂汽车及零部件工程?路径规划机械飞机制造搪瓷电器?位姿精度与标定?喷涂机器人的控制算法?离线编程与仿真技术表3 工业机器人技术体系图①：上海的优势技术②：共性技术③：能突破的技术④：能冲击市场的技术⑤：必要的基础技术⑥：必要的安全性技术 ⑦：标准化技术功技 技术现状和课题 今后的举措 技术实现路径 技术评能术分要 ① ② ③④ ⑤ ⑥⑦类素电子工整现阶段技术：创新技术少，现在：国家主导，VVVVVV电器汽车及零配件业机器人及机设计制造基础零部件制造能力和关键技术洛后下阶段技术：解决关键部件的设计制造技外购关键零部成和应用研究3-5电子、汽车工业产、学、研、器人关键部VVVVVV飞机制造、太阳能发配套生产线技术术，具备机器人整机设计及制造能力长远技术：彻底解决工业机器人整机及配套生产线的设计制造技术的机器人5-10年主流行业机器人产品实现系列生产线VVVVVV电、风电控机现阶段技术：化、产业化现在：国家主导，VVVVVV设备制器在运动控制和伺服电机的控继续开发具有咼产、学、研、等系人制理论与制造工艺上与欧美速总线接口的嵌用合作开发机等新兴产业统控制技日差距较大入式控制器、同步交流伺服电器人关键部件、主流型号机器人及配套术驱动控制器生产线下阶段技术：在基于力反馈的安全性控制、柔顺控制和多机器人协调控制方面取得进展长远技术：开发具有预测功能、分布式的、能自调整的自整定控制器

3-5年：控制软件5-10年提供主流行业和新兴产业中工业机器人控制要求的控制技术机末机末现阶段技术：器人端执国产化程度较咼，在力量速度上获得发展和本行体器下阶段技术应用具有几个关节、复杂和可靠性3-5年：结构设计优化；

国家主导，产、学、研、用合作开发

V V V V V VV V V V V VV V V VV V V V程度较低的专用末端执行器在特定的工业环境下实现抓、拾、放等简单操作长远技术：用中等复杂程度的多关节执行器实现对典型工件、工具的抓取和灵巧动作工业可现阶段技术：机器重设备安装、调整、调试时间人产构长品及装下阶段技术生产配在较短的时间内完成典型线 技产品装配生产线的安装、术配、编程、调试长远技术：

新材料促进轻型和灵