機器人技術發展狀況/lm/131/61/79555.html
焊接機器人的現狀及發展趨勢2
眾所周知，焊接加工壹方面要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實踐經驗、穩定的焊接水平；另壹方面，焊接又是壹種勞動條件差、煙塵多、熱輻射大、危險性高的工作。工業機器人的出現使人們自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，減輕焊工的勞動強度，同時也可以保證焊接質量和提高焊接效率。
然而，焊接又與其它工業加工過程不壹樣，比如，電弧焊過程中，被焊工件由於局部加熱熔化和冷卻產生變形，焊縫的軌跡會因此而發生變化。手工焊時有經驗的焊工可以根據眼睛所觀察到的實際焊縫位置適時地調整焊槍的位置、姿態和行走的速度，以適應焊縫軌跡的變化。然而機器人要適應這種變化，必須首先像人壹樣要“看”到這種變化，然後采取相應的措施調整焊槍的位置和狀態，實現對焊縫的實時跟蹤。由於電弧焊接過程中有強烈弧光、電弧噪音、煙塵、熔滴過渡不穩定引起的焊絲短路、大電流強磁場等復雜的環境因素的存在，機器人要檢測和識別焊縫所需要的信號特征的提取並不像工業制造中其它加工過程的檢測那麽容易，因此，焊接機器人的應用並不是壹開始就用於電弧焊過程的。
實際上，工業機器人在焊接領域的應用最早是從汽車裝配生產線上的電阻點焊開始的。原因在於電阻點焊的過程相對比較簡單，控制方便，且不需要焊縫軌跡跟蹤，對機器人的精度和重復精度的控制要求比較低。圖5所示為不同形式的機器人點焊鉗。點焊機器人在汽車裝配生產線上的大量應用大大提高了汽車裝配焊接的生產率和焊接質量，同時又具有柔性焊接的特點，即只要改變程序，就可在同壹條生產線上對不同的車型進行裝配焊接。
從機器人誕生到本世紀80年代初，機器人技術經歷了壹個長期緩慢的發展過程。到了90年代，隨著計算機技術、微電子技術、網絡技術等的快速發展，機器人技術也得到了飛速發展。工業機器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不斷提高，而機器人的制造成本和價格卻不斷下降。在西方社會，和機器人價格相反的是，人的勞動力成本有不斷增長的趨勢。圖6所示是聯合國歐洲經濟委員會(UNECE)統計的從1990年至2000年的機器人價格指數和勞動力成本指數的變化曲線。圖中，把1990年的機器人價格指數和勞動力成本指數都作為參考值100，至2000年，勞動力成本指數為140，增長了40%；而機器人在考慮質量因素的情況下價格指數低於20，降低了80%，在不考慮質量因素的情況下，機器人的價格指數約為40，降低了60%。這裏，不考慮質量因素的機器人價格是指現在的機器人實際價格與過去相比較；而考慮質量因素是指由於機器人制造工藝技術水平的提高，機器人的制造質量和性能即使在同等價格的條件下也要比以前高，因此，如果按過去的機器人同等質量和性能考慮，機器人的價格指數應該更低。
由此可以看出，在西方國家，由於勞動力成本的提高為企業帶來了不小的壓力，而機器人價格指數的降低又恰巧為其進壹步推廣應用帶來了契機。減少員工與增加機器人的設備投資，在兩者費用達到某壹平衡點的時候，采用機器人的利顯然要比采用人工所帶來的利大，它壹方面可大大提高生產設備的自動化水平，從而提高勞動生產率，同時又可提升企業的產品質量，提高企業的整體競爭力。雖然機器人壹次性投資比較大，但它的日常維護和消耗相對於它的產出遠比完成同樣任務所消耗的人工費用小。因此，從長遠看，產品的生產成本還會大大降低。而機器人價格的降低使壹些中小企業投資購買機器人變得輕而易舉。因此，工業機器人的應用在各行各業得到飛速發展。根據UNECE的統計，2001年全世界有75萬臺工業機器人用於工業制造領域，其中38.9萬在日本、19.8萬在歐盟、9萬在北美，7.3萬在其余國家。至2004年底全世界在役的工業機器人至少有約100萬。
由於機器人控制速度和精度的提高，尤其是電弧傳感器的開發並在機器人焊接中得到應用，使機器人電弧焊的焊縫軌跡跟蹤和控制問題在壹定程度上得到很好解決，機器人焊接在汽車制造中的應用從原來比較單壹的汽車裝配點焊很快發展為汽車零部件和裝配過程中的電弧焊。機器人電弧焊的最大的特點是柔性，即可通過編程隨時改變焊接軌跡和焊接順序，因此最適用於被焊工件品種變化大、焊縫短而多、形狀復雜的產品。這正好又符合汽車制造的特點。尤其是現代社會汽車款式的更新速度非常快，采用機器人裝備的汽車生產線能夠很好地適應這種變化。圖7所示為機器人電弧焊用於焊接汽車底盤。
另外，機器人電弧焊不僅用於汽車制造業，更可以用於涉及電弧焊的其它制造業，如造船、機車車輛、鍋爐、重型機械等等。因此，機器人電弧焊的應用範圍日趨廣泛，在數量上大有超過機器人點焊之勢。
隨著汽車輕量化制造技術的推廣，壹些高強合金材料和輕合金材料(如鋁合金、鎂合金等)在汽車結構材料中得到應用。這些材料的焊接往往無法用傳統的焊接方法來解決，必須采用新的焊接方法和焊接工藝。其中高功率激光焊和攪拌摩擦焊等最具發展潛力。因此，機器人與高功率激光焊和攪拌摩擦焊的結合將成為必然趨勢。事實上，像上海大眾等國內最具實力的汽車制造商在他們的新車型制造過程中已經大量使用機器人激光焊接。圖8所示為其汽車車頂的機器人激光焊接。
和機器人電弧焊相比，機器人激光焊的焊縫跟蹤精度要求更高。根據壹般的要求，機器人電弧焊(包括GTAW和GMAW)的焊縫跟蹤精度必須控制在電極或焊絲直徑的1/2以內，在具有填充絲的條件下焊縫跟蹤精度可適當放寬。但對激光焊而言，焊接時激光照射在工件表面的光斑直徑通常在0.6以內，遠小於焊絲直徑(通常大於1.0)，而激光焊接時通常又不加填充焊絲，因此，激光焊接中若光斑位置稍有偏差，便會造成偏焊、漏焊。因此，上海大眾的汽車車頂機器人激光焊除了在工裝夾具上采取措施防止焊接變形外，還在機器人激光焊槍前方安裝了德國SCOUT公司的高精度激光傳感器用於焊縫軌跡的跟蹤。
工業機器人的結構形式很多，常用的有直角坐標式、柱面坐標式、球面坐標式、多關節坐標式、伸縮式、爬行式等等，根據不同的用途還在不斷發展之中。焊接機器人根據不同的應用場合可采取不同的結構形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多關節式的機器人，這是因為多關節式機器人的手臂靈活性最大，可以使焊槍的空間位置和姿態調至任意狀態，以滿足焊接需要。理論上講，機器人的關節愈多，自由度也愈多，關節冗余度愈大，靈活性愈好；但同時也給機器人逆運動學的坐標變換和各關節位置的控制帶來復雜性。因為焊接過程中往往需要把以空間直角坐標表示的工件上的焊縫位置轉換為焊槍端部的空間位置和姿態，再通過機器人逆運動學計算轉換為對機器人每個關節角度位置的控制，而這壹變換過程的解往往不是唯壹的，冗余度愈大，解愈多。如何選取最合適的解對機器人焊接過程中運動的平穩性很重要。不同的機器人控制系統對這壹問題的處理方式不盡相同。
壹般來講，具有6個關節的機器人基本上能滿足焊槍的位置和空間姿態的控制要求，其中3個自由度(XYZ)用於控制焊槍端部的空間位置，另外3個自由度(ABC)用於控制焊槍的空間姿態。因此，目前的焊接機器人多數為6關節式的。
對於有些焊接場合，工件由於過大或空間幾何形狀過於復雜，使焊接機器人的焊槍無法到達指定的焊縫位置或焊槍姿態，這時必須通過增加1～3個外部軸的辦法增加機器人的自由度。通常有兩種做法：壹是把機器人裝於可以移動的軌道小車或龍門架上，擴大機器人本身的作業空間；二是讓工件移動或轉動，使工件上的焊接部位進入機器人的作業空間。也有的同時采用上述兩種辦法，讓工件的焊接部位和機器人都處於最佳焊接位置。
焊接機器人的編程方法目前還是以在線示教方式(Teach-in)為主，但編程器的界面比過去有了不少改進，尤其是液晶圖形顯示屏的采用使新的焊接機器人的編程界面更趨友好、操作更加易。然而機器人編程時焊縫軌跡上的關鍵點坐標位置仍必須通過示教方式獲取，然後存入程序的運動指令中。這對於壹些復雜形狀的焊縫軌跡來說，必須花費大量的時間示教，從而降低了機器人的使用效率，也增加了編程人員的勞動強度。目前解決的方法有2種：
壹是示教編程時只是粗略獲取幾個焊縫軌跡上的幾個關鍵點，然後通過焊接機器人的視覺傳感器(通常是電弧傳感器或激光視覺傳感器)自動跟蹤實際的焊縫軌跡。這種方式雖然仍離不開示教編程，但在壹定程度上可以減輕示教編程的強度，提高編程效率。但由於電弧焊本身的特點，機器人的視覺傳感器並不是對所有焊縫形式都適用。
二是采取完全離線編程的辦法，使機器人焊接程序的編制、焊縫軌跡坐標位置的獲取、以及程序的調試均在壹臺計算機上獨立完成，不需要機器人本身的參與。機器人離線編程早在多年以前就有，只是由於當時受計算機性能的限制，離線編程軟件以文本方式為主，編程員需要熟悉機器人的所有指令系統和語法，還要知道如何確定焊縫軌跡的空間位置坐標，因此，編程工作並不輕松省時。隨著計算機性能的提高和計算機三維圖形技術的發展，如今的機器人離線編程系統多數可在三維圖形環境下運行，編程界面友好、方便，而且，獲取焊縫軌跡的坐標位置通常可以采用“虛擬示教”(virtual Teach-in)的辦法，用鼠標輕松點擊三維虛擬環境中工件的焊接部位即可獲得該點的空間坐標；在有些系統中，可通過CAD圖形文件中事先定義的焊縫位置直接生成焊縫軌跡，然後自動生成機器人程序並下載到機器人控制系統。從而大大提高了機器人的編程效率，也減輕了編程員的勞動強度。目前，國際市場上已有基於普通PC機的商用機器人離線編程軟件。如Workspace5、RobotStudio等。圖9所示為筆者自行開發的基於PC的三維可視化機器人離線編程系統。該系統可針對ABB公司的IRB140機器人進行離線編程，程序中的焊縫軌跡通過虛擬示教獲得，並在三維圖形環境中可讓機器人按程序中的軌跡作模擬運動，以此檢
機器人教育在線 』_ www.YRobot.net _科技...
/
機器人的發展
美國是機器人的誕生地，早在1962年就研制出世界上第壹臺工業機器人，比起號稱"機器人王國"的日本起步至少要早五六年。經過30多年的發展，美國現已成為世界上的機器人強國之壹，基礎雄厚，技術先進。綜觀它的發展史，道路是曲折的，不平坦的。
由於美國政府從60年代到70年代中的十幾年期間，並沒有把工業機器人列入重點發展項目，只是在幾所大學和少數公司開展了壹些研究工作。對於企業來說，在只看到眼前利益，政府又無財政支持的情況下，寧願錯過良機，固守在使用剛性自動化裝置上，也不願冒著風險，去應用或制造機器人。加上，當時美國失業率高達6．65％，政府擔心發展機器人會造成更多人失業，因此不予投資，也不組織研制機器人，這不能不說是美國政府的戰略決策錯誤。70年代後期，美國政府和企業界雖有所重視，但在技術路線上仍把重點放在研究機器人軟件及軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領域的高級機器人的開發上，致使日本的工業機器人後來居上，並在工業生產的應用上及機器人制造業上很快超過了美國，產品在國際市場上形成了較強的競爭力。
進入80年代之後，美國才感到形勢緊迫，政府和企業界才對機器人真正重視起來，政策上也有所體現，壹方面鼓勵工業界發展和應用機器人，另壹方面制訂計劃、提高投資，增加機器人的研究經費，把機器人看成美國再次工業化的特征，使美國的機器人迅速發展。
80年代中後期，隨著各大廠家應用機器人的技術日臻成熟，第壹代機器人的技術性能越來越滿足不了實際需要，美國開始生產帶有視覺、力覺的第二代機器人，並很快占領了美國60％的機器人市場。
盡管美國在機器人發展史上走過壹條重視理論研究，忽視應用開發研究的曲折道路，但是美國的機器人技術在國際上仍壹直處於領先地位。其技術全面、先進，適應性也很強。具體表現在：
（1）性能可靠，功能全面，精確度高；
（2）機器人語言研究發展較快，語言類型多、應用廣，水平高居世界之首；
（3）智能技術發展快，其視覺、觸覺等人工智能技術已在航天、汽車工業中廣泛應用；
（4）高智能、高難度的軍用機器人、太空機器人等發展迅速，主要用於掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測方面。
--------------------------------------------------------------------------------
早在1966年，美國Unimation公司的尤尼曼特機器人和AMF公司的沃莎特蘭機器人就已經率先進入英國市場。1967年英國的兩家大機械公司還特地為美國這兩家機器人公司在英國推銷機器人。接著，英國 Hall Automation公司研制出自己的機器人RAMP。70年代初期，由於英國政府科學研究委員會頒布了否定人工智能和機器人的Lighthall報告，對工業機器人實行了限制發展的嚴厲措施，因而機器人工業壹蹶不振，在西歐差不多居於末位。
但是，國際上機器人蓬勃發展的形勢很快使英政府意識到：機器人技術的落後，導致其商品在國際市場上的競爭力大為下降。於是，從70年代末開始，英國政府轉而采取支持態度，推行並實施了壹系列支持機器人發展的政策和措施，如廣泛宣傳使用機器人的重要性、在財政上給購買機器人企業以補貼、積極促進機器人研究單位與企業聯合等，使英國機器人開始了在生產領域廣泛應用及大力研制的興盛時期。
--------------------------------------------------------------------------------
法國不僅在機器人擁有量上居於世界前列，而且在機器人應用水平和應用範圍上處於世界先進水平。這主要歸功於法國政府壹開始就比較重視機器人技術，特別是把重點放在開展機器人的應用研究上。
法國機器人的發展比較順利，主要原因是通過政府大力支持的研究計劃，建立起壹個完整的科學技術體系。即由政府組織壹些機器人基礎技術方面的研究項目，而由工業界支持開展應用和開發方面的工作，兩者相輔相成，使機器人在法國企業界很快發展和普及.
--------------------------------------------------------------------------------
德國工業機器人的總數占世界第三位，僅次於日本和美國。這裏所說的德國，主要指的是原聯邦德國。它比英國和瑞典引進機器人大約晚了五六年。其所以如此，是因為德國的機器人工業壹起步，就遇到了國內經濟不景氣。但是德國的社會環境卻是有利於機器人工業發展的。因為戰爭，導致勞動力短缺，以及國民技術水平高，都是實現使用機器人的有利條件。到了70年代中後期，政府采用行政手段為機器人的推廣開辟道路；在"改善勞動條件計劃"中規定，對於壹些有危險、有毒、有害的工作崗位，必須以機器人來代替普通人的勞動。這個計劃為機器人的應用開拓了廣泛的市場，並推動了工業機器人技術的發展。日爾曼民族是壹個重實際的民族，他們始終堅持技術應用和社會需求相結合的原則。除了像大多數國家壹樣，將機器人主要應用在汽車工業之外，突出的壹點是德國在紡織工業中用現代化生產技術改造原有企業，報廢了舊機器，購買了現代化自動設備、電子計算機和機器人，使紡織工業成本下降、質量提高，產品的花色品種更加適銷對路。到1984年終於使這壹被喻為"快完蛋的行業"重新振興起來。與此同時，德國看到了機器人等先進自動化技術對工業生產的作用，提出了1985年以後要向高級的、帶感覺的智能型機器人轉移的目標。經過近十年的努力，其智能機器人的研究和應用方面在世界上處於公認的領先地位。
--------------------------------------------------------------------------------
在前蘇聯（主要是在俄羅斯），從理論和實踐上探討機器人技術是從50年代後半期開始的。到了50年代後期開始了機器人樣機的研究工作。1968年成功地試制出壹臺深水作業機器人。1971年研制出工廠用的萬能機器人。早在前蘇聯第九個五年計劃（1970年壹1975年）開始時，就把發展機器人列入國家科學技術發展綱領之中。到1975年，已研制出30個型號的120臺機器人，經過20年的努力，前蘇聯的機器人在數量、質量水乎上均處於世界前列地位。國家有目的地把提高科學技術進步當作推動社會生產發展的手段，來安排機器人的研究制造；有關機器人的研究生產、應用、推廣和提高工作，都由政府安排，有計劃、按步驟地進行。
--------------------------------------------------------------------------------
有人認為，應用機器人只是為了節省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發展機器人不壹定符合我國國情。這是壹種誤解。在我國，社會主義制度的優越性決定了機器人能夠充分發揮其長處。它不僅能為我國的經濟建設帶來高度的生產力和巨大的經濟效益，而且將為我國的宇宙開發、海洋開發、核能利用等新興領域的發展做出卓越的貢獻。
我國已在“七五”計劃中把機器人列人國家重點科研規劃內容，撥巨款在沈陽建立了全國第壹個機器人研究示範工程，全面展開了機器人基礎理論與基礎元器件研究。十幾年來，相繼研制出示教再現型的搬運、點焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業機器人及水下作業、軍用和特種機器人。目前，示教再現型機器人技術已基本成熟，並在工廠中推廣應用。我國自行生產的機器人噴漆流水線在長春第壹汽車廠及東風汽車廠投入運行。1986年3月開始的國家863高科技發展規劃已列入研究、開發智能機器人的內容。就目前來看，我們應從生產和應用的角度出發，結合我國國情，加快生產結構簡單、成本低廉的實用型機器人和某些特種機器人。
--------------------------------------------------------------------------------
日本在60年代末正處於經濟高度發展時期，年增長率達11％。第二次世界大戰後，日本的勞動力本來就緊張，而高速度的經濟發展更加劇了勞動力嚴重不足的困難。為此，日本在1967年由川崎重工業公司從美國Unimation公司引進機器人及其技術，建立起生產車間，並於1968年試制出第壹臺川崎的“尤尼曼特”機器人。
正是由於日本當時勞動力顯著不足，機器人在企業裏受到了“救世主”般的歡迎。日本政府壹方面在經濟上采取了積極的扶植政策，鼓勵發展和推廣應用機器人，從而更進壹步激發了企業家從事機器人產業的積極性。尤其是政府對中、小企業的壹系列經濟優惠政策，如由政府銀行提供優惠的低息資金，鼓勵集資成立“機器人長期租賃公司”，公司出資購入機器人後長期租給用戶，使用者每月只需付較低廉的租金，大大減輕了企業購入機器人所需的資金負擔；政府把由計算機控制的示教再現型機器人作為特別折扣優待產品，企業除享受新設備通常的40%折扣優待外，還可再享受 13％的價格補貼。另壹方面，國家出資對小企業進行應用機器人的專門知識和技術指導等等。
這壹系列扶植政策，使日本機器人產業迅速發展起來，經過短短的十幾年，到80年代中期，已壹躍而為“機器人王國”，其機器人的產量和安裝的臺數在國際上躍居首位。按照日本產業機器人工業會常務理事米本完二的說法：“日本機器人的發展經過了60年代的搖籃期，70年代的實用期，到80年代進人普及提高期。”並正式把1980年定為“產業機器人的普及元年”，開始在各個領域內廣泛推廣使用機器人。
日本政府和企業充分信任機器人，大膽使用機器人。機器人也沒有辜負人們的期望，它在解決勞動力不足、提高生產率、改進產品質量和降低生產成本方面，發揮著越來越顯著的作用，成為日本保持經濟增長速度和產品競爭能力的壹支不可缺少的隊伍。
日本在汽車、電子行業大量使用機器人生產，使日本汽車及電子產品產量猛增，質量日益提高，而制造成本則大為降低。從而使日本生產的汽車能夠以價廉的絕對優勢進軍號稱“汽車王國”的美國市場，並且向機器人誕生國出口日本產的實用型機器人。此時，日本價廉物美的家用電器產品也充斥了美國市場……這使“山姆大叔”後悔不已。日本由於制造、使用機器人，增大了國力，獲得了巨大的好處，迫使美、英、法等許多國家不得不采取措施，奮起直追。