工業(yè)機(jī)器人在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用前景分析

  1研究背景

  2015年，李克強(qiáng)總理提出了“中國(guó)制造2025”的概念，這一概念指明了中國(guó)制造業(yè)的發(fā)展方向——由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，要緊緊圍繞數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化來(lái)穩(wěn)步發(fā)展[1]。

  大量應(yīng)用于電子、汽車(chē)、物流、化工等諸多工業(yè)領(lǐng)域中的工業(yè)機(jī)器人，本身是一種多自由度或多關(guān)節(jié)機(jī)械手的機(jī)械裝置，能夠根據(jù)自身動(dòng)力能源與控制能力完成諸多工業(yè)生產(chǎn)加工制造的環(huán)節(jié)[2]。它是可以自動(dòng)執(zhí)行工作任務(wù)的機(jī)械設(shè)備，能夠協(xié)助甚至替代工人去完成重復(fù)性高、危險(xiǎn)性大、精度要求高的各類(lèi)生產(chǎn)性工作，并大幅提升了工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的效率及質(zhì)量。對(duì)各工業(yè)領(lǐng)域而言，工業(yè)機(jī)器人都是不可或缺的重要組成部分。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，能夠?yàn)楣I(yè)行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)更多更好的機(jī)遇，并加快我國(guó)制造業(yè)的智能化升級(jí)轉(zhuǎn)型。

  2工業(yè)機(jī)器人概述

  通常來(lái)說(shuō)，工業(yè)機(jī)器人包括機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)以及人機(jī)交互系統(tǒng)六個(gè)子系統(tǒng)，如圖1所示。

  2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

  根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的不同可以把工業(yè)機(jī)器人分為串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種類(lèi)型。串聯(lián)型工業(yè)機(jī)器人任意一根軸的運(yùn)動(dòng)都會(huì)使得另一根軸坐標(biāo)原點(diǎn)發(fā)生改變，而并聯(lián)型則不會(huì)。此外，相對(duì)而言，并聯(lián)型工業(yè)機(jī)器人還有著結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定、剛度更強(qiáng)、載荷能力更強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)負(fù)荷更小、微動(dòng)精度更高等優(yōu)點(diǎn)。并聯(lián)型取代串聯(lián)型也是工業(yè)機(jī)器人未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

  2.2感知系統(tǒng)

  感知系統(tǒng)對(duì)于機(jī)器人就相當(dāng)于感官，作用是將外界環(huán)境信息以及機(jī)器人自身內(nèi)部信息轉(zhuǎn)換成機(jī)器人可以理解與處理的信息或數(shù)據(jù)。其中，機(jī)器視覺(jué)是最重要的感知技術(shù)，它可以反饋視覺(jué)信息，從而調(diào)整機(jī)器人位姿，在質(zhì)檢、工件識(shí)別、分揀、包裝等諸多生產(chǎn)環(huán)節(jié)中都起著重要作用。目前，國(guó)內(nèi)外機(jī)器人企業(yè)對(duì)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的研究還在不斷深入。

  2.3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

  驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種為機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)供給動(dòng)能的裝置，又可按照不同動(dòng)力源分成液壓式、氣壓式、電氣式與機(jī)械式四種傳動(dòng)方式。其中，液壓式有著液體泄漏、低速不夠穩(wěn)定、噪聲較大、功率單元成本高且不靈活等缺點(diǎn)。氣壓式雖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快、成本低、維護(hù)與維修都很方便，但其工作時(shí)壓強(qiáng)較低，難以進(jìn)行精準(zhǔn)定位，通常只用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的末端執(zhí)行器，限制較大。而電氣式則有著連接電源方便，響應(yīng)速度快，驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)，檢測(cè)信號(hào)、傳遞信號(hào)、處理信號(hào)都很方便等優(yōu)勢(shì)，這也是目前應(yīng)用最廣泛的驅(qū)動(dòng)方式。而并聯(lián)型機(jī)器人對(duì)直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)需求非常大，直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)采用直線(xiàn)電機(jī)，將電能直接轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，這也是電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一種方式[3]。在并聯(lián)型工業(yè)機(jī)器人將逐步取代串聯(lián)型工業(yè)機(jī)器人的趨勢(shì)下，電氣式驅(qū)動(dòng)會(huì)一直占據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的領(lǐng)頭羊地位。

  2.4控制系統(tǒng)

  控制系統(tǒng)能根據(jù)操作人員輸入的既定程序和感知系統(tǒng)反饋的信號(hào)與數(shù)據(jù)，控制機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行既定的動(dòng)作。相比于普通的控制系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)有著諸多特點(diǎn)[4]。

  1）多自由度。簡(jiǎn)單的機(jī)器人也會(huì)有3~5個(gè)自由度，復(fù)雜一些的機(jī)器人的自由度甚至超過(guò)10個(gè)。一個(gè)自由度就對(duì)應(yīng)一個(gè)伺服機(jī)構(gòu)，多自由度的伺服機(jī)構(gòu)需要有機(jī)結(jié)合起來(lái)運(yùn)動(dòng)。

  2）運(yùn)動(dòng)的描述較為復(fù)雜。機(jī)器人控制與機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)緊密相連，這也就意味著只能采用非線(xiàn)性模型來(lái)描述工業(yè)機(jī)器人的狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)。狀態(tài)變化的同時(shí)，參數(shù)也會(huì)發(fā)生改變，而且各自由度間存在耦合，這些因素都增大了描述機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的難度。

  3）重復(fù)定位精度較高，通?？梢赃_(dá)到±0.1mm；系統(tǒng)的剛性較好，可以保證機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行。

  4）信息運(yùn)算量大。工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作執(zhí)行通常有多種路徑，而簡(jiǎn)單的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)需要根據(jù)操縱對(duì)象及外界環(huán)境計(jì)算出最優(yōu)路徑，更高級(jí)的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)甚至通過(guò)人工智能算法來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

  5）必須使用加速及減速控制。加速度或者減速度過(guò)大都會(huì)妨礙機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，因此，在機(jī)器人啟動(dòng)階段，必須進(jìn)行加速控制；在機(jī)器人停止階段，則必須進(jìn)行減速控制。

  6）普通控制系統(tǒng)所不具備的特殊控制方式——示教再現(xiàn)控制。在工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行某項(xiàng)作業(yè)前，操作人員可以先手動(dòng)操作，將機(jī)器人移動(dòng)至所需到達(dá)的位置，啟用相應(yīng)的邏輯功能，并進(jìn)行示教。這一手動(dòng)操作過(guò)程中，相應(yīng)的信息會(huì)儲(chǔ)存在控制系統(tǒng)里。之后，工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)操作時(shí)，就會(huì)讀取這一信息再現(xiàn)出之前的運(yùn)動(dòng)及功能，還能夠重復(fù)進(jìn)行這一作業(yè)過(guò)程。

  從功能方面來(lái)看，控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)示教-再現(xiàn)、坐標(biāo)設(shè)置、聯(lián)系外圍設(shè)備、位置伺服等諸多功能。在示教-再現(xiàn)功能里，用戶(hù)可以完成在線(xiàn)示教、離線(xiàn)編程及間接示教等操作。例如，坐標(biāo)設(shè)置功能中，用戶(hù)可以設(shè)置絕對(duì)坐標(biāo)系、關(guān)節(jié)坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系等坐標(biāo)系，并按照實(shí)際需要選擇不同的坐標(biāo)系并進(jìn)行坐標(biāo)系切換。位置伺服功能中，工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)能夠進(jìn)行多軸聯(lián)動(dòng)、速度控制、加速度控制、運(yùn)動(dòng)控制、力或力矩控制、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、故障自診斷、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷時(shí)的安全保護(hù)等操作。

  對(duì)工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，控制系統(tǒng)相當(dāng)于大腦，也是工業(yè)機(jī)器人的核心技術(shù)之一，目前來(lái)看，國(guó)產(chǎn)品牌的控制系統(tǒng)在功能上與國(guó)際頂尖品牌仍有較大差距，需要繼續(xù)進(jìn)行技術(shù)攻堅(jiān)[5]。

  2.5機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)

  該系統(tǒng)包含了工業(yè)機(jī)器人、傳感器及末端執(zhí)行器等，工業(yè)機(jī)器人與外界環(huán)境的交互通常是通過(guò)感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。例如，汽車(chē)的自動(dòng)駕駛模式，是不斷根據(jù)激光雷達(dá)、攝像頭等各類(lèi)傳感器反饋回的信號(hào)來(lái)感知、分析外界環(huán)境，再通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行決策與控制，讓汽車(chē)順利實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛功能。機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)的不斷發(fā)展將會(huì)促使工業(yè)機(jī)器人更加智能化、更加高效。

  2.6人機(jī)交互系統(tǒng)

  在遠(yuǎn)程操控的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)里，同時(shí)存在著計(jì)算機(jī)完全控制和需要人員參與控制的兩種工業(yè)機(jī)器人，而后者需要執(zhí)行復(fù)雜的作業(yè)時(shí)，常常要和其他的機(jī)器人進(jìn)行協(xié)調(diào)配合，避免出現(xiàn)預(yù)期外的情況。此時(shí)，計(jì)算機(jī)控制和人為控制間的協(xié)調(diào)，即為人機(jī)交互。這種同時(shí)存在計(jì)算機(jī)完全控制的全自動(dòng)工業(yè)機(jī)器人和需要人員參與控制的半自動(dòng)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)就是人機(jī)交互系統(tǒng)[6]。尤其是在人力難以觸及的惡劣環(huán)境下作業(yè)時(shí)，將機(jī)器人與外界環(huán)境交互信息傳遞到主端，可以幫助操作者做出最準(zhǔn)確的判斷，大量減少了意外情況的發(fā)生[7]。

  3工業(yè)機(jī)器人在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

  在新能源汽車(chē)逐步取代傳統(tǒng)汽油車(chē)的時(shí)代背景下，汽車(chē)工業(yè)將再次迎來(lái)蓬勃發(fā)展期。而在汽車(chē)生產(chǎn)中，工業(yè)機(jī)器人承擔(dān)了裝配、焊接、噴涂、搬運(yùn)等諸多職責(zé)，常見(jiàn)的機(jī)器人類(lèi)型有以下幾種。

  1）裝配機(jī)器人：在產(chǎn)品生產(chǎn)中，裝配工作占總體工作量的50%~60%，而在高標(biāo)準(zhǔn)要求的生產(chǎn)車(chē)間里，甚至能達(dá)到80%。現(xiàn)代汽車(chē)廠(chǎng)商為了提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)零件精度與速度要求越來(lái)越高。而裝配機(jī)器人能完成對(duì)車(chē)門(mén)、車(chē)燈、發(fā)動(dòng)機(jī)等各種部件的裝配，并

  且自身還有著柔性好、精度高、工作空間小、方便與其他設(shè)備配合作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，能夠大幅提升裝配效率。

  2）點(diǎn)焊機(jī)器人：一輛汽車(chē)車(chē)身上的焊點(diǎn)有3萬(wàn)~4萬(wàn)個(gè)，其中，點(diǎn)焊機(jī)器人負(fù)責(zé)了約60%的工作量。手工焊接對(duì)焊接工人傷害很大，而且無(wú)法保障焊接質(zhì)量。相比之下，安裝面積小、工作空間又大的點(diǎn)焊機(jī)器人可以保證定位精度誤差在±0.25mm內(nèi)，還能夠快速實(shí)現(xiàn)小節(jié)距多點(diǎn)定位，持重力最高約1000N，安全可靠，示教簡(jiǎn)便，能夠較好地保障焊接質(zhì)量。

  3）弧焊機(jī)器人：常用于多塊金屬間結(jié)合連接處的焊縫工藝，它可以穩(wěn)定提高焊接質(zhì)量，保證焊接的均一性。相比人工焊接時(shí)無(wú)法保證穩(wěn)定的焊接速度與干伸長(zhǎng)，弧焊機(jī)器人作業(yè)時(shí)，每一條焊縫的參數(shù)都恒定，焊縫質(zhì)量受人為影響較小，焊接質(zhì)量有保障?；『笝C(jī)器人加入生產(chǎn)線(xiàn)后，工人只需裝卸工件，避開(kāi)了焊接弧光、飛濺及煙霧等惡劣工作場(chǎng)景。并且，機(jī)器人可全天候不間斷工作、生產(chǎn)節(jié)奏固定不變的特性，讓產(chǎn)品的生產(chǎn)效率大幅提升，生產(chǎn)周期明確，產(chǎn)量可控性強(qiáng)。此外，還能以修改程序的方式來(lái)生產(chǎn)不同的工件，減少了相應(yīng)的設(shè)備成本[8]。

  4）噴涂機(jī)器人：常用于車(chē)體外表面的漆面噴涂工藝，既能在大范圍內(nèi)進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，也能伸入小孔中執(zhí)行噴涂作業(yè)，工作穩(wěn)定，便于使用與維護(hù)，具有較高的靈活性和柔性，節(jié)省了涂料成本和人工成本，實(shí)現(xiàn)了噴涂的連續(xù)性和全覆蓋性，提升了漆面效果，大幅提高作業(yè)效率的同時(shí)，還避免了工人與化學(xué)涂料的長(zhǎng)時(shí)間接觸，保護(hù)了他們的身體健康[9]。

  5）搬運(yùn)機(jī)器人：常用于自動(dòng)裝配流水線(xiàn)、車(chē)身焊裝流水線(xiàn)、物料搬運(yùn)、碼垛搬運(yùn)、集裝箱搬運(yùn)、工件上下料的傳遞等作業(yè)，憑借著搬運(yùn)機(jī)器人速度快、靈活性高、安全可靠、定位準(zhǔn)確、運(yùn)行穩(wěn)定、不易損失零部件的特點(diǎn)，降低了人工成本、提升了生產(chǎn)效率、保障了作業(yè)過(guò)程的安全性[10]。

  4國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人在汽車(chē)工業(yè)中的發(fā)展趨勢(shì)

  隨著工業(yè)機(jī)器人在汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)上的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，各種問(wèn)題也隨之而來(lái)。當(dāng)前，國(guó)產(chǎn)品牌的工業(yè)機(jī)器人受到關(guān)鍵部件生產(chǎn)技術(shù)制約的問(wèn)題不容小覷。在伺服電機(jī)方面，高性能大功率的伺服電機(jī)部件尚被國(guó)際廠(chǎng)商把控，相關(guān)技術(shù)問(wèn)題亟待國(guó)內(nèi)企業(yè)解決；在減速器方面，在諸如傳動(dòng)精度、轉(zhuǎn)速、穩(wěn)定性等多項(xiàng)性能上國(guó)內(nèi)企業(yè)與國(guó)際大品牌仍有差距，高負(fù)載減速器仍有待繼續(xù)研發(fā)；在控制器方面，控制器是機(jī)器人的核心，但其關(guān)鍵芯片與核心算法依舊依賴(lài)國(guó)外技術(shù)，這兩部分的技術(shù)能夠決定一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人的上限，技術(shù)壁壘的突破越早越好；在傳感器方面，品質(zhì)好、穩(wěn)定性好、誤差小的高端傳感器技術(shù)仍需進(jìn)一步研究。

  在智能制造的時(shí)代背景下，以工業(yè)機(jī)器人為代表的各類(lèi)自動(dòng)化設(shè)備將逐步代替人工操作。為進(jìn)一步地提高汽車(chē)生產(chǎn)質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，可以考慮為工業(yè)機(jī)器人增加仿生功能，提升機(jī)器人-環(huán)境交互能力，提升自動(dòng)化程度，讓其能夠在多場(chǎng)景自由切換，而不是僅限于某些特定的工作，讓其愈發(fā)智能化、柔性化[11]，并結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的遠(yuǎn)程操作[12]。同時(shí)，設(shè)置各方面的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，如通信接口的統(tǒng)一，減少不同品牌工業(yè)機(jī)器人間交互難的問(wèn)題。并充分考慮工作環(huán)境對(duì)工業(yè)機(jī)器人的影響，針對(duì)性地使用防腐蝕的材料，提升其使用壽命[13]。此外，還應(yīng)大力培養(yǎng)相關(guān)的高技能專(zhuān)業(yè)型人才，通過(guò)校企合作的方式，把高校相關(guān)專(zhuān)業(yè)的人才與機(jī)器人企業(yè)進(jìn)行有機(jī)組合，為工業(yè)機(jī)器人新技術(shù)的研發(fā)提供有力支持[14]。

  5結(jié)語(yǔ)

  現(xiàn)今，我國(guó)的汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量已位列世界第一，是名副其實(shí)的制造大國(guó)，但距離汽車(chē)工業(yè)強(qiáng)國(guó)、制造強(qiáng)國(guó)還有很長(zhǎng)的路要走。汽車(chē)工業(yè)從勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型為科技密集型、智能型產(chǎn)業(yè)的過(guò)程中，少不了工業(yè)機(jī)器人的參與[15]，其他行業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求也與日俱增。提升國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的核心競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)縮短生產(chǎn)周期、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本乃至解放生產(chǎn)力都有著重要意義[16]。