大量智慧型化、數位化的工業機器人，逐漸的取代傳統的人工流水線作業模式，智慧型工業機器人的廣泛使用，不僅能夠解放了大量的人力，同時還顯著的提高了工業生產水平和質量。此外，隨著機電一體化技術在工業機器人最佳化、升級和換代中的套用，能夠推動機電一體化技術逐漸的向數位化、智慧型化以及機械化方向發展。
基本介紹
- 中文名：機器人與機電一體化
- 外文名：Robot and electromechanical integration
- 領域：自動控制、機電一體化
- 套用：工業、軍事、服務業
- 最新成果：智慧型機器人
- 方向：智慧型化、高精度、模組化
簡介,機電一體化發展階段,第一階段,第二階段,第三階段,機電一體化的優勢,（1） 功能增強並且套用廣泛,（2） 精度大大提高,（3） 安全性和可靠性提高,（4） 改善操作,（5） 提高柔性,機器人的組成,執行機構,驅動裝置,檢測裝置,控制系統,發展現狀,我國的工業機器人,機器人關鍵技術,工業機器人靈巧操作技術,工業機器人自主導航技術,工業機器人環境感知與感測技術,工業機器人的人機互動技術,
簡介
現代機械的標誌是機電一體化，但多功能的機電一體化裝置，卻應屬工業機器人與智慧型機器人。由於機器人具有多功能性或多用性，以及對環境的自適應性，它是今後製造業中發展最快的一種機電一體化裝置。當今，機器人技術的飛躍發展正在向人們的智慧型概念挑戰，它將影響工業生產的模式，並會改變人們的工作方式和生活方式。機器人技術必定是未來自動化的關鍵技術之一，它會有效地促進科學技術和工業的發展。
機電一體化就是“利用電子、信息(包括感測器、控制、計算機等)技術使機械柔性化和智慧型化”的技術，“機電一體化”(mechatronics)一詞起源於日本，是由機械(mechanism)和電子(electronics)的兩個英語單詞合成的一個新的專用名詞，顧名思義，機電一體化技術的目標就是將機械技術與電子技術相結合，充分發揮各自的長處，彌補各項技術的不足。機械的強度較高，輸出功率大，可以承受較大的載荷，但實現微小運動比較困難。而在電子領域，利用感測器和計算機可以實現複雜的檢測和控制，但只利用電子技術無法實現重載運動。將機械技術與電子技術相結合，可以在重載條件下實現微小運動和複雜運動，使機械產品既能夠像動物那樣靈活動作———柔性化，也能夠像人類那樣會思考判斷———智慧型化。
a.機械裝置。機器人的手指、手臂、手臂的連線部分和機座等是使機器人能夠運動的機械結構。
b.執行裝置。驅動機座上的機體、手臂、手指等運動的電機和電磁鐵等。
c.能源。驅動電機的電源和驅動液壓系統、氣壓系統的液壓源和氣壓源。
d.感測器。檢測旋轉角度和擺動角度的旋轉編碼器和旋轉變壓器等，用於監視機器人的運動。
e.計算機。根據來自旋轉編碼器或測速發電機的信號判斷機器人的當前狀態，並計算和判斷要達到所希望的狀態或者移動到某一目標應該如何動作。
機電一體化發展階段
第一階段
20世紀60年代以前為第一階段，這一階段稱為初級階段。在這一時期，人們自覺不自覺地利用電子技術的初步成果來完善機械產品的性能。特別是在第二次世界大戰期間，戰爭刺激了機械產品與電子技術的結合，這些機電結合的軍用技術，戰後轉為民用，對戰後經濟的恢復起了積極的作用。那時研製和開發從總體上看還處於自髮狀態。由於當時電子技術的發展尚未達到一定水平，機械技術與電子技術的結合還不可能廣泛和深入發展，已經開發的產品也無法大量推廣。
第二階段
20世紀70~80年代為第二階段，可稱為蓬勃發展階段。這一時期，計算機技術、控制技術、通信技術的發展，為機電一體化的發展奠定了技術基礎。大規模、超大規模積體電路和微型計算機的迅猛發展，為機電一體化的發展提供了充分的物質基礎。這個時期的特點是：①mechatronics一詞首先在日本被普遍接受，大約到20世紀80年代末期在世界範圍內得到比較廣泛的承認；②機電一體化技術和產品得到了極大發展；③各國均開始對機電一體化技術和產品給以很大的關注和支持。
第三階段
20世紀90年代後期，開始了機電一體化技術向智慧型化方向邁進的新階段，機電一體化進入深入發展時期。一方面，光學、通信技術等進入了機電一體化，微細加工技術也在機電一體化中嶄露頭腳，出現了光機電一體化和微機電一體化等新分支；另一方面對機電一體化系統的建模設計、分析和集成方法，機電一體化的學科體系和發展趨勢都進行了深入研究。同時，由於人工智慧技術、神經網路技術及光纖技術等領域取得的巨大進步，為機電一體化技術開闢了發展的廣闊天地。這些研究，將促使機電一體化進一步建立完整的基礎和逐漸形成完整的科學體系。
中國是從20世紀80年代初才開始在這方面研究和套用。國務院成立了機電一體化領導小組並將該技術列為“863計畫”中。在制定“九五”規劃和2010年發展綱要時充分考慮了國際上關於機電一體化技術的發展動向和由此可能帶來的影響。許多大專院校、研究機構及一些大中型企業對這一技術的發展及套用做了大量的工作，已經取得了一定成果，但與日本等先進國家相比仍有相當差距。
機電一體化的優勢
隨著機電一體化相關技術的快速發展，機電產品的外觀更加人性化、功能更加強大、體積和重量更加輕巧、可靠性更高等。與傳統的機電產品相比機電一體化產品具有以下優勢：
（1） 功能增強並且套用廣泛
機電一體化產品最顯著的特點就是突破了原來傳統機電產品的單技術和單功能的局限性，將多種技術與功能集成於一體，使其功能更加強大。而且能適應於不同的場合和不同的領域，滿足用戶需求的應變能力較強。
（2） 精度大大提高
機電一體化技術簡化了機構，減少了傳動部件，從而使機械磨損、配合及受力變形等所引起的誤差大大減少，同時由於採用計算機檢測與控制技術補償和校正因各種干擾造成的動態誤差，從而達到單純用機械技術所無法實現的工作精度。
（3） 安全性和可靠性提高
機電一體化產品一般具有自動監控、報警、自動診斷、自動保護、安全聯鎖控制等功能。這些功能能夠避免人身傷害和設備事故的發生，提高了設備的安全性和可靠性。
（4） 改善操作
機電一體化產品採用電腦程式控制和數字顯示，具有良好的人機界面，減少了操作按鈕及手柄，改善了設備的操作性能，減少了操作人員的培訓時間，從而大大簡化操作。
（5） 提高柔性
所謂柔性，即可以利用軟體來改變機器的工作程式，以滿足不同的需要。例如，工業機器人具有較多的運動自由度，手爪部分可以換用不同的工具，通過改變控制程式改變運動軌跡和運動姿態，以適應不同的作業要求。
機器人的組成
機器人一般由執行機構、驅動裝置、檢測裝置和控制系統和複雜機械等組成。
執行機構
即機器人本體，其臂部一般採用空間開鏈連桿機構，其中的運動副（轉動副或移動副）常稱為關節，關節個數通常即為機器人的自由度數。根據關節配置型式和運動坐標形式的不同，機器人執行機構可分為直角坐標式、圓柱坐標式、極坐標式和關節坐標式等類型。出於擬人化的考慮，常將機器人本體的有關部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部（夾持器或末端執行器）和行走部（對於移動機器人）等。
驅動裝置
是驅使執行機構運動的機構，按照控制系統發出的指令信號，藉助於動力元件使機器人進行動作。它輸入的是電信號，輸出的是線、角位移量。機器人使用的驅動裝置主要是電力驅動裝置，如步進電機、伺服電機等，此外也有採用液壓、氣動等驅動裝置。
檢測裝置
是實時檢測機器人的運動及工作情況，根據需要反饋給控制系統，與設定信息進行比較後，對執行機構進行調整，以保證機器人的動作符合預定的要求。作為檢測裝置的感測器大致可以分為兩類：一類是內部信息感測器，用於檢測機器人各部分的內部狀況，如各關節的位置、速度、加速度等，並將所測得的信息作為反饋信號送至控制器，形成閉環控制。一類是外部信息感測器，用於獲取有關機器人的作業對象及外界環境等方面的信息，以使機器人的動作能適應外界情況的變化，使之達到更高層次的自動化，甚至使機器人具有某種“感覺”，向智慧型化發展，例如視覺、聲覺等外部感測器給出工作對象、工作環境的有關信息，利用這些信息構成一個大的反饋迴路，從而將大大提高機器人的工作精度。
控制系統
一種是集中式控制，即機器人的全部控制由一台微型計算機完成。另一種是分散（級）式控制，即採用多台微機來分擔機器人的控制，如當採用上、下兩級微機共同完成機器人的控制時，主機常用於負責系統的管理、通訊、運動學和動力學計算，並向下級微機傳送指令信息；作為下級從機，各關節分別對應一個CPU，進行插補運算和伺服控制處理，實現給定的運動，並向主機反饋信息。根據作業任務要求的不同，機器人的控制方式又可分為點位控制、連續軌跡控制和力（力矩）控制。
發展現狀
在工業已開發國家中，工業機器人及自動化生產線成套裝備己成為高端裝備的重要組成部分及未來發展趨勢，工業機器人已經廣泛套用於汽車及汽車零部件製造業、機械加工行業、電子電氣行業、橡膠及塑膠工業、食品工業、物流、製造業等領域。
YASKAWA等，這四家機器人企業占據的工業機器人市場份額達到60%～80%。美國特種機器人技術創新活躍，軍用、醫療與家政服務機器人產業占有絕對優勢，占有智慧型服務機器人市場60%。我國工業機器人需求迫切，以每年25%～30%的速度增長，年需求量在2萬～3萬台套，國產工業機器人產業化剛剛開始；在區域分布上，沿海地區企業需求高於內地需求，民營企業對工業機器人的需求高於國有企業的需求，各地政府及企業提出了相關發展規劃將大力發展機器人產業。
在國外，工業機器人技術日趨成熟，已經成為一種標準設備被工業界廣泛套用，相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業機器人公司。日本和歐盟的工業機器人技術最為先進，日本是全球範圍內國內工業機器人生產規模最大、套用最廣的國家，而隸屬於歐盟組織的德國則名列全球第二；韓國在服務類機器人上的發展較為優秀，而美國則側重於醫療和軍事機器人等方面。
根據IFR 預計，全球運行的工業機器人將從2009 年的103.1萬台提高到2011年的105.7萬台，增長2.5%。到2012年，全球新安裝工業機器人將達到10.4萬台/年。我國2011年工業機器人銷售2.26萬台，比2010年增長了51%，成為繼日本、韓國之後的全球第三大工業機器人市場，全球工業機器人六大主要市。
我國的工業機器人
我國工業機器人面臨著歷史上難得的發展機遇，包括政策紅利、經濟轉型升級等剛性需求的釋放。製造業的轉型升級將推動我國高端製造裝備的發展，我國製造業需要實現從“大”到“強”，同時國內外經濟環境的變化將倒逼產業轉型升級，我國製造業將從依靠廉價勞動力、破環資源與環境的粗放式發展模式向依靠提高生產效率、環境友好型的精細式發展模式進行轉變。工業機器人作為我國高端裝備製造的基礎設備之一，是我國“十二五”發展規劃中高端製造裝備戰略性新興產業的重要組成部分，也是其他戰略性新興產業發展的重要基礎裝備。隨著我國產業的逐步轉型升級，以工業機器人為代表的智慧型裝備將實現爆發式增長。
我國工業機器人儘管在某些關鍵技術上有所突破，但還缺乏整體核心技術的突破，特別是在製造工藝與整套裝備方面，缺乏高精密、高速與高效的減速機、伺服電動機、控制器等關鍵部件。建議對關鍵技術開展攻關，掌握以下核心技術：模組化、可重構的工業機器人新型機構設計，基於實時系統和高速通信匯流排的高性能開放式控制系統，在高速、負載工作環境下的工業機器人最佳化設計，高精度工業機器人的運動規劃和伺服控制，基於三維虛擬仿真和工業機器人生產線集成技術，複雜環境下機器人動力學控制，工業機器人故障遠程診斷與修復技術等。
機器人關鍵技術
工業機器人靈巧操作技術
工業機器人機械臂和機械手在製造業套用中模仿人手的靈巧操作，在感知，高精度高可靠性感知，規劃和控制性方面開展關鍵技術研發，最終達到通過獨立關節以及創新機構、感測器，達到人手級別的觸覺感知陣列，動力學性能超過人手的高複雜度機械手能夠進行整隻手的握取，並能做加工廠工人在加工製造環境中的靈活性操作工作。
工業機器人自主導航技術
在由靜態障礙物、車輛、行人和動物組成的非結構化環境中實現安全的自主導航，對裝配生產線上對原材料進行裝卸處理的搬運機器人、原材料到成品的高效運輸的AGV工業機器人以及類似於入庫存儲和調配的後勤操作、採礦和建築裝備的工業機器人均為關鍵技術，需要進一步進行深入研發技術攻關。
工業機器人環境感知與感測技術
來的工業機器人將大大提高工廠的感知系統，以檢測機器人及周圍設備的任務進展情況，能夠及時檢測部件和產品組件的生產情況、估算出生產人員的情緒和身體狀態，需要攻克高精度的覺、力覺感測器和圖像解析算法，重大的技術挑戰包括非侵入式的生物感測器及表達人類行為和情緒的模型。通過高精度感測器構建用於裝配任務和跟蹤任務進度的物理模型，以減少自動化生產環節中的不確定性。
工業機器人的人機互動技術
未來工業機器人的研發中越來越強調新型人機合作的重要性，研究全浸入式圖形化環境、三維全息環境建模、真實三維虛擬現實裝置以及力、溫度、振動等多物理作用效應人機互動裝置。為了達到機器人與人類生活行為環境以及人類自身和諧共處的目標，需要解決的關鍵問題包括：機器人本質安全問題，保障機器人與人、環境間的絕對安全共處；任務環境的自主適應問題，自主適應個體差異、任務及生產環境；多樣化作業工具的操作問題，靈活使用各種執行器完成複雜操作；人-機高效協同問題，準確理解人的需求並主動協助。
