1、 機(jī)器人技術(shù)概述
機(jī)器人(Robot)這個詞最早出現(xiàn)在上世紀(jì)20年代美國科幻小說家阿西莫夫的科幻小說中。自從1959年美國英格伯格和德沃爾制造出世界上第1臺工業(yè)機(jī)器人UNIMATE以后，機(jī)器人才從文學(xué)幻想變成了現(xiàn)實(shí)，機(jī)器人的歷史才由此開始。在幾十年的發(fā)展過程中，機(jī)器人技術(shù)的研究和發(fā)展過程大致經(jīng)歷了3個階段：
第1代是示教再現(xiàn)型（Play-Back）機(jī)器人,它由人操縱機(jī)械手做一遍應(yīng)當(dāng)完成的動作或通過控制器發(fā)出指令讓機(jī)械手臂運(yùn)動，一步一步完成各個動作。在動作過程中機(jī)器人會自動將這一過程存入記憶裝置。當(dāng)機(jī)器人工作時，能再現(xiàn)人教給它的動作，并能自動重復(fù)的執(zhí)行。這類機(jī)器人不具有外界信息的反饋能力，很難適應(yīng)變化的環(huán)境。
“UNIMATE”和“VERSTRAN”這兩種最早的工業(yè)機(jī)器人是示教再現(xiàn)型機(jī)器人的典型代表。直至目前，這類機(jī)器人還在一些工業(yè)生產(chǎn)線上得到應(yīng)用。
第2代是有感覺的機(jī)器人，它們對外界環(huán)境有一定的感知能力，如有聽覺、視覺、觸覺等功能。機(jī)器人工作時，根據(jù)感覺器官（傳感器）獲得的信息，靈活調(diào)整自己的工作狀態(tài)，保證在適應(yīng)環(huán)境的情況下完成工作。如：具有視覺的機(jī)器人能認(rèn)字、識別二維圖像或三維物體的特征等，可用于產(chǎn)品的外觀檢查、分揀、裝配等工作，有些行走機(jī)器人還能判別周圍環(huán)境的其它障礙物，并自動避開它們；有觸覺的機(jī)械手可輕松自如地抓取雞蛋，既不會使雞蛋掉下，也不會捏碎雞蛋(圖2)；具有嗅覺的機(jī)器人能分辨出不同飲料和酒類等。
第3代是智能型機(jī)器人，它不僅具有感覺能力，而且還具有獨(dú)立判斷和行動的能力，并具有記憶、推理和決策的能力，因而能夠完成更加復(fù)雜的動作。如：具有行走功能的機(jī)器人，其中央電腦控制著機(jī)器人的手臂和行走裝置，使機(jī)器人的手完成作業(yè)，而用腳完成移動功能；有些機(jī)器人能夠識別人的自然語言，可以“聽”懂人用自然語言發(fā)出的各種命令，完成相應(yīng)的動作（圖3）。智能機(jī)器人的“智能”特征就在于它具有與外部世界——對象、環(huán)境和人相適應(yīng)、相協(xié)調(diào)的工作機(jī)能。從控制方式看，智能機(jī)器人不同于工業(yè)機(jī)器人的“示教、再現(xiàn)”，不同于遙控機(jī)器人的“主—從操縱”，而是以一種“認(rèn)知—適應(yīng)”的方式自律地進(jìn)行操作。智能機(jī)器人在發(fā)生故障時，通過自我診斷裝置能自我診斷出故障部位，并能自我修復(fù)。
可行走并用自然語言和人交流
自上世紀(jì)90年代以來，隨著計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。原本用于生產(chǎn)制造的工業(yè)機(jī)器人水平不斷提高，各種用于非制造業(yè)的先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)也有了長足的進(jìn)展。機(jī)器人的各種功能被相繼開發(fā)并得到不斷增強(qiáng)，機(jī)器人的種類不斷增多，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也從最初的工業(yè)控制拓展到各行各業(yè)，從軍事到民用，從天上到地下，從工業(yè)到農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，從科研探索到醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)，從生產(chǎn)領(lǐng)域到娛樂服務(wù)行業(yè)，甚至還進(jìn)入尋常百姓家。
從機(jī)器人的用途來分，可以分為兩大類：軍用機(jī)器人和民用機(jī)器人。
軍用機(jī)器人主要用于軍事上代替或輔助軍隊(duì)進(jìn)行作戰(zhàn)、偵察、探險等工作。根據(jù)不同的作戰(zhàn)空間可分為地面軍用機(jī)器人、空中軍用機(jī)器人(即無人飛行機(jī))、水下軍用機(jī)器人和空間軍用機(jī)器人等。軍用機(jī)器人的控制方式一般有自主操控式、半自主操控式、遙控式等多種方式，這里不作詳述。
在民用機(jī)器人中，各種生產(chǎn)制造領(lǐng)域中的工業(yè)機(jī)器人在數(shù)量上占絕對多數(shù)，成為機(jī)器人家族中的主力軍；其它各種種類的機(jī)器人也開始在不同的領(lǐng)域得到研究開發(fā)和應(yīng)用。總體看來，若按用途分，民用機(jī)器人可以分為以下幾個主要類別：
1）工業(yè)機(jī)器人
這是機(jī)器人中數(shù)量和種類最多的一種機(jī)器人，廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域的各行各業(yè)。也是形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的一種機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人一般由機(jī)械本體、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置等構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。
工業(yè)機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人的勞動，它既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又具有機(jī)器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。
工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，主要用于生產(chǎn)制造過程中的焊接、切割、裝配、噴漆、搬運(yùn)、包裝、產(chǎn)品檢驗(yàn)等等，目前在汽車制造業(yè)生產(chǎn)線上服役的工業(yè)機(jī)器人占總體數(shù)量的一半以上。
2) 服務(wù)機(jī)器人
服務(wù)機(jī)器人是機(jī)器人家族中的一個年輕成員，到目前為止還沒有一個嚴(yán)格的定義，不同國家對服務(wù)機(jī)器人的認(rèn)識也有一定差異。國際機(jī)器人聯(lián)合會經(jīng)過幾年的搜集整理，給了服務(wù)機(jī)器人一個初步的定義：服務(wù)機(jī)器人是一種半自主或全自主工作的機(jī)器人，它能完成有益于人類健康的服務(wù)工作，但不包括從事生產(chǎn)的設(shè)備。服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用范圍很廣，主要從事醫(yī)療、救援、監(jiān)護(hù)、運(yùn)輸、維護(hù)、保養(yǎng)、修理、清洗、保安、導(dǎo)游等工作。
3）娛樂機(jī)器人
娛樂機(jī)器人以供人觀賞、娛樂為目的，具有機(jī)器人的外部特征，可以像人，像某種動物，像童話或科幻小說中的人物等。同時具有機(jī)器人的功能，可以行走或完成動作，可以有語言能力，會唱歌，有一定的感知能力。 如：作為電子寵物的機(jī)器狗、機(jī)器貓一時曾成為人們的興趣熱點(diǎn)，有些機(jī)器人還會進(jìn)行演奏、會跟著音樂節(jié)奏跳舞等。
4）類人機(jī)器人
大多數(shù)的機(jī)器人并不像人，有的甚至沒有一點(diǎn)人的模樣。研制出外觀和功能與人一樣的機(jī)器人是科學(xué)家們夢寐以求的愿望，也是他們不懈追求的目標(biāo)。然而，研制出性能優(yōu)異的類人機(jī)器人，其最大的難關(guān)就是雙足直立行走。由于仿人型機(jī)器人集機(jī)、電、材料、計算機(jī)、傳感器、控制技術(shù)等多門學(xué)科于一體，是一個國家高科技實(shí)力和發(fā)展水平的重要標(biāo)志，因此，世界發(fā)達(dá)國家都不惜投入巨資進(jìn)行開發(fā)研究。日、美、英等國都在研制仿人形機(jī)器人方面做了大量的工作，并已取得突破性的進(jìn)展。日本本田公司于1997年10月推出了仿人形機(jī)器人P3，美國麻省理工學(xué)院研制出了仿人形機(jī)器人科戈（COG），德國和澳洲共同研制出了裝有52個汽缸，身高2米、體重150公斤的大型機(jī)器人，韓國最近也推出了機(jī)器人Hubo。本田公司最新開發(fā)的新型機(jī)器人“阿西莫”，身高120厘米，體重43公斤，它的走路方式更加接近人。我國也在這方面作了很多工作，國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出了雙足步行機(jī)器人。
5）農(nóng)業(yè)機(jī)器人
農(nóng)業(yè)機(jī)器人最早出現(xiàn)在日本、美國等發(fā)達(dá)國家，在研究方面，目前日本居于世界各國之首。原因在于這些國家的農(nóng)業(yè)人口較少，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模化、多樣化、精確化，勞動力不足的現(xiàn)象越來越明顯。在這種情況下，使用農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以提高勞動生產(chǎn)率和作業(yè)質(zhì)量，解決勞動力的不足；還可以改善農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境，防止農(nóng)藥、化肥等對人體的傷害等。但農(nóng)業(yè)機(jī)器人有如下的特點(diǎn)：①農(nóng)業(yè)機(jī)器人一般要求邊作業(yè)邊移動；②農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的行走不是連接出發(fā)點(diǎn)和終點(diǎn)的最短距離，而是具有狹窄較長的距離及遍及整個田間表面的特點(diǎn)；③使用條件變化較大，如氣候影響、道路的不平坦和在傾斜的地面上作業(yè)，還須考慮左右搖擺的問題；④價格問題，工業(yè)機(jī)器人所需大量投資由工廠或工業(yè)集團(tuán)支付，而農(nóng)業(yè)機(jī)器人以個體經(jīng)營為主，如果不是低價格，就很難普及；⑤農(nóng)業(yè)機(jī)器人的使用者是農(nóng)民，不是具有機(jī)械電子知識的工程師，因此要求農(nóng)業(yè)機(jī)器人必須具有高可靠性和操作簡單的特點(diǎn)。
現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)機(jī)器人主要用于耕耘、施肥、除草、噴藥、蔬菜嫁接、收割、蔬菜水果采摘、林木修剪、果實(shí)分揀等。
我國有一半以上的農(nóng)業(yè)人口，研究和開發(fā)農(nóng)業(yè)機(jī)器人對于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動效率和減輕人的勞動具有重要意義，但鑒于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的上述特點(diǎn)，它們的應(yīng)用和普及還尚需時日。
6) 特種機(jī)器人
特種機(jī)器人通常是在非結(jié)構(gòu)化的特殊環(huán)境下工作，即作業(yè)無法在事先布置好的條件下進(jìn)行，而且在作業(yè)過程中環(huán)境可能發(fā)生變化。與在結(jié)構(gòu)化環(huán)境下作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人相比，在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下工作的特種機(jī)器人控制更加困難，要求的智能程度更高，如空間探測、深海作業(yè)、精密操作、在役管道內(nèi)作業(yè)等。
從某種意義上說，除工業(yè)機(jī)器人以外的均可稱之為特種機(jī)器人。但從環(huán)境的特殊性考慮，應(yīng)把用于軍事、科學(xué)探索、醫(yī)學(xué)、深水、核輻射等特殊環(huán)境的稱之為特種機(jī)器人。特種機(jī)器人集當(dāng)代眾多高技術(shù)于一身，將在眾多領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
2、 焊接機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀
據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界在役的工業(yè)機(jī)器人中大約有將近一半的工業(yè)機(jī)器人用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域，焊接機(jī)器人應(yīng)用中最普遍的主要有兩種方式，即點(diǎn)焊和電弧焊。圖4所示是這兩種焊接機(jī)器人在工業(yè)機(jī)器人中所占的大致比例。我們所說的焊接機(jī)器人其實(shí)就是在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域代替焊工從事焊接任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人。這些焊接機(jī)器人中有的是為某種焊接方式專門設(shè)計的，而大多數(shù)的焊接機(jī)器人其實(shí)就是通用的工業(yè)機(jī)器人裝上某種焊接工具而構(gòu)成的。在多任務(wù)環(huán)境中，一臺機(jī)器人甚至可以完成包括焊接在內(nèi)的抓物、搬運(yùn)、安裝、焊接、卸料等多種任務(wù)，機(jī)器人可以根據(jù)程序要求和任務(wù)性質(zhì)，自動更換機(jī)器人手腕上的工具，完成相應(yīng)的任務(wù)。因此，從某種意義上來說，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史就是焊接機(jī)器人的發(fā)展歷史。
眾所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接又是一種勞動條件差、煙塵多、熱輻射大、危險性高的工作。工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)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(qiáng)度，同時也可以保證焊接質(zhì)量和提高焊接效率。
然而，焊接又與其它工業(yè)加工過程不一樣，比如，電弧焊過程中，被焊工件由于局部加熱熔化和冷卻產(chǎn)生變形，焊縫的軌跡會因此而發(fā)生變化。手工焊時有經(jīng)驗(yàn)的焊工可以根據(jù)眼睛所觀察到的實(shí)際焊縫位置適時地調(diào)整焊槍的位置、姿態(tài)和行走的速度，以適應(yīng)焊縫軌跡的變化。然而機(jī)器人要適應(yīng)這種變化，必須首先像人一樣要“看”到這種變化，然后采取相應(yīng)的措施調(diào)整焊槍的位置和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對焊縫的實(shí)時跟蹤。由于電弧焊接過程中有強(qiáng)烈弧光、電弧噪音、煙塵、熔滴過渡不穩(wěn)定引起的焊絲短路、大電流強(qiáng)磁場等復(fù)雜的環(huán)境因素的存在，機(jī)器人要檢測和識別焊縫所需要的信號特征的提取并不像工業(yè)制造中其它加工過程的檢測那么容易，因此，焊接機(jī)器人的應(yīng)用并不是一開始就用于電弧焊過程的。
實(shí)際上，工業(yè)機(jī)器人在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用最早是從汽車裝配生產(chǎn)線上的電阻點(diǎn)焊開始的。原因在于電阻點(diǎn)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(jī)器人的精度和重復(fù)精度的控制要求比較低。圖5所示為不同形式的機(jī)器人點(diǎn)焊鉗。點(diǎn)焊機(jī)器人在汽車裝配生產(chǎn)線上的大量應(yīng)用大大提高了汽車裝配焊接的生產(chǎn)率和焊接質(zhì)量，同時又具有柔性焊接的特點(diǎn)，即只要改變程序，就可在同一條生產(chǎn)線上對不同的車型進(jìn)行裝配焊接。
從機(jī)器人誕生到本世紀(jì)80年代初，機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了一個長期緩慢的發(fā)展過程。到了90年代，隨著計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。工業(yè)機(jī)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(jī)器人的制造成本和價格卻不斷下降。在西方社會，和機(jī)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(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(UNECE)統(tǒng)計的從1990年至2000年的機(jī)器人價格指數(shù)和勞動力成本指數(shù)的變化曲線。圖中，把1990年的機(jī)器人價格指數(shù)和勞動力成本指數(shù)都作為參考值100，至2000年，勞動力成本指數(shù)為140，增長了40%；而機(jī)器人在考慮質(zhì)量因素的情況下價格指數(shù)低于20，降低了80%，在不考慮質(zhì)量因素的情況下，機(jī)器人的價格指數(shù)約為40，降低了60%。這里，不考慮質(zhì)量因素的機(jī)器人價格是指現(xiàn)在的機(jī)器人實(shí)際價格與過去相比較；而考慮質(zhì)量因素是指由于機(jī)器人制造工藝技術(shù)水平的提高，機(jī)器人的制造質(zhì)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(jī)器人同等質(zhì)量和性能考慮，機(jī)器人的價格指數(shù)應(yīng)該更低。
由此可以看出，在西方國家，由于勞動力成本的提高為企業(yè)帶來了不小的壓力，而機(jī)器人價格指數(shù)的降低又恰巧為其進(jìn)一步推廣應(yīng)用帶來了契機(jī)。減少員工與增加機(jī)器人的設(shè)備投資，在兩者費(fèi)用達(dá)到某一平衡點(diǎn)的時候，采用機(jī)器人的利顯然要比采用人工所帶來的利大，它一方面可大大提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平，從而提高勞動生產(chǎn)率，同時又可提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)的整體競爭力。雖然機(jī)器人一次性投資比較大，但它的日常維護(hù)和消耗相對于它的產(chǎn)出遠(yuǎn)比完成同樣任務(wù)所消耗的人工費(fèi)用小。因此，從長遠(yuǎn)看，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本還會大大降低。而機(jī)器人價格的降低使一些中小企業(yè)投資購買機(jī)器人變得輕而易舉。因此，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用在各行各業(yè)得到飛速發(fā)展。根據(jù)UNECE的統(tǒng)計，2001年全世界有75萬臺工業(yè)機(jī)器人用于工業(yè)制造領(lǐng)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(yè)機(jī)器人至少有約100萬。
由于機(jī)器人控制速度和精度的提高，尤其是電弧傳感器的開發(fā)并在機(jī)器人焊接中得到應(yīng)用，使機(jī)器人電弧焊的焊縫軌跡跟蹤和控制問題在一定程度上得到很好解決，機(jī)器人焊接在汽車制造中的應(yīng)用從原來比較單一的汽車裝配點(diǎn)焊很快發(fā)展為汽車零部件和裝配過程中的電弧焊。機(jī)器人電弧焊的最大的特點(diǎn)是柔性，即可通過編程隨時改變焊接軌跡和焊接順序，因此最適用于被焊工件品種變化大、焊縫短而多、形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。這正好又符合汽車制造的特點(diǎn)。尤其是現(xiàn)代社會汽車款式的更新速度非常快，采用機(jī)器人裝備的汽車生產(chǎn)線能夠很好地適應(yīng)這種變化。圖7所示為機(jī)器人電弧焊用于焊接汽車底盤。
另外，機(jī)器人電弧焊不僅用于汽車制造業(yè)，更可以用于涉及電弧焊的其它制造業(yè)，如造船、機(jī)車車輛、鍋爐、重型機(jī)械等等。因此，機(jī)器人電弧焊的應(yīng)用范圍日趨廣泛，在數(shù)量上大有超過機(jī)器人點(diǎn)焊之勢。
隨著汽車輕量化制造技術(shù)的推廣，一些高強(qiáng)合金材料和輕合金材料(如鋁合金、鎂合金等)在汽車結(jié)構(gòu)材料中得到應(yīng)用。這些材料的焊接往往無法用傳統(tǒng)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(fā)展?jié)摿ΑＲ虼耍瑱C(jī)器人與高功率激光焊和攪拌摩擦焊的結(jié)合將成為必然趨勢。事實(shí)上，像上海大眾等國內(nèi)最具實(shí)力的汽車制造商在他們的新車型制造過程中已經(jīng)大量使用機(jī)器人激光焊接。圖8所示為其汽車車頂?shù)臋C(jī)器人激光焊接。
和機(jī)器人電弧焊相比，機(jī)器人激光焊的焊縫跟蹤精度要求更高。根據(jù)一般的要求，機(jī)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(nèi)，在具有填充絲的條件下焊縫跟蹤精度可適當(dāng)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(nèi)，遠(yuǎn)小于焊絲直徑(通常大于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(jī)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(jī)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于焊縫軌跡的跟蹤。
工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式很多，常用的有直角坐標(biāo)式、柱面坐標(biāo)式、球面坐標(biāo)式、多關(guān)節(jié)坐標(biāo)式、伸縮式、爬行式等等，根據(jù)不同的用途還在不斷發(fā)展之中。焊接機(jī)器人根據(jù)不同的應(yīng)用場合可采取不同的結(jié)構(gòu)形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多關(guān)節(jié)式的機(jī)器人，這是因?yàn)槎嚓P(guān)節(jié)式機(jī)器人的手臂靈活性最大，可以使焊槍的空間位置和姿態(tài)調(diào)至任意狀態(tài)，以滿足焊接需要。理論上講，機(jī)器人的關(guān)節(jié)愈多，自由度也愈多，關(guān)節(jié)冗余度愈大，靈活性愈好；但同時也給機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)的坐標(biāo)變換和各關(guān)節(jié)位置的控制帶來復(fù)雜性。因?yàn)楹附舆^程中往往需要把以空間直角坐標(biāo)表示的工件上的焊縫位置轉(zhuǎn)換為焊槍端部的空間位置和姿態(tài)，再通過機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)計算轉(zhuǎn)換為對機(jī)器人每個關(guān)節(jié)角度位置的控制，而這一變換過程的解往往不是唯一的，冗余度愈大，解愈多。如何選取最合適的解對機(jī)器人焊接過程中運(yùn)動的平穩(wěn)性很重要。不同的機(jī)器人控制系統(tǒng)對這一問題的處理方式不盡相同。
一般來講，具有6個關(guān)節(jié)的機(jī)器人基本上能滿足焊槍的位置和空間姿態(tài)的控制要求，其中3個自由度(XYZ)用于控制焊槍端部的空間位置，另外3個自由度(ABC)用于控制焊槍的空間姿態(tài)。因此，目前的焊接機(jī)器人多數(shù)為6關(guān)節(jié)式的。
對于有些焊接場合，工件由于過大或空間幾何形狀過于復(fù)雜，使焊接機(jī)器人的焊槍無法到達(dá)指定的焊縫位置或焊槍姿態(tài)，這時必須通過增加1～3個外部軸的辦法增加機(jī)器人的自由度。通常有兩種做法：一是把機(jī)器人裝于可以移動的軌道小車或龍門架上，擴(kuò)大機(jī)器人本身的作業(yè)空間；二是讓工件移動或轉(zhuǎn)動，使工件上的焊接部位進(jìn)入機(jī)器人的作業(yè)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(jī)器人都處于最佳焊接位置。
焊接機(jī)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(jìn)，尤其是液晶圖形顯示屏的采用使新的焊接機(jī)器人的編程界面更趨友好、操作更加易。然而機(jī)器人編程時焊縫軌跡上的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)位置仍必須通過示教方式獲取，然后存入程序的運(yùn)動指令中。這對于一些復(fù)雜形狀的焊縫軌跡來說，必須花費(fèi)大量的時間示教，從而降低了機(jī)器人的使用效率，也增加了編程人員的勞動強(qiáng)度。目前解決的方法有2種：
一是示教編程時只是粗略獲取幾個焊縫軌跡上的幾個關(guān)鍵點(diǎn)，然后通過焊接機(jī)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(shí)際的焊縫軌跡。這種方式雖然仍離不開示教編程，但在一定程度上可以減輕示教編程的強(qiáng)度，提高編程效率。但由于電弧焊本身的特點(diǎn)，機(jī)器人的視覺傳感器并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(jī)器人焊接程序的編制、焊縫軌跡坐標(biāo)位置的獲取、以及程序的調(diào)試均在一臺計算機(jī)上獨(dú)立完成，不需要機(jī)器人本身的參與。機(jī)器人離線編程早在多年以前就有，只是由于當(dāng)時受計算機(jī)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(jī)器人的所有指令系統(tǒng)和語法，還要知道如何確定焊縫軌跡的空間位置坐標(biāo)，因此，編程工作并不輕松省時。隨著計算機(jī)性能的提高和計算機(jī)三維圖形技術(shù)的發(fā)展，如今的機(jī)器人離線編程系統(tǒng)多數(shù)可在三維圖形環(huán)境下運(yùn)行，編程界面友好、方便，而且，獲取焊縫軌跡的坐標(biāo)位置通常可以采用“虛擬示教”(virtual Teach-in)的辦法，用鼠標(biāo)輕松點(diǎn)擊三維虛擬環(huán)境中工件的焊接部位即可獲得該點(diǎn)的空間坐標(biāo)；在有些系統(tǒng)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，然后自動生成機(jī)器人程序并下載到機(jī)器人控制系統(tǒng)。從而大大提高了機(jī)器人的編程效率，也減輕了編程員的勞動強(qiáng)度。目前，國際市場上已有基于普通PC機(jī)的商用機(jī)器人離線編程軟件。如Workspace5、RobotStudio等。圖9所示為筆者自行開發(fā)的基于PC的三維可視化機(jī)器人離線編程系統(tǒng)。該系統(tǒng)可針對ABB公司的IRB140機(jī)器人進(jìn)行離線編程，程序中的焊縫軌跡通過虛擬示教獲得，并在三維圖形環(huán)境中可讓機(jī)器人按程序中的軌跡作模擬運(yùn)動，以此檢驗(yàn)其準(zhǔn)確性和合理性。所編程序可通過網(wǎng)絡(luò)直接下載給機(jī)器人控制器。
我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；應(yīng)用規(guī)模小，沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。
當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，單戶單次重新設(shè)計，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
3、 焊接機(jī)器人發(fā)展趨勢
目前國際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究。從機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢看，焊接機(jī)器人和其它工業(yè)機(jī)器人一樣，不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。具體而言，表現(xiàn)在如下幾個方面：
1)．機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)：
通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。
探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載/自重比。例如，以德國KUKA公司為代表的機(jī)器人公司，已將機(jī)器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機(jī)器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用，大大提高了機(jī)器人的性能。此外采用先進(jìn)的RV減速器及交流伺服電機(jī)，使機(jī)器人操作機(jī)幾乎成為免維護(hù)系統(tǒng)。
機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。例如，關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。
機(jī)器人的結(jié)構(gòu)更加靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。
采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，利用機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度測量及加工，這是機(jī)器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。
2).機(jī)器人控制系統(tǒng)：
重點(diǎn)研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)。向基于PC機(jī)的開放型控
制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。控制系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，已由過去控制標(biāo)準(zhǔn)的6軸機(jī)器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸，并且實(shí)現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。
人機(jī)界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點(diǎn)。
編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實(shí)用化將成為研究重點(diǎn)，在某些領(lǐng)域的離線編程已實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。
3).機(jī)器人傳感技術(shù)：
機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器，并實(shí)現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機(jī)器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。
遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制。為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。
4). 網(wǎng)絡(luò)通信功能：
日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機(jī)器人控制器已實(shí)現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機(jī)器人由過去的獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步，也使機(jī)器人由過去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備發(fā)展。
5). 機(jī)器人遙控和監(jiān)控技術(shù)
在一些諸如核輻射、深水、有毒等高危險環(huán)境中進(jìn)行焊接或其它作業(yè)，需要有遙控的機(jī)器人代替人去工作。當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，可通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。
6). 虛擬機(jī)器人技術(shù)：
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙操作和人機(jī)交互。
7).機(jī)器人性能價格比：
機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機(jī)價格不斷下降。由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性MTBF一般為幾千小時，而現(xiàn)在已達(dá)到5萬小時，可以滿足任何場合的需求。
8)．多智能體調(diào)控技術(shù)：
這是目前機(jī)器人研究的一個嶄新領(lǐng)域。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。
近年來，人類的活動領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂等行業(yè)都提出了自動化和機(jī)器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點(diǎn)是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因而對機(jī)器人的要求更高，需要機(jī)器人具有行走功能，對外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機(jī)器人技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。
可以預(yù)見，在21世紀(jì)各種先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)將會進(jìn)入人類生活的各個領(lǐng)域，成為人類良好的助手和親密的伙伴。
4、 挑戰(zhàn)與對策
進(jìn)入21世紀(jì)，世界經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)正在發(fā)生重大而深刻的變革，但制造業(yè)依然是世界各發(fā)達(dá)與發(fā)展中國家加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高國家綜合競爭力的重要途徑。
我國是一個制造業(yè)大國，尚處于工業(yè)化進(jìn)程之中，在未來相當(dāng)長的時期里，制造業(yè)仍將在國民經(jīng)濟(jì)中占主導(dǎo)地位。在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國正逐步成為世界最重要的制造業(yè)基地之一。
然而目前我國裝備制造業(yè)的整體水平與發(fā)達(dá)國家相比尚有較大的差距，尤其是在戰(zhàn)略必爭裝備技術(shù)與競爭前核心技術(shù)、基礎(chǔ)制造裝備與成套關(guān)鍵裝備制造技術(shù)等方面差距更大，這種差距又主要體現(xiàn)在先進(jìn)裝備的自主設(shè)計與獨(dú)立制造能力差，成套與系統(tǒng)集成、優(yōu)化能力差，技術(shù)創(chuàng)新和集成創(chuàng)新能力差。這些差距已經(jīng)成為制約我國制造業(yè)乃至其他行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸問題之一。
21世紀(jì)基礎(chǔ)制造裝備的水平主要體現(xiàn)在高精度、高效率、低成本和高柔性等幾個方面。高效率、高精度工藝的一個典型例子是精密成形技術(shù)，其目的是盡量減少切削，甚至免除切削，減少原材料的浪費(fèi)，同時提高制造效率。精密成形技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國家已得到廣泛應(yīng)用。柔性自動化仍是機(jī)床業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一。柔性自動化的進(jìn)一步發(fā)展是敏捷生產(chǎn)設(shè)備。為適應(yīng)敏捷生產(chǎn)模式，人們正在探求設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)重組以及生產(chǎn)單元的動態(tài)重組問題。
另外，國外在大型、成套裝備方面有很大優(yōu)勢，并且在成套裝備的高技術(shù)化方面，取得了巨大的進(jìn)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)控化、柔性自動化，并大量采用工業(yè)機(jī)器人，正向著智能化、集成化的方向發(fā)展。
隨著我國加入WTO，我國裝備制造業(yè)從來沒有像今天這樣直接地面對國際同行的有力競爭和挑戰(zhàn)。如何適應(yīng)激烈的國際競爭和快速變化的世界市場需求，不斷以高質(zhì)量、低成本、快速響應(yīng)的手段在新的市場競爭中求得生存和發(fā)展，已是我國裝備制造業(yè)不容回避的問題。同時加入WTO也為我們提供了前所未有的機(jī)遇，我們必須抓住機(jī)遇迎頭趕上。
在“十五”期間，我國曾把包括焊接機(jī)器人在內(nèi)的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)作為重點(diǎn)研究內(nèi)容之一，其中包括焊接機(jī)器人（把弧焊與點(diǎn)焊機(jī)器人作為負(fù)載不同的一個系列機(jī)器人，可兼作弧焊、點(diǎn)焊、搬運(yùn)、裝配、切割作業(yè)）產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；弧焊機(jī)器人用激光視覺焊縫跟蹤裝置的開發(fā)，激光發(fā)射器的選用，CCD成象系統(tǒng)，視覺圖象處理技術(shù)，視覺跟蹤與機(jī)器人協(xié)調(diào)控制；焊接機(jī)器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動態(tài)仿真等。
在新的歷史時期，面對新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，只有一方面緊跟世界科技發(fā)展的潮流，研究與開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)制造裝備；另一方面，仍然通過引進(jìn)和消化，吸收一些現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)，踩在別人的肩膀上，盡快縮短和別人的差距。并通過應(yīng)用研究和二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新和關(guān)鍵設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化，提高我國制造業(yè)在國際競爭舞臺上的地位。
