浅谈五金产业智能工业机器人的发展现状和技术难题
陈国龙
（阳江市新力工业有限公司）
摘要：分析了我国五金行业工业机器人的现状和前景，重点阐述了工业机器人发展过程中的三大技术难题。
关键词：五金；机器人；现状：难题
１我国五金行业工业机器人的发展现状
近期，以珠江三角洲为代表的我国多个生产制造基地爆发 的水平，特别是在制造工艺与装备方面，不能生产高精密、高速 与高效的关键部件。根据我国海关统计，最近４年来许多企业 了严重‘ 用工荒”，传统五金产业作为典型的劳动力密集型产业
受到了灾难性的冲击和考验。随着劳动力资源日益紧缺、单个 工人成本上升，五金产业依靠低劳动力成本取得价格竞争优势
的时代已经结束。为适应未来产品质量要求的不断提升以及工 人对于工作环境安全与健康要求的日益提高，以工业机器人替 代恶劣工作环境下的产线工人、提升工业技术水平，推进产业 升级是五金产业发展的必然趋势。作为先进制造装备之典型代 表的工业机器人必将有一个大的产业发展空间，市场前景广
阔。
我国工业机器人经过“七五”攻关计划、“九五”攻关计划和 ８６３计划的支持已经取得了一定的发展，工业机器人市场已经 成熟。但是由于缺乏整体核心技术的突破且以高校为主的机器 人研究机构与企业需求脱节，至今仍未形成具有影响力的自主
知识产权产品和有规模的产业，导致我国工业机器人主要依赖 进口。鉴于五金零件的加工具有多品种少批量特点，要求其产 线工业机器人具有高柔性特征。面向五金产业相关机器人的研 发在国内还是空白，而进口机器人高昂的价格和维护成本，足 以使许多企业望而却步，给我国五金产业升级带来严重阻力和
困难。
２工业智能机器人的前景分析
２．１工业机器人普及率与经济规模严重失衡，机器人 应用市场空间巨大
数据显示，在２００９年，中国共有３．７万台工业机器人，仅为 日本的九分之一。中国的经济规模已超过日本，但每一万名产 业工人所拥有的工业机器人仅为２０～５０台，远远不及日本每万
人五百多台的水平。在发达国家，工业机器人已广泛运用于电 子消费品、太阳能电池、汽车零部件等产品的生产领域。
预计，随着中国的经济结构调整、产业升级、企业自动化程
度提升，未来国内将会迎来工业机器人应用的爆发性增长。
２．２机器人装备主要依赖进口，自主知识产权缺失， 机器人自主开发意义重大
中国工业机器人经过“七五”攻关计划、“九五”攻关计划和 ８６３计划的支持已经取得了较大进展，工业机器人市场也已经
成熟，应用上已经遍及各行各业，但其中进口机器人占了绝大 多数。在工业机器人控制和制造技术关键技术上，我国近年取 得了一些突破，但对于机器人领域的核心技术，我国仍未掌握。 目前我国机器人技术相当于国外发达国家２０世纪８０年代初
在华的销售量甚至是前面十几年销售量的几倍，年平均增长率 超过４０％。２００１年我国工业机器人海关进出口数量不过是
３７７４台，国内生产数量约７００台左右；２００４年市场规模已经增 长到万台左右，数量和金额相对于２００１年都增长了两倍；２００４ 年国产工业机器人数量突破了１４００台，产值突破８亿元人民 币；进口机器人数量超过９０００台，其中多功能机器人约１７００ 台，简易机器人７５００台，进口额约２５亿美元。德国ＣＬＯＯＳ公 司在华焊接机器人销售量２０００年以前为４７台，２０００年以后已 经突破１２１台，销售量翻了近３倍。可以预见，中国的工业机器 人产业不久后将会作为一种在国民经济中占据重要地位的产 业而存在。
３工业机器人发展的技术难题
工业机器人经过近５０年的发展历程，无论是在机械本体 的设计、机器人基础零部件与控制器硬件的生产，还是机器人 的运动学、力学分析上，都已逐渐成为成熟的技术与理论体系。
然而，现今的工业机器人技术仍然存在以下三个方面的技术难
题：
３．１工业机器人工作空间的奇异位问题
为了实现工业机器人从关节空间向笛卡尔空间的映射，机 器人学引入了雅可比矩阵，通过雅可比矩阵的线性变换，便可 以将关节速度与笛卡尔速度联系起来，其具体变换公式可表述
如下：
ｅ ＝ｒｌ（０）１，
式中，０ 表示关节角速度；１，表示笛卡尔空间下的机器人末
端线速度；ｊ－１（０）表示雅可比矩阵的逆变换。
不难发现，当雅可比矩阵的逆不存在时，公式的解便不复 存在。由此定义，使雅可比矩阵的行列式为零的所有０值为机 器人机构的奇异位形或奇异状态。所有的机器人在工作空间的
边界都存在奇异位形，并且大多数的机器人在它们的工作空间 内也可能出现奇异位形，其中工作空间边界的奇异位形出现在 机器人完全展开或者收回使得机器人末端处于或非常接近工 作空间边界的情况；而工作空间内部的奇异位形则出现在远离
工作空间的边界，通常是由于两个或者两个以上的关节轴线共 线引起的。当机器人处于奇异位置时，它将失去一个或多个自 由度，无论选择多大的关节速度，均无法使机器人运动，而此时 的机器人速度与加速度则将发生突变，趋于无穷大，将对机器 人的机械结构产生极大的冲击。为识别与躲避奇异位置，广大 专家进行了不懈的研究工作。许文福提出了一种奇异分离加阻
广东科技２０１２ ９第１７期２０７
研究园地
尼倒数的方法，首先分析了产生奇异的条件，将导致雅可比奇 异的参数分离出来，然后用阻尼倒数代替了普通倒数，以回避 奇异的影响。Ｈａｓａｎ等提出一种利用神经网络技术进行奇异位
（２）神经网络ＰＩＤ控制研究现状
ＨＤ算法简单、快捷，至今仍然在工业中得到广泛的应用。 但ＰＩＤ控制存在ＰＩＤ的三个参数（即比例参数ｋ。、积分参数ｋ。
置识别与回避的新方法，通过输入训练数据对所构建神经网络 进行训练，从而实现奇异位置的识别与回避。
与微分参数ｋ ）的整定问题。此外，ＨＤ控制还存在容易出现积 分超调等问题。为进一步提高ＰＩＤ的控制特性，广大学者进行
３．２工业机器人机械部件的精度与补偿问题
当今工业对工业机器人的精度要求越来越高。然而，由于 机器人机械本体的制造、装配、磨损等各种原因，机械部件本身 存在一些误差，这些误差将最终影响机械本体的最终运动上， 造成机器人机械本体的运动误差。
影响工业机器人位姿的精度有多方面的原因，从大体上讲 可分为静态与动态因素。静态因素包括了制造、装配时所带来
了深入的研究，将其与智能控制相结合，实现智能算法与ＰＩＤ 控制的优势互补，取得了不少成果。
人工神经网络是对人脑的模拟，神经网络控制，是指在控
制系统中采用神经网络这一工具对难以精确描述的复杂的非 线性对象进行建模，或充当控制器，或优化计算，或进行推理，
或故障诊断，以及同时兼有上述某些功能的适当组合，将其与 ＰＩＤ控制相结合，常见的系统结构如图１所示。
的机器人本体机械结构上的误差；由外界温度的改变和长期的 磨损而引起的机械部件的尺寸变化，造成的机器人位姿误差。
动态因素主要是由外力所引起的机械部件本身的弹性变形所 带来的机器人运动误差。为解决以上因素所造成的机器人位姿
误差，必须在使用前对机器人进行标定，建立机器人的参照模 型，目前用于机器人标定的技术有基于三坐标测量仪的标定、 基于激光跟踪仪的机器人标定以及基于ＣＣＤ的机器人标定。 根据机器人实际运行时的位姿与参照模型间的误差，建立机器
人补偿机制，以进一步提高机器人实际作业的精度。
３．３机器人的控制问题
在企业的生产现场，存在有电的、光的、磁的等各种各样不 确定因素的干扰，所有这些，都对机器人控制技术提出了严峻
图１神经网络ＰＩＤ控制系统结构
图１中，ＮＮＣ作为ＰＩＤ参数调节器，根据被控对象反馈的 偏差大小，自适应地调节自身的网络权值，输出最优的ＰＩＤ参
的挑战，要求所设计的机器人控制算法必须具备较高的实时 性、稳定性与抗干扰的能力。
（１）机构轨迹综合法研究现状
根据机构轨迹综合实现途径的不同可以将轨迹综合方法
数，以提高ＨＤ控制器效果。咎鹏等设计了一种基于ＢＰ神经网 络ＰＩＤ控制策略，构建了两级神经网络，其中第一级网络为一 个三输入单输出的神经网络，用于ＨＤ参数的整定，ＰＩＤ的三个 增益作为权重，通过极小化相应的性能函数，使控制器的输出 较快地跟踪输入；第二级网络采用了三层结构，用于对被控非 线性模型的辨识，使所设计的神经网络结构最大程度的逼近被 控对象的非线性模型。
分成两种：直接综合方法和间接综合方法。前者采用的是“期望 轨迹一机构一轨迹匹配”的思路，后者则采用“期望轨迹一轨迹 匹配一机构”的思路。
早在１９世纪，学者开始研究机构轨迹问题，最初的机构轨 迹研究主要集中在直接轨迹综合方法上，主要应用于求解精确 点轨迹综合问题。根据求解方法的不同将其大致分成两大类，
４结束语
五金行业竞争将转向高品质、高技术含量的产品上，附加 值低的产品的市场份额在逐渐减少。随着竞争的深入，五金产 业链各阶段的利润空间均在压缩，降价的空间日趋减少。靠价
即图解法和数值方法，后者又可进一步分为代数法和优化法 等。在德国学者Ｒｅｕｌｅａｕｘ学说的启示下，１８７６ １８７７年，德国学 者Ｂｕ丌ｎｅｓｔｅｒ发表了关于机构综合的研究成果，之后很多学者 又丰富和发展了Ｂｕ￣ｅｓｔｅｒ理论，建立起多种机构综合的方法 的完整体系。
格竞争不能建立核心竞争力，不是长远发展的方向，必须努力 