工业机器人被重新定义

如今机器人的发展进入了全新的R2.0时代，并被赋予了新的概念（是一种具备感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，具有高度灵活性的自动化机器）。机器人正成为各行各业、各工艺工序的作业专家能手，以新松为例，其工业机器人成熟具备了焊接、磨抛、喷涂、装配、搬码、上下料等工艺包与专家系统，广泛服务于汽车、航空航天、船舶制造、电子电气、食品医疗等领域。

对比五年前的传统机器人，现在的工业机器人已经打破了技术壁垒，成为一种具有自感知、自决策、自执行的智能生产工具。一是自感知功能，以用户个性化定制为主线，通过视觉或力控技术帮助机器人作业，采用力位混合的柔性控制技术等，都是在传统的工业机器人上外加各类智能传感器辅助、实现信息的感知与融合，从而指导下一步工作。二是自决策功能，使用各种工艺专家数据库来共享经验知识，将机器人与工业物联网的系统融合构建MES，以智能互联为基础，实现智能控制、决策及交互。三是自执行功能，以全流程整合为方法，建立智能化生产机制，通常会配套智能离线编程软件来实现免示教作业及柔性路径的自主规划，实现快速编程与自编程，快速就位与换产等，同时重视操作性和实用化，达到智能生产的目的。

新松工业机器人关键技术

工业机器人是集计算机、机械、电子、控制等诸多学科于一体的自动化设备，具有较高的技术附加价值，接下来就新松工业机器人的几项关键技术展开介绍。

一、新松工业机器人核心控制技术

1.网络化控制器

随着机器人的工程应用越来越多，机器人控制器的联网技术变得越来越重要。首先，控制器需要支持更多的协议扩展与通信接口，具备各类现场总线及工业以太网的联网功能，实现机机融合，便于对生产环节进行监管及优化。其次，为更好地解决机器人复杂作业中指令过多的问题，提高作业存储的安全性，控制器的存储形式向多元化发展，存储容量也顺势得到了显著提升，实现了机器人作业和指令的海量安全存储。

2．路径控制技术

（1）连续轨迹规划技术

机器人位置控制分为点位式和轨迹式两种方式。连续轨迹算法一直是工业机器人轨迹规划技术的重要组成部分，是性能优化的关键体现。新松工业机器人通过对位置给定信号按照优化的时间间隔进行速度合成与插值计算，建立优化路径控制的目标函数，从而实现连续轨迹控制。连续轨迹规划技术保证了机器人运动轨迹的圆滑过渡，提高过渡区域的速度，减少过渡所需时间，充分发挥工业机器人的能力。

（2）振动抑制技术

柔性化是工业机器人的发展趋势之一。工业机器人运动结束之后由于关节柔性和连杆柔性，将引起机械臂的残余振动，通用方法是采用伺服驱动器的减振滤波功能，实现振动抑制效果。但该方法会导致跟踪差增大，机器人轨迹精度变差。新松工业机器人创新的振动抑制技术基于轨迹规划抑振，从根源上解决机械臂残余振动问题，从而克服了通过驱动器减振滤波方式导致轨迹精度变差的缺陷，同时也加强了机器人运动终止时的精确定位。　

3.动力学补偿技术

工业机器人动力学研究的是关节力、力矩与关节运动的关系，主要目的是通过动力学模型来计算出工业机器人各关节在进行目标运动时各关节驱动器所应提供的力矩大小，并将这一力矩值用于机器人控制。通过动力学补偿技术，来解决机器人碰撞保护、上电瞬间抖动、负载辨识、轨迹精度等关键问题。

（1）碰撞保护技术

碰撞保护是通过相应的控制策略，避免机器人与障碍物产生碰撞而提高其安全系数的机器人智能安全保护方法。大多数检测碰撞或碰撞力都是通过添加外部传感器实现。考虑到工业机器人的实际工作情况和性能要求，新松工业机器人采用机器人自身电机的电流反馈力矩的形式来检测碰撞，无需额外添加传感器，检测范围能够覆盖机器人的整个表面。同时设计并应用了基于自适应滤波算法，对报警阀值自动调整，有效提高碰撞检测的灵敏度，降低设备的误报警率。

（2）扭矩前馈控制技术

扭矩前馈控制技术主要针对大负载工况下机器人关节的刚度参数辨识问题进行误差补偿。通过动力学计算出机器人在某一姿态、某一速度下所需的扭矩变化，并将其加算到电流环的输入环节，使得扭矩输出可以快速地实现稳态调整，减少偏差，达到预期控制效果。通过扭矩前馈控制技术有效地解决了工业机器人（尤其大负载机器人）上电瞬间由于重力影响出现的瞬间“下垂”抖动；改善了传统位置模式控制方式下，机器人不同负载、不同速度轨迹精度不一致问题。实际应用中拖拽示教、软浮动功能也是基于该技术进行的扩展及优化。

（3）负载辨识技术

负载的动力学模型是机器人系统动力学模型的重要部分。机器人柔性化程度的提高以及定制化生产不断完善，工业机器人负载辨识技术应运而生。工业机器人在同一作业过程中由于末端负载变化，往往会导致机械振动而影响精度，负载的动力学参数一般不能直接得到，也会影响建模精度，因此需要识别机器人末端负载去调整相应的控制参数来保证其具有良好的运动表现。新松工业机器人负载辨识技术是一种无需外接设备，基于伺服电机输出力矩，通过末端辨识自动计算负载的动力学参数的方法。

（4）刚度补偿技术

工业机器人控制中需要考虑弹性变形的作用，变形主要来源于关节和连杆。为精确辨识工业机器人的关节刚度参数，新松工业机器人以动力学为基础，结合机器人柔度矩阵，使用了刚度补偿技术，很大程度上提升了机器人的绝对精度和轨迹精度。以新松210kg机器人为例，测试的绝对精度在刚度补偿后效果平稳。

4.多轴联动技术

为扩展机器人使用范围，更好地满足多种多样的工业需求，针对目标工位，新松工业机器人自主研发了外部轴联动技术，来配合工件的变位与移位，通过机器人控制器从位置、速度、加速度等方面直接对外部轴运动进行控制协调，对机器人与导轨、变位机实施联动，实现大范围多工位的工作。

二、新松工业机器人技术与人工智能

1.手眼系统：让机器人像人类一样看懂

工业机器人手眼系统是一种基于机器视觉的技术研究，属于机器人人工智能的基础单元。在相机检测到目标在图像中的像素位置后，通过标定好的坐标转换矩阵将相机的像素坐标变换到机械手的空间坐标系中，实现机器人在生产作业各环节有智能识别、定位追踪和在线检测的功能。新松工业机器人手眼系统针对不同目标具有高柔性，针对不同的视觉类型具有高度匹配性。经常应用到项目中的典型应用包括：

（1）位置修正：通过相机的视觉系统对目标对象进行图像分析，给出位置坐标。机器人通过位置坐标修正当前动作姿态，调整抓取位置。

（2）对位贴合：通过相机获得需要对位物体的相对坐标，再把两者及机器人坐标统一到一个坐标系，机器人修正贴合的位置对准进行贴合。

（3）随动检测：在运动中，对物体的位置加以识别，引导机器人在运动的过程中随动抓取物体。

2.力控系统：让机器人像人类一样运动

工业机器人力控技术是柔顺控制技术的关键，传统机器人解决方案都是以预先编定的路径与速度实施运行控制；新松工业机器人针对磨抛、装配等实际应用中特殊作业环境，提升了机器人工作的敏感性，通过外部增配力传感器，对获取的力数据进行处理，对程控路径或速度进行微调，改善用户要求的精度及准确性。举例说明，一是卡扣检测应用：卡扣装配过程中，根据力的变化，判断卡扣装配是否成功；二是螺旋装配、齿轮装配应用：装配过程中，若出现未对准情况，可以在孔面螺旋运动进行搜索，对准后完成插孔动作，运动到指定位置；三是磨抛应用：核心部件为恒力执行，通常具有自适应浮动伸缩机构可通过恒力控制软件设置一定阈值内的磨抛力，保证磨抛工具与工件各个位置实时接触且处于恒力抛光状态。

3.专家系统：让机器人像人类一样思考

智能工业机器人往往需要有机器学习、知识推理等智慧，这里引申为工艺的机器人化。对比之前一些只能仰仗熟练工作业的焊接、磨抛、喷涂等工作，新松工业机器人通过大量的工艺试验与经验积累，以工艺数据为核心，开发出各类工艺专家软件，最终目标是做各行各业各工艺工序的作业专家能手。

以焊接系统为例，为加强焊接机器人的适应性与操作性，新松弧焊机器人融合人的感官信息、经验知识、推理判断以及焊接过程控制等各方面的智能焊接技术，针对复杂轨迹焊缝与不规则焊缝，配备了接触传感检测、焊缝自适应、焊缝跟踪等功能，达到简化工作周期，并满足一般工业对焊缝一致性及产品外观的要求。智能焊接专家系统通过对机器人信息的采集，获取机器人参数和焊接参数等多种信息，完成焊接数据信息化管理、机器人焊接设备管理、焊缝质量评估等，并可根据焊件工艺要求动态调整工艺，实现相关数据的分析处理、数据存储、同类产品的经验共享等功能。

三、新松工业机器人技术与CPS

CPS技术的本质其实就是将物理对象在数字空间建模，实现虚拟制造与现实生产的有机融合。但实际由于不同层面的信息化系统参数与属性的差异，很难将其统一在一个应用系统中，因此这种技术还在不断发展与完善。机器人虚拟工作站与机器人MES可以说是两种层面的虚实融合系统，代表着制造系统中精确建模、精准优化、精细决策的先进技术。

1.虚拟工作站

由于工业机器人适用范围增大以及产品定制需求不断增加，对于一些程序复杂、曲线轮廓的作业，传统示教手段无法精确生成轨迹，也无法保证轨迹点覆盖均匀，基于模型加工规划的新松工业机器人虚拟工作站技术很好地解决这些问题。通过真实的三维数据变成机器人识别语言进行路径自动规划。在使用中通常结合专家工艺系统，根据工件特征，自动规划工艺路线。首先，可以通过软件对机器人选型及场地进行可视化布局，动作可达性验证，实现干涉区保护及碰撞检测，避免机器人奇异空间的发生；其次，实现虚拟空间测量及测量数据的曲面重建，进而间接示教及快速编程，可以直观观察编程结果，同时还可以对生产过程实时仿真和节拍预测。

新松虚拟工作站具有仿真布局组件化、轨迹点的三维可视化等特点。机器人、变位机、工具、工件等一次创建后，均可在多个工程项目中重复使用；设备布局可进行精确调整，设置每一个仿真组件的位置和姿态。机器人作业在执行仿真的过程中，可以模拟真实的机器人速度、加速度运动特性，运动范围超界报警提示。利用导入的CAM软件生成的运动轨迹，重新自动配置机器人的运动姿态。离线生成的作业可通过网络或者USB接口下载到机器人控制器中。

2.S-MES

MES是在信息集成的基础上，使企业生产制造中的主要业务能够用信息系统有效管控，实现企业的高效运作。能够实时影响所有工业生产设备，人与设备、设备之间、设备与产品、乃至产品与物流等可自发性进行连通与交流。新松机器人数字化车间采用了基于高性能工业机器人及智能制造设备的自主研发的S-MES系统，与现有ERP、CRM系统实现对接，通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。从计划排产、生产监控、生产追溯、工艺管理、质量管理、设备管理、整体运营等方面进行综合分析，能更及时准确地将上层指令下达至系统执行层，有效地指导工厂的生产运作过程，提高了工厂及时交货能力、改善物料的流通性能，又能提高生产回报率。S-MES对生产过程及时反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导和处理，自动选择最优解决方案，从而构建一个具有高度灵活性、个性化、利用最少资源进行最高效率生产的工业生产体系，实现生产过程的可视化与透明化管理。

结语：

工业机器人是兴国强国战略的基础元素，承载着制造模式变革使命，发展任重而道远，随着工业机器人技术的不断创新与智能化发展，工业机器人必将为人类进步创造出无限可能。