工业机器人在汽车行业的应用前景分析*

徐一波

（江西师范高等专科学校，江西 鹰潭 335000）

1 研究背景

2015 年，李克强总理提出了“中国制造2025”的概念，这一概念指明了中国制造业的发展方向——由制造大国向制造强国进行转变，要紧紧围绕数字化、网络化、智能化来稳步发展[1]。

大量应用于电子、汽车、物流、化工等诸多工业领域中的工业机器人，本身是一种多自由度或多关节机械手的机械装置，能够根据自身动力能源与控制能力完成诸多工业生产加工制造的环节[2]。它是可以自动执行工作任务的机械设备，能够协助甚至替代工人去完成重复性高、危险性大、精度要求高的各类生产性工作，并大幅提升了工业生产过程的效率及质量。对各工业领域而言，工业机器人都是不可或缺的重要组成部分。工业机器人的应用，能够为工业行业的发展带来更多更好的机遇，并加快我国制造业的智能化升级转型。

2 工业机器人概述

通常来说，工业机器人包括机械结构系统、感知系统、驱动系统、控制系统、机器人-环境交互系统以及人机交互系统六个子系统，如图1所示。

图1 工业机器人的组成

2.1 机械结构系统

根据机械结构系统的不同可以把工业机器人分为串联型和并联型两种类型。串联型工业机器人任意一根轴的运动都会使得另一根轴坐标原点发生改变，而并联型则不会。此外，相对而言，并联型工业机器人还有着结构更为稳定、刚度更强、载荷能力更强、运动负荷更小、微动精度更高等优点。并联型取代串联型也是工业机器人未来的发展趋势。

2.2 感知系统

感知系统对于机器人就相当于感官，作用是将外界环境信息以及机器人自身内部信息转换成机器人可以理解与处理的信息或数据。其中，机器视觉是最重要的感知技术，它可以反馈视觉信息，从而调整机器人位姿，在质检、工件识别、分拣、包装等诸多生产环节中都起着重要作用。目前，国内外机器人企业对机器视觉系统的研究还在不断深入。

2.3 驱动系统

驱动系统是一种为机械结构系统供给动能的装置，又可按照不同动力源分成液压式、气压式、电气式与机械式四种传动方式。其中，液压式有着液体泄漏、低速不够稳定、噪声较大、功率单元成本高且不灵活等缺点。气压式虽结构简单、速度快、成本低、维护与维修都很方便，但其工作时压强较低，难以进行精准定位，通常只用于驱动机器人的末端执行器，限制较大。而电气式则有着连接电源方便，响应速度快，驱动力强，检测信号、传递信号、处理信号都很方便等优势，这也是目前应用最广泛的驱动方式。而并联型机器人对直线驱动需求非常大，直线驱动采用直线电机，将电能直接转换成直线运动机械能，不需要任何中间转换机构，这也是电气驱动系统的一种方式[3]。在并联型工业机器人将逐步取代串联型工业机器人的趋势下，电气式驱动会一直占据驱动方式的领头羊地位。

2.4 控制系统

控制系统能根据操作人员输入的既定程序和感知系统反馈的信号与数据，控制机器人执行机构进行既定的动作。相比于普通的控制系统，工业机器人的控制系统有着诸多特点[4]。

1）多自由度。简单的机器人也会有3～5 个自由度，复杂一些的机器人的自由度甚至超过10 个。一个自由度就对应一个伺服机构，多自由度的伺服机构需要有机结合起来运动。

2）运动的描述较为复杂。机器人控制与机构的动力学和运动学紧密相连，这也就意味着只能采用非线性模型来描述工业机器人的状态及运动。状态变化的同时，参数也会发生改变，而且各自由度间存在耦合，这些因素都增大了描述机器人运动状态的难度。

3）重复定位精度较高，通常可以达到±0.1 mm；系统的刚性较好，可以保证机器人稳定运行。

4）信息运算量大。工业机器人的动作执行通常有多种路径，而简单的工业机器人控制系统需要根据操纵对象及外界环境计算出最优路径，更高级的工业机器人控制系统甚至通过人工智能算法来进行计算。

5）必须使用加速及减速控制。加速度或者减速度过大都会妨碍机器人运动的稳定性，因此，在机器人启动阶段，必须进行加速控制；在机器人停止阶段，则必须进行减速控制。

6）普通控制系统所不具备的特殊控制方式——示教再现控制。在工业机器人进行某项作业前，操作人员可以先手动操作，将机器人移动至所需到达的位置，启用相应的逻辑功能，并进行示教。这一手动操作过程中，相应的信息会储存在控制系统里。之后，工业机器人进行自动操作时，就会读取这一信息再现出之前的运动及功能，还能够重复进行这一作业过程。

从功能方面来看，控制系统可以实现示教-再现、坐标设置、联系外围设备、位置伺服等诸多功能。在示教-再现功能里，用户可以完成在线示教、离线编程及间接示教等操作。例如，坐标设置功能中，用户可以设置绝对坐标系、关节坐标系、工具坐标系与工件坐标系等坐标系，并按照实际需要选择不同的坐标系并进行坐标系切换。位置伺服功能中，工业机器人控制系统能够进行多轴联动、速度控制、加速度控制、运动控制、力或力矩控制、动态补偿、故障自诊断、状态监测、故障诊断时的安全保护等操作。

对工业机器人来说，控制系统相当于大脑，也是工业机器人的核心技术之一，目前来看，国产品牌的控制系统在功能上与国际顶尖品牌仍有较大差距，需要继续进行技术攻坚[5]。

2.5 机器人-环境交互系统

该系统包含了工业机器人、传感器及末端执行器等，工业机器人与外界环境的交互通常是通过感知系统和控制系统来实现的。例如，汽车的自动驾驶模式，是不断根据激光雷达、摄像头等各类传感器反馈回的信号来感知、分析外界环境，再通过控制系统进行决策与控制，让汽车顺利实现自动驾驶功能。机器人-环境交互系统的不断发展将会促使工业机器人更加智能化、更加高效。

2.6 人机交互系统

在远程操控的移动机器人系统里，同时存在着计算机完全控制和需要人员参与控制的两种工业机器人，而后者需要执行复杂的作业时，常常要和其他的机器人进行协调配合，避免出现预期外的情况。此时，计算机控制和人为控制间的协调，即为人机交互。这种同时存在计算机完全控制的全自动工业机器人和需要人员参与控制的半自动工业机器人系统就是人机交互系统[6]。尤其是在人力难以触及的恶劣环境下作业时，将机器人与外界环境交互信息传递到主端，可以帮助操作者做出最准确的判断，大量减少了意外情况的发生[7]。

3 工业机器人在汽车工业中的应用现状

在新能源汽车逐步取代传统汽油车的时代背景下，汽车工业将再次迎来蓬勃发展期。而在汽车生产中，工业机器人承担了装配、焊接、喷涂、搬运等诸多职责，常见的机器人类型有以下几种。

1）装配机器人：在产品生产中，装配工作占总体工作量的50%～60%，而在高标准要求的生产车间里，甚至能达到80%。现代汽车厂商为了提升产品竞争力，对零件精度与速度要求越来越高。而装配机器人能完成对车门、车灯、发动机等各种部件的装配，并且自身还有着柔性好、精度高、工作空间小、方便与其他设备配合作业等优点，能够大幅提升装配效率。

2）点焊机器人：一辆汽车车身上的焊点有3万～4万个，其中，点焊机器人负责了约60%的工作量。手工焊接对焊接工人伤害很大，而且无法保障焊接质量。相比之下，安装面积小、工作空间又大的点焊机器人可以保证定位精度误差在±0.25 mm 内，还能够快速实现小节距多点定位，持重力最高约1 000 N，安全可靠，示教简便，能够较好地保障焊接质量。

3）弧焊机器人：常用于多块金属间结合连接处的焊缝工艺，它可以稳定提高焊接质量，保证焊接的均一性。相比人工焊接时无法保证稳定的焊接速度与干伸长，弧焊机器人作业时，每一条焊缝的参数都恒定，焊缝质量受人为影响较小，焊接质量有保障。弧焊机器人加入生产线后，工人只需装卸工件，避开了焊接弧光、飞溅及烟雾等恶劣工作场景。并且，机器人可全天候不间断工作、生产节奏固定不变的特性，让产品的生产效率大幅提升，生产周期明确，产量可控性强。此外，还能以修改程序的方式来生产不同的工件，减少了相应的设备成本[8]。

4）喷涂机器人：常用于车体外表面的漆面喷涂工艺，既能在大范围内进行复杂运动，也能伸入小孔中执行喷涂作业，工作稳定，便于使用与维护，具有较高的灵活性和柔性，节省了涂料成本和人工成本，实现了喷涂的连续性和全覆盖性，提升了漆面效果，大幅提高作业效率的同时，还避免了工人与化学涂料的长时间接触，保护了他们的身体健康[9]。

5）搬运机器人：常用于自动装配流水线、车身焊装流水线、物料搬运、码垛搬运、集装箱搬运、工件上下料的传递等作业，凭借着搬运机器人速度快、灵活性高、安全可靠、定位准确、运行稳定、不易损失零部件的特点，降低了人工成本、提升了生产效率、保障了作业过程的安全性[10]。

4 国产工业机器人在汽车工业中的发展趋势

随着工业机器人在汽车生产线上的应用愈发广泛，各种问题也随之而来。当前，国产品牌的工业机器人受到关键部件生产技术制约的问题不容小觑。在伺服电机方面，高性能大功率的伺服电机部件尚被国际厂商把控，相关技术问题亟待国内企业解决；在减速器方面，在诸如传动精度、转速、稳定性等多项性能上国内企业与国际大品牌仍有差距，高负载减速器仍有待继续研发；在控制器方面，控制器是机器人的核心，但其关键芯片与核心算法依旧依赖国外技术，这两部分的技术能够决定一台工业机器人的上限，技术壁垒的突破越早越好；在传感器方面，品质好、稳定性好、误差小的高端传感器技术仍需进一步研究。

在智能制造的时代背景下，以工业机器人为代表的各类自动化设备将逐步代替人工操作。为进一步地提高汽车生产质量，降低生产成本，可以考虑为工业机器人增加仿生功能，提升机器人-环境交互能力，提升自动化程度，让其能够在多场景自由切换，而不是仅限于某些特定的工作，让其愈发智能化、柔性化[11]，并结合“互联网+”，实现工业机器人的远程操作[12]。同时，设置各方面的统一标准，如通信接口的统一，减少不同品牌工业机器人间交互难的问题。并充分考虑工作环境对工业机器人的影响，针对性地使用防腐蚀的材料，提升其使用寿命[13]。此外，还应大力培养相关的高技能专业型人才，通过校企合作的方式，把高校相关专业的人才与机器人企业进行有机组合，为工业机器人新技术的研发提供有力支持[14]。

5 结语

现今，我国的汽车产销量已位列世界第一，是名副其实的制造大国，但距离汽车工业强国、制造强国还有很长的路要走。汽车工业从劳动密集型产业转型为科技密集型、智能型产业的过程中，少不了工业机器人的参与[15]，其他行业对工业机器人的需求也与日俱增。提升国产工业机器人的核心竞争力，对缩短生产周期、提升产品质量、降低成本乃至解放生产力都有着重要意义[16]。