中国工业机器人：过去、现在与未来

韶光如梭，穿越了二十载的探索与拓展，中国工业机器人领域在“第七个五年计划”和“863”计划的引导下焕发出勃勃生机，如同一幅蓬勃发展的画卷。研究、生产和应用的不懈努力，使我国成功研发各类智能机器人，催生了一支技术实力雄厚的团队，为自主研发工业机器人奠定了坚实基础。然而，与欧美先进国家相比，无论是技术水平、规模还是应用领域，我们仍面临着较大的差距。正是在这个背景下，我们更加需要持续深耕研究、开发、生产和销售，通过整合机器人产业链和运营基础设施，不断缩小与西方发达国家的科技鸿沟。

科技纵览

高科技会对国家的军事和经济发展产生深远影响，机器人技术则是这一现代科技格局中的关键组成部分，涵盖了机械、电子、传感器、计算机和人工智能等多个领域的精髓。这一前沿技术已广泛应用于诸多领域，成为科技发展的风向标。机器人，作为机电一体化的生产设备，具备类似人的操作、自动控制和可重复编程的特性，能够在多维空间中执行各种任务。其灵活性不仅使其能够高效生产多品种同批次产品，同时在提升生产效率、改善工作环境以及快速更新产品方面发挥着至关重要的作用。

灵动编程，科技舞台

工业机器人在编程上有离线编程与在线编程两大主流方式。在线编程凭借其高效率，基于工件的数字模型生成机器人的运动轨迹与控制流程。除了工业机器人制造商提供的离线编程软件，还有许多热门的第三方离线仿真编程软件，如Rob CAD、Delmia Robot-workWorkspace等，甚至还有一些独立的开源软件。然而，实际应用中要想使用这些软件，需要满足两个基本要求：一是具备带有工件的3D数字模型，二是机器的绝对定位准确性和工件安装的高度准确性。特别是在实际工作中，第二个条件往往难以达到。尽管工业机器人具备高度的重复定位精度，但由于机器人零部件的制造和组装，以及整机的现场安装误差，绝对定位的准确性会受到一定的影响。此外，在工件的安装过程中也容易出现错误。因此，若不对机器人进行校准和纠错，要使用离线编程方法进行高精度的操作将面临很大的挑战。与此相对，基于示教器的在线编程则不受以上方面条件的限制。然而，传统的手持示教器的示教效果较低。举例而言，一些大型车身制造商在弧焊机器人上花费数月时间进行示教，而实际焊接阶段的总工作时间仅为12小时。虽然对于汽车的批量生产来说这基本上还算勉强可接受，但在制造业日益普及的多品种和小批量柔性生产中，要有效应用还存在一定难度。

动态标定，精准调校

在工业机器人领域，其重复定位精度相当令人瞩目，约为0.1毫米。然而，由于机器人零部件的制造和装配错误、现场安装错误、工作装置错误，以及离线编程的运动控制精度差，导致工业机器人的绝对定位精度相对较低，一般在几毫米左右。为了弥补这一缺陷，传统上采用基于机器人误差标准的离线运动校正法，以找出机器人系统内的几何误差并调整机器人的运动模型。然而，这种方法存在两大关键问题：一是不能随意更改机器人控制器创建的运动学模型；二是需要精密设备来确定机器人的具体姿势。为应对第一个问题，研究者提出了一种以目标姿势为基础的预调校法，可在线实现纠错，无需更改机器人的运动模型。

至于第二个问题，目前的研究和发展侧重于建立新的误差模型，并开发针对这些误差模型的便携式测量设备。随着3D数字扫描技术在机器人工程领域的广泛应用，研究人员开始探索基于工件几何特征的在线机器人纠错方式，类似于移动机器人的定位和导航方法。通过在机器人的边缘安装3D数字扫描设备，当机器人的边缘接近工件时，设备会捕获实际工件的局部几何特征或坐标。通过比较工件的局部几何特征或在3D扫描设备的坐标系中描述坐标，可以确定机器人端部相对于实际工件的运动误差。这种直观的方法可以直接用于在线错误更正，提高运动控制的准确性，是一种简便实用的局部错误纠正方式，无需借助于机器人错误模型，具有广泛的运用潜力。

目前，中国关于机器人校准与误差校正的研究相对较少，主要集中于机器人运动的离线校准方法。一些学者建议使用视觉方法实现机器的在线错误校准，但效果并不理想。尚未有关于基于3D扫描设备和坐标匹配的在线误差补偿方法的研究报道，这也为未来的研究提供了新的方向。

锐意创新，力控畅行

眼下的工业机器人多以执行运动学任务为主，主要应用于一些离散的接触性工作，如装卸、焊接和喷涂。然而，随着工业机器人技术的不断发展，制造业开始将这些机器人应用于更为连续的表面处理和后处理任务，如去毛刺、打磨和抛光。

由于材料去除与工具与工件之间的接触力直接相关，因此在完成高效连续接触加工任务时，工具必须能够控制沿接触表面法线方向的力，并实现其他方向的运动控制，即力-运动混合控制。然而，目前许多工业机器人缺乏力控制功能，大大限制了它们在连续触式加工方面的应用。在工业机器人的力控制领域，主要有两种方法，一是通过控制机器人操作臂的驱动关节力矩实现直接力制，另一种是通过控制一个附加的末端力控装置实施的间接力控制。

这两种方法各有千秋：前者主要通过机器人系统的力制算法实现，需要为特定的机器人结构建立准确的动力学模型，并开发实时、鲁棒的力控制算法；而后者需要增加一个具有力控制功能的末端执行装置，虽然系统略显庞大，但由于特别设计的末端执行器具有良好的动态特性（如质量小、动态响应迅速），容易实现高性能的力控制，且通用性较好。在一定程度上，前者更适用于新一代轻量化机器人的力控制，而后者则更适用于传统的高速重工业机器人系统。

翘首未来，科技风华

展望未来，科技风华绵延不断。工业机器人的问世和机器人学的崛起，无疑是人类科技史上的重要篇章。要缩小我国在工业机器人应用及研究领域与国际差距，关键在于获得国家政策的全力支持，培养和吸引更多的人才，找准应用的重点领域，在科技创新的井点上持续努力。展望未来，携手迎接科技风华的时代，让我们保持对科技的热切期待，以更高的精神风貌，共同创造更加辉煌的未来！