重载工业机器人研究现状

孙 维，张咏行，赵永杰*，卢新建

（1.汕头大学工学院机械电子工程系，广东 汕头 515063 2.广东省智行机器人科技有限公司，广东 佛山 528000）

0 引 言

“工业机器人”一词于1960 年由《美国金属市场报》率先提出，经美国机器人协会定义为“用来进行搬运机械部件或工件的、可编程序的多功能操作器，或通过改变程序可以完成各种工作的特殊机械装置[1].”工业机器人能代替人工在高危恶劣的环境下工作，具有工作效率高、精度高、稳定性好等优势，在传统制造业中发挥着至关重要的作用，目前广泛应用于机械加工、汽车零部件制造、食品加工、电子电气、物流等不同行业[2].

随着机器人技术的不断成熟，机器人末端负载能力不断提升，重载工业机器人在各个领域里逐渐崭露头角.根据工业机器人末端的负载能力，通常可以把工业机器人分为轻载和重载两类，重载工业机器人的末端具有较大的有效负载能力，一般在100 kg 以上，负载/自重比在1∶2 到1∶8 之间[3].现阶段，世界范围内比较具有代表性的4 家重载工业机器人生产厂商分别是德国KUKA，瑞典ABB，日本FANUC，意大利COMAU，这4 家生产公司占据世界范围内重载工业机器人总装机容量的80%以上.图1 为COMAU 的NH4 机器人，最大负载为200 kg[3]，图2 为KUKA 的KR-1000 TITAN 机器人[4]，最大负载为1 000 kg，图3 为ABB 的IRB6660FX 机器人，最大负载为500 kg[5]，图4 为FANUC 的M-2000i 机器人[6]，最大负载为1 350 kg.目前，重载工业机器人已经在铸造、汽车制造、冶金等重工业行业有着广泛的应用.

近些年，自动化产业发展迅速，自动化生产线对机器人的负载能力提出了更高要求，工业领域对重载机器人的需求量逐步加大.目前，我国制造业的转型升级正在加速推进，为提高企业竞争力，推动产业发展，作为高端技术装备的重载工业机器人拥有十分广阔的应用前景.

图1 COMAU NH4 200kg[3]

图2 KUKA TITAN 1000kg[4]

图3 ABB IRB6660FX 500kg[5]

图4 FANUC M-2000i 1350kg[6]

1 重载工业机器人机械结构与驱动系统

1.1 机械结构

从机械拓扑结构角度，重载工业机器人的结构主要有三种形式，串联型、并联型和混联型.需要说明的是，工业上已经应用较多的AGV 小车和智能汽车属于移动式机器人，本文只对固定基座式重载工业机器人进行综述.下面对以上3 种主要结构形式进行简单的分析.

1）串联型重载工业机器人：在重载工业领域，串联型机器人应用较为广泛，串联型重载工业机器人又分为直角坐标式和旋转关节式.

如图5 所示，直角坐标式机器人的结构形式有龙门式、悬臂式和垂挂式3 种[7].该结构形式的机器人运动自由度成空间直角关系，一般是轨道门式，即末端臂按照门上给定的轨道实现在工作空间内的运动，主要完成沿着坐标轴方向的线性作业，能够准确的到达工作范围内的任意一点，具有结构解耦、操作简单、控制方便、负载大等优点，通常应用在水电站、船舶制造、其他大型材料物品或仪器的搬运以及机械加工等领域.

图5 直角坐标式机器人结构[7]

图6 为旋转关节式重载工业机器人的结构形式[8]，结构具有多个回转关节，常见的旋转关节式机器人一般有4-6 个旋转轴，具有较多的自由度，通过编程控制实现工作空间内任意轨迹的工作，一般用于很多重载应用场合的机械自动化作业，如码垛、雕刻等.

图6 旋转关节式机器人结构[8]

2）并联型重载工业机器人：并联式重载工业机器人一般由静平台、动平台以及连接静平台和动平台的运动支链组成.该类机器人一般采用并行方式驱动，具有两个或两个以上自由度的闭环机构，理论上，并联式结构具备更强的承载能力.鉴于并联型机器人机械结构稳定性好，承载能力强，现有的并联式重载工业机器人主要应用于运动仿真、机械加工等领域.图7 所示为一种基于2UPR-2RPU 机构的重载浇注机器人的不同姿态，末端可负载浇包300 kg[9].

图7 2UPR-2RPU 重载浇注机器人[9]

3）混联型重载工业机器人：混联型重载工业机器人兼具串联机器人的结构简单、工作空间大和并联机器人的高刚度、高精度等优点[10-11]，扩大了机器人在工业生产中的应用范围.图8 是一种基于2-RPU&UPR 并联机构构造的一种新型五轴混联机器人机构模型[12]，图9 是Tricept 混联机构，可用于重载焊接、装配等场合.

图8 一种新型五轴混联机器人模型[12]

图9 Tricept 混联机构

1.2 驱动系统

重载工业机器人通常采用电机驱动或液压驱动方式提供较大的力和力矩以实现的末端大负载要求，驱动系统的工作原理特点如表1 所示.下面结合应用场合对这两种驱动系统进行简单介绍.

1）电机驱动：重载工业机器人通过大功率电机产生较大的力和力矩，直接或间接地驱动机器人各个关节运动，从而实现机器人末端执行器的各种运动.为保证重载工业机器人的稳定性和可靠性，驱动电机要求功率大、起动转矩较大、惯量小、调速范围宽且平滑，根据不同控制需求可以选择步进电机、直流伺服电机（DC）、交流伺服电机（AC）、直线电机等.HW-PJ-1 型机器人的每个关节都由一台步进电机独立驱动[13]，具有较好的动态性能，FANUC 焊接机器人使用交流伺服电机进行驱动[14]，启动转矩大.

表1 驱动系统工作原理及特点

考虑到超大转矩电机尚未普及，成本过高等因素，在一些负载非常大的工况下，单个电机难以满足负载要求，在工业机器人上经常会使用双电机同步驱动单关节的方式，来获得更大的力和力矩.图10 是高峰教授等人提出的一种新型冗余驱动六自由度并联地震模拟台[15]，该机构借助机械结构实现两个电机的同步传动，可代替单个大负载电机工作.

图10 六自由度地震模拟台[15]

2）液压驱动：液压驱动转矩-惯性比大，单位质量输出的功率大，可以用体积小、重量轻的驱动器产生较大的力和力矩，能在大负载工况下实现快速响应.液压驱动系统主要组成元件有液压源、传感器、控制器、驱动器、伺服阀等，由这些元件构成的反馈控制系统驱动负载.

重载工业机器人中广泛采用液压驱动这种大力矩、高精度的驱动方式实现大负载工作.如图11 所示为中信重工提出的一种液压驱动高精度重载机器人[16]，该机器人总重约29 t，最长可伸展23 m，可通过遥控实现对磨机衬板7 个自由度的取卸和夹装，能适应大跨度、高灵活性的重载作业.

图11 液压驱动重载机械手结构图[16]

2 重载工业机器人应用

2.1 搬运码垛

近些年，企业生产力水平提高，物料搬运领域对负载和效率的要求也随之提高，因此，对重载工业机器人这种大负载自动化装备的需求亦逐渐加大.

国外重载工业机器人在高速搬运码垛领域应用相对成熟.1988 年成立的瑞典的ABB 公司是目前全世界范围内最大的自动化公司之一，图12 所示为其研究生产的全球最快的搬运码垛机器人IRB 460 机器人[17]，在110 kg 负载的情况下末端运行速度可达每小时2 040 次，定位精度可达±0.2mm，轨迹跟踪精度可达±0.1 mm.图13 所示的日本FANUC 公司生产的M-410iB/140H 机器人[18]最大有效负载可以达到140 kg，并且运行速度可达每小时1 900 次，重复定位精度可达±0.2 mm.图14 所示的M-410iA/160 机器人[19]同样处于行业领先地位，在最大有效负载160 kg 的情况下工作速度可达每小时1 700 次，重复定位精度可达±0.5 mm.

国内对机器人的研究起步较晚，重载工业机器人应用水平与发达国家的先进水平存在一定差距，但经过长时间努力研究发展，2000 年以后，国内先后涌现出多家从事重载工业机器人生产的企业，重载工业机器人在高速搬运码垛领域应用水平也越来越高，如图15 所示为新松公司生产的一系列重载工业机器人[20].

图12 IRB 460[17]

图13 M-410iB/140H[18]

图14 M-410iA/160[19]

图15 新松重载工业机器人[20]

2.2 机械加工

在大型零件的机械加工过程中，存在安全性低和加工环境恶劣等问题，因此，通常会使用机器人代替人工进行机械加工.从机器人的定义来讲，数控机床也属于工业机器人的一种，数控机床一般采用通用或专用数字程序控制实现自动化，具有高加工精度、高加工效率的特点，能针对尺寸规格大、质量大的工件，具有超强的切削能力，工业上通常使用多轴联动数控加工中心对一些大型零部件进行机加工.

重载工业机器人在焊接、切割等领域已有优异表现，机器人已经能成熟的应用于焊接领域，自动化焊接的质量和效率也越来越高.20 世纪90 年代，国内外已经利用工业机器人实现汽车、船舶、桥梁等的焊接[21]，一些特种焊接也常常应用重载工业机器人来完成[22]，如铸铁焊接、薄铝焊接，异种金属焊接、水下焊接等.自搅拌摩擦焊技术（FSW）[23]提出以后，国外就已经开始尝试把重载工业机器人应用于搅拌摩擦焊接系统.在20 世纪90 年代，瑞士ABB 公司基于IRB 6400 型机器人研发了如图16 所示的Tower Automotive 搅拌摩擦焊系统[24].为提高搅拌摩擦焊机器人的刚性，国外研究人员基于Tricept 机器人的结构研发了如图17 所示的GKSS FSW 机器人.到了21 世纪，FSW 机器人的负载能力越来越大，如图18 所示的基于ABB 公司IRB 7600 机器人研发的搅拌摩擦焊机器人末端有效负载可达500 kg，可完成6 mm 以内的焊接作业.随后，日本KAWASAKI，德国KUKA 等公司也相继开发了摩擦焊接机器人[25].随着工业水平的进步，企业对焊接的板材厚度提出了更高的要求，串联结构的FSW 机器人在精度、刚度方面已不能满足需求.结合并联机构高刚度、高精度的优点，如图19 所示的三轴Tripod（a）和六轴Hexapod（b）搅拌摩擦焊并联机器相继问世.我国对搅拌摩擦焊的研究起步较晚，FSW 机器人技术与国外相比有一定差距.北京赛福斯特公司是我国首家专业化搅拌摩擦焊技术公司[26]，于2002 年成立，并相继研发了如图20 所示的多种机床型FSW 机器人和串联型FSW 机器人.此外，还有多家企业、高校先后对FSW 机器人进行研究，并已投入实际应用.

重载工业机器人广泛应用于机械加工、汽车制造加工、船舶焊接等机械加工领域，在挖掘机、碎石机、粉碎机等大型设备和飞机、装甲车等特种设备的机械加工方面也有着较高的效率[27].

图16 TA FSW 机器人[24]

图17 GKSS FSW 机器人

图18 IRB 7600 FSW 机器人[25]

图19 搅拌摩擦焊并联机器人[25]

图20 北京赛福斯特公司研发的机床型（左）和串联型（右）FSW 机器人

2.3 工业生产制造

在工业生产制造方面，铸造生产是获得机械产品毛坯的主要方法[28]，是机械制造业的重要基础，铸造行业具有良好发展前景[29].在大型铸件生产过程中，恶劣的车间环境和繁重的体力劳动迫使企业对重载工业机器人的需求越来越大.国外方面，重载工业机器人已经广泛应用于铸造行业，用重载工业机器人完成大型铸件的生产，提高铸件的质量和生产效率，实现铸造生产自动化.Ronger 等[30]在压力铸造生产中应用机器人工作站，提高铸造生产率、优化铸件质量.Brain W 等[31]指出铸造自动化已成为铸造生产企业设定的新标准.William Pflug 等[32]提出重载工业机器人在复杂环境下应用的重要性.美国Unimatoin 公司生产的专用铸造机器人可用于取件、喷涂和检测等.ABB 公司推出用于后处理的压铸机器人和用于预加工铝铸件的铸造机器人[33].美国制造周刊[34]介绍了铸造搬运机器人用来提高铸件质量和生产效率.如图21 所示，德国KUKA 公司研制了KR 1000 titan F 机器人，该机器人结构紧凑、能负载950 kg 的重物，已被应用于铸造行业.

我国的铸造行业发展史从上个世纪60 年代开始的，对铸造机器人的应用较晚，最先把铸造机器人应用于自动化生产线的是广西玉柴机器集团有限公司，提高了铸件质量和生产效率，减少了铸造污染，如图22 为广西玉柴下芯机器人[35].继而浙江万丰科技开发有限公司研发出串联铸造机器人[36]，并应用于镁铝合金铸造的浇注作业.中国重汽济南铸锻中心[37]把如图23 所示的重载工业机器人用于缸盖制芯生产线中的制芯、修芯、组芯、浸涂工序.

图21 KUKA KR 1000 titan F 机器人

图22 广西玉柴下芯机器人[35]

图23 重载工业机器人

2.4 其他应用场合

考虑到机器人高机动性和灵活性，重载工业机器人常用于进行全方位、多姿态的雕刻加工.瑞典的J.Andersson，G.Johansson 等[38]学者于上世纪90 年代末首先将工业机器人用于木材雕刻领域.随后，J.Andersson 建立了木材雕刻加工控制的模型[39].香港大学的Chen YH 和Hu YN 研究了曲面雕刻加工，并对工业机器人用于曲面雕刻的粗、精加工分别进行了分析[40-41].我国华中科技大学的刘蒙、刘延林[42]对雕刻机器人也进行了研究，分析了铣床用于雕刻加工的缺点，结合工业机器人灵活性高和负载大的优势，提出了把机器人用于雕刻加工的方案.工业机器人在雕刻加工领域的应用越来越成熟，可以通过增加末端负载能力来适应多种雕刻材料的加工.目前，工业机器人已经应用于石材雕刻加工[43]，可以利用重载工业机器人对坚硬的花岗岩、大理石等进行雕刻加工.

运动仿真平台也是并联式重载工业机器人的一个重要应用领域.目前，运动仿真平台已经广泛应用于航空航天设备、水下舰船、坦克、汽车等装备的性能测试以及驾驶员测试训练等方面.国内外有多家企业基于并联式重载工业机器人的运动仿真平台进行生产研发，较为著名的有加拿大的CAE 公司、美国MOOG公司、法国CKAS 公司等一些国外公司，以及北京蓝天航空科技有限公司、武汉穆特科技有限公司、北京星光凯明动感仿真中心等.图24 是Gough-Steward运动模拟装备[44-45]，动平台可以实现6 个自由度的大负载运动.

图24 Gough-Steward 运动模拟装备[45]

3 发展趋势

在机器人的技术层面上，国内外学者进行了一系列重载工业机器人运动学、动力学、轨迹规划以及运动控制等方面的研究，并研究开发了各种机器人传感器，如光敏传感器、霍尔传感器等，同时还进行了机器人自动诊断技术、多传感器综合运用技术、离线编程技术等研究，为重载工业机器人的广泛应用打下了坚实的基础.重载机器人在技术研究的过程中，仍然面临着一些技术挑战.

1）机械结构设计：随着科技水平的进步和企业自动化生产线的升级发展，重载工业机器人在各个领域的应用越来越广泛，企业对机器人各方面性能和指标的要求也越来越高，重载工业机器人在结构方面需要有进一步的优化，以便适应越来越高的社会生产需求.

a.轻量化.传统的重载工业机器人体积大、质量大、能耗大、负载/自重比较低，在进行结构设计时，往往希望在保证负载不变的情况下减小机器人的质量，从而减小惯量，达到提高工作稳定性、减少能耗的目的，实现重载工业机器人的轻量化与节能化.

b.高刚度、高精度.为了提高重载工业机器人的可靠性、延长机器人的使用寿命，通常需要对机器人的刚度和精度进行分析研究.目前提高机器人的刚性较为普遍的方法是采用平行四边形结构，但会增加机器人结构的复杂性.同时，工业机器人在大负载工作时的精度较低.因此，如何进一步优化重载工业机器人的刚度和精度，是当前的研究热点.

c.高速重载.从重载工业机器人结构不平衡性的角度考虑，在重载作业的过程中很难实现高速运动，为了减少振动带来的不良影响，通常只能使其保持中低速运行.随着自动化生产水平的不断提高，重载工业机器人的工作速度已经达不到现在的自动化生产需求，在自动化生产线上达不到预期的生产速度.为此，亟需研究一种高速重载且响应快的工业机器人.

2）运动控制技术：由于高负载的特性，重载工业机器人运动控制在技术上面临着更大的挑战。

a.智能控制.由于重载工业机器人构型上的差异，导致在算法编程以及软件开发上的逻辑结构不同，从而导致控制算法单一，机器人智能化水平不够.现阶段需要提高智能控制技术的开发，来适应各种应用场合与结构形式的重载工业机器人，提高重载工业机器人的智能化水平.

b.轨迹规划.为了保证重载工业机器人的高效性和节能性，从轨迹规划的能耗和路径角度考虑，往往需要采用优化算法.目前，不同的优化算法都存在各自的特点，在实际应用过程中需要根据具体的应用场合进行选择，未来对于最优轨迹还有待进一步研究开发.

3）关键零部件：重载工业机器人关键零部件的研究制造能力有待发展和创新，这些零部件技术上的突破也是重载工业机器人产业化发展的一大重点.

a.大转矩驱动.针对重载工业机器人的大负载工况，对于驱动器转矩的要求也非常之高.由于驱动器的驱动力和驱动转矩约束，重载工业机器人的负载能力难以突破，限制了重载工业机器人的发展.因此，需要在驱动器方面进一步研究开发，提高驱动转矩.

b.高性能减速器.减速器作为重载工业机器人核心零部件之一，它的性能在一定程度上决定了机器人的性能.随着不断提高的社会生产水平，需要结构简单紧凑、传递功率大、噪声低、传动平稳的高性能精密减速器来满足重载工业机器人的发展需求.

c.高效控制器.控制器是重载工业机器人的大脑，它直接决定了机器人性能的优劣.目前，机器人控制器大多依赖进口，面临着控制器各异，可移植性差，软件开发效率低、性能不足等问题.而随着微电子技术的快速发展，微处理器的性能越来越高.高性能的微处理器使得开发高效、高性能的工业机器人控制器成为可能.

4 结 论

本文介绍了重载工业机器人的几种驱动类型，对比了各种驱动的工作原理和特点，描述它们在重载工业机器人中的应用情况.综合国内外重载工业机器人在搬运码垛、焊接切割、铸造、雕刻等各个领域的应用，论述重载工业机器人能够适应大负载、大跨度作业的应用需求，具有多样的功能和稳定可靠的性能.结合重载工业机器人应用中存在的问题，展望了重载工业机器人在结构、控制以及关键零部件方面的发展趋势，提出重载工业机器人整体朝着轻量化、节能化、高效化和智能化的方向发展，具有十分广阔的应用前景.