1、 機器人技術(shù)概述
機器人(Robot)這個詞最早出現(xiàn)在上世紀(jì)20年代美國科幻小說家阿西莫夫的科幻小說中。自從1959年美國英格伯格和德沃爾制造出世界上第1臺工業(yè)機器人UNIMATE以后，機器人才從文學(xué)幻想變成了現(xiàn)實，機器人的歷史才由此開始。在幾十年的發(fā)展過程中，機器人技術(shù)的研究和發(fā)展過程大致經(jīng)歷了3個階段：
第1代是示教再現(xiàn)型（Play-Back）機器人,它由人操縱機械手做一遍應(yīng)當(dāng)完成的動作或通過控制器發(fā)出指令讓機械手臂運動，一步一步完成各個動作。在動作過程中機器人會自動將這一過程存入記憶裝置。當(dāng)機器人工作時，能再現(xiàn)人教給它的動作，并能自動重復(fù)的執(zhí)行。這類機器人不具有外界信息的反饋能力，很難適應(yīng)變化的環(huán)境。
“UNIMATE”和“VERSTRAN”這兩種最早的工業(yè)機器人是示教再現(xiàn)型機器人的典型代表。直至目前，這類機器人還在一些工業(yè)生產(chǎn)線上得到應(yīng)用。
第2代是有感覺的機器人，它們對外界環(huán)境有一定的感知能力，如有聽覺、視覺、觸覺等功能。機器人工作時，根據(jù)感覺器官（傳感器）獲得的信息，靈活調(diào)整自己的工作狀態(tài)，保證在適應(yīng)環(huán)境的情況下完成工作。如：具有視覺的機器人能認字、識別二維圖像或三維物體的特征等，可用于產(chǎn)品的外觀檢查、分揀、裝配等工作，有些行走機器人還能判別周圍環(huán)境的其它障礙物，并自動避開它們；有觸覺的機械手可輕松自如地抓取雞蛋，既不會使雞蛋掉下，也不會捏碎雞蛋(圖2)；具有嗅覺的機器人能分辨出不同飲料和酒類等。
第3代是智能型機器人，它不僅具有感覺能力，而且還具有獨立判斷和行動的能力，并具有記憶、推理和決策的能力，因而能夠完成更加復(fù)雜的動作。如：具有行走功能的機器人，其中央電腦控制著機器人的手臂和行走裝置，使機器人的手完成作業(yè)，而用腳完成移動功能；有些機器人能夠識別人的自然語言，可以“聽”懂人用自然語言發(fā)出的各種命令，完成相應(yīng)的動作（圖3）。智能機器人的“智能”特征就在于它具有與外部世界——對象、環(huán)境和人相適應(yīng)、相協(xié)調(diào)的工作機能。從控制方式看，智能機器人不同于工業(yè)機器人的“示教、再現(xiàn)”，不同于遙控機器人的“主—從操縱”，而是以一種“認知—適應(yīng)”的方式自律地進行操作。智能機器人在發(fā)生故障時，通過自我診斷裝置能自我診斷出故障部位，并能自我修復(fù)。
可行走并用自然語言和人交流
自上世紀(jì)90年代以來，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，機器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。原本用于生產(chǎn)制造的工業(yè)機器人水平不斷提高，各種用于非制造業(yè)的先進機器人系統(tǒng)也有了長足的進展。機器人的各種功能被相繼開發(fā)并得到不斷增強，機器人的種類不斷增多，機器人的應(yīng)用領(lǐng)域也從最初的工業(yè)控制拓展到各行各業(yè)，從軍事到民用，從天上到地下，從工業(yè)到農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，從科研探索到醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)，從生產(chǎn)領(lǐng)域到娛樂服務(wù)行業(yè)，甚至還進入尋常百姓家。
從機器人的用途來分，可以分為兩大類：軍用機器人和民用機器人。
軍用機器人主要用于軍事上代替或輔助軍隊進行作戰(zhàn)、偵察、探險等工作。根據(jù)不同的作戰(zhàn)空間可分為地面軍用機器人、空中軍用機器人(即無人飛行機)、水下軍用機器人和空間軍用機器人等。軍用機器人的控制方式一般有自主操控式、半自主操控式、遙控式等多種方式，這里不作詳述。
在民用機器人中，各種生產(chǎn)制造領(lǐng)域中的工業(yè)機器人在數(shù)量上占絕對多數(shù)，成為機器人家族中的主力軍；其它各種種類的機器人也開始在不同的領(lǐng)域得到研究開發(fā)和應(yīng)用?？傮w看來，若按用途分，民用機器人可以分為以下幾個主要類別：
1）工業(yè)機器人
這是機器人中數(shù)量和種類最多的一種機器人，廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域的各行各業(yè)。也是形成機器人產(chǎn)業(yè)的一種機器人。工業(yè)機器人一般由機械本體、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置等構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。
工業(yè)機器人并不是在簡單意義上代替人的勞動，它既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又具有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物。機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。
工業(yè)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，主要用于生產(chǎn)制造過程中的焊接、切割、裝配、噴漆、搬運、包裝、產(chǎn)品檢驗等等，目前在汽車制造業(yè)生產(chǎn)線上服役的工業(yè)機器人占總體數(shù)量的一半以上。
2) 服務(wù)機器人
服務(wù)機器人是機器人家族中的一個年輕成員，到目前為止還沒有一個嚴(yán)格的定義，不同國家對服務(wù)機器人的認識也有一定差異。國際機器人聯(lián)合會經(jīng)過幾年的搜集整理，給了服務(wù)機器人一個初步的定義：服務(wù)機器人是一種半自主或全自主工作的機器人，它能完成有益于人類健康的服務(wù)工作，但不包括從事生產(chǎn)的設(shè)備。服務(wù)機器人的應(yīng)用范圍很廣，主要從事醫(yī)療、救援、監(jiān)護、運輸、維護、保養(yǎng)、修理、清洗、保安、導(dǎo)游等工作。
3）娛樂機器人
娛樂機器人以供人觀賞、娛樂為目的，具有機器人的外部特征，可以像人，像某種動物，像童話或科幻小說中的人物等。同時具有機器人的功能，可以行走或完成動作，可以有語言能力，會唱歌，有一定的感知能力。 如：作為電子寵物的機器狗、機器貓一時曾成為人們的興趣熱點，有些機器人還會進行演奏、會跟著音樂節(jié)奏跳舞等。
4）類人機器人
大多數(shù)的機器人并不像人，有的甚至沒有一點人的模樣。研制出外觀和功能與人一樣的機器人是科學(xué)家們夢寐以求的愿望，也是他們不懈追求的目標(biāo)。然而，研制出性能優(yōu)異的類人機器人，其最大的難關(guān)就是雙足直立行走。由于仿人型機器人集機、電、材料、計算機、傳感器、控制技術(shù)等多門學(xué)科于一體，是一個國家高科技實力和發(fā)展水平的重要標(biāo)志，因此，世界發(fā)達國家都不惜投入巨資進行開發(fā)研究。日、美、英等國都在研制仿人形機器人方面做了大量的工作，并已取得突破性的進展。日本本田公司于1997年10月推出了仿人形機器人P3，美國麻省理工學(xué)院研制出了仿人形機器人科戈（COG），德國和澳洲共同研制出了裝有52個汽缸，身高2米、體重150公斤的大型機器人，韓國最近也推出了機器人Hubo。本田公司最新開發(fā)的新型機器人“阿西莫”，身高120厘米，體重43公斤，它的走路方式更加接近人。我國也在這方面作了很多工作，國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出了雙足步行機器人。
5）農(nóng)業(yè)機器人
農(nóng)業(yè)機器人最早出現(xiàn)在日本、美國等發(fā)達國家，在研究方面，目前日本居于世界各國之首。原因在于這些國家的農(nóng)業(yè)人口較少，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模化、多樣化、精確化，勞動力不足的現(xiàn)象越來越明顯。在這種情況下，使用農(nóng)業(yè)機器人可以提高勞動生產(chǎn)率和作業(yè)質(zhì)量，解決勞動力的不足；還可以改善農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境，防止農(nóng)藥、化肥等對人體的傷害等。但農(nóng)業(yè)機器人有如下的特點：①農(nóng)業(yè)機器人一般要求邊作業(yè)邊移動；②農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的行走不是連接出發(fā)點和終點的最短距離，而是具有狹窄較長的距離及遍及整個田間表面的特點；③使用條件變化較大，如氣候影響、道路的不平坦和在傾斜的地面上作業(yè)，還須考慮左右搖擺的問題；④價格問題，工業(yè)機器人所需大量投資由工廠或工業(yè)集團支付，而農(nóng)業(yè)機器人以個體經(jīng)營為主，如果不是低價格，就很難普及；⑤農(nóng)業(yè)機器人的使用者是農(nóng)民，不是具有機械電子知識的工程師，因此要求農(nóng)業(yè)機器人必須具有高可靠性和操作簡單的特點。
現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)機器人主要用于耕耘、施肥、除草、噴藥、蔬菜嫁接、收割、蔬菜水果采摘、林木修剪、果實分揀等。
我國有一半以上的農(nóng)業(yè)人口，研究和開發(fā)農(nóng)業(yè)機器人對于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動效率和減輕人的勞動具有重要意義，但鑒于農(nóng)業(yè)機器人的上述特點，它們的應(yīng)用和普及還尚需時日。
6) 特種機器人
特種機器人通常是在非結(jié)構(gòu)化的特殊環(huán)境下工作，即作業(yè)無法在事先布置好的條件下進行，而且在作業(yè)過程中環(huán)境可能發(fā)生變化。與在結(jié)構(gòu)化環(huán)境下作業(yè)的工業(yè)機器人相比，在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下工作的特種機器人控制更加困難，要求的智能程度更高，如空間探測、深海作業(yè)、精密操作、在役管道內(nèi)作業(yè)等。
從某種意義上說，除工業(yè)機器人以外的均可稱之為特種機器人。但從環(huán)境的特殊性考慮，應(yīng)把用于軍事、科學(xué)探索、醫(yī)學(xué)、深水、核輻射等特殊環(huán)境的稱之為特種機器人。特種機器人集當(dāng)代眾多高技術(shù)于一身，將在眾多領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
2、 焊接機器人應(yīng)用現(xiàn)狀
據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界在役的工業(yè)機器人中大約有將近一半的工業(yè)機器人用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域，焊接機器人應(yīng)用中最普遍的主要有兩種方式，即點焊和電弧焊。圖4所示是這兩種焊接機器人在工業(yè)機器人中所占的大致比例。我們所說的焊接機器人其實就是在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域代替焊工從事焊接任務(wù)的工業(yè)機器人。這些焊接機器人中有的是為某種焊接方式專門設(shè)計的，而大多數(shù)的焊接機器人其實就是通用的工業(yè)機器人裝上某種焊接工具而構(gòu)成的。在多任務(wù)環(huán)境中，一臺機器人甚至可以完成包括焊接在內(nèi)的抓物、搬運、安裝、焊接、卸料等多種任務(wù)，機器人可以根據(jù)程序要求和任務(wù)性質(zhì)，自動更換機器人手腕上的工具，完成相應(yīng)的任務(wù)。因此，從某種意義上來說，工業(yè)機器人的發(fā)展歷史就是焊接機器人的發(fā)展歷史。
眾所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實踐經(jīng)驗、穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接又是一種勞動條件差、煙塵多、熱輻射大、危險性高的工作。工業(yè)機器人的出現(xiàn)使人們自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，減輕焊工的勞動強度，同時也可以保證焊接質(zhì)量和提高焊接效率。
然而，焊接又與其它工業(yè)加工過程不一樣，比如，電弧焊過程中，被焊工件由于局部加熱熔化和冷卻產(chǎn)生變形，焊縫的軌跡會因此而發(fā)生變化。手工焊時有經(jīng)驗的焊工可以根據(jù)眼睛所觀察到的實際焊縫位置適時地調(diào)整焊槍的位置、姿態(tài)和行走的速度，以適應(yīng)焊縫軌跡的變化。然而機器人要適應(yīng)這種變化，必須首先像人一樣要“看”到這種變化，然后采取相應(yīng)的措施調(diào)整焊槍的位置和狀態(tài)，實現(xiàn)對焊縫的實時跟蹤。由于電弧焊接過程中有強烈弧光、電弧噪音、煙塵、熔滴過渡不穩(wěn)定引起的焊絲短路、大電流強磁場等復(fù)雜的環(huán)境因素的存在，機器人要檢測和識別焊縫所需要的信號特征的提取并不像工業(yè)制造中其它加工過程的檢測那么容易，因此，焊接機器人的應(yīng)用并不是一開始就用于電弧焊過程的。
實際上，工業(yè)機器人在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用最早是從汽車裝配生產(chǎn)線上的電阻點焊開始的。原因在于電阻點焊的過程相對比較簡單，控制方便，且不需要焊縫軌跡跟蹤，對機器人的精度和重復(fù)精度的控制要求比較低。圖5所示為不同形式的機器人點焊鉗。點焊機器人在汽車裝配生產(chǎn)線上的大量應(yīng)用大大提高了汽車裝配焊接的生產(chǎn)率和焊接質(zhì)量，同時又具有柔性焊接的特點，即只要改變程序，就可在同一條生產(chǎn)線上對不同的車型進行裝配焊接。
從機器人誕生到本世紀(jì)80年代初，機器人技術(shù)經(jīng)歷了一個長期緩慢的發(fā)展過程。到了90年代，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。工業(yè)機器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不斷提高，而機器人的制造成本和價格卻不斷下降。在西方社會，和機器人價格相反的是，人的勞動力成本有不斷增長的趨勢。圖6所示是聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會(UNECE)統(tǒng)計的從1990年至2000年的機器人價格指數(shù)和勞動力成本指數(shù)的變化曲線。圖中，把1990年的機器人價格指數(shù)和勞動力成本指數(shù)都作為參考值100，至2000年，勞動力成本指數(shù)為140，增長了40%；而機器人在考慮質(zhì)量因素的情況下價格指數(shù)低于20，降低了80%，在不考慮質(zhì)量因素的情況下，機器人的價格指數(shù)約為40，降低了60%。這里，不考慮質(zhì)量因素的機器人價格是指現(xiàn)在的機器人實際價格與過去相比較；而考慮質(zhì)量因素是指由于機器人制造工藝技術(shù)水平的提高，機器人的制造質(zhì)量和性能即使在同等價格的條件下也要比以前高，因此，如果按過去的機器人同等質(zhì)量和性能考慮，機器人的價格指數(shù)應(yīng)該更低。
由此可以看出，在西方國家，由于勞動力成本的提高為企業(yè)帶來了不小的壓力，而機器人價格指數(shù)的降低又恰巧為其進一步推廣應(yīng)用帶來了契機。減少員工與增加機器人的設(shè)備投資，在兩者費用達到某一平衡點的時候，采用機器人的利顯然要比采用人工所帶來的利大，它一方面可大大提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平，從而提高勞動生產(chǎn)率，同時又可提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)的整體競爭力。雖然機器人一次性投資比較大，但它的日常維護和消耗相對于它的產(chǎn)出遠比完成同樣任務(wù)所消耗的人工費用小。因此，從長遠看，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本還會大大降低。而機器人價格的降低使一些中小企業(yè)投資購買機器人變得輕而易舉。因此，工業(yè)機器人的應(yīng)用在各行各業(yè)得到飛速發(fā)展。根據(jù)UNECE的統(tǒng)計，2001年全世界有75萬臺工業(yè)機器人用于工業(yè)制造領(lǐng)域，其中38.9萬在日本、19.8萬在歐盟、9萬在北美，7.3萬在其余國家。至2004年底全世界在役的工業(yè)機器人至少有約100萬。
由于機器人控制速度和精度的提高，尤其是電弧傳感器的開發(fā)并在機器人焊接中得到應(yīng)用，使機器人電弧焊的焊縫軌跡跟蹤和控制問題在一定程度上得到很好解決，機器人焊接在汽車制造中的應(yīng)用從原來比較單一的汽車裝配點焊很快發(fā)展為汽車零部件和裝配過程中的電弧焊。機器人電弧焊的最大的特點是柔性，即可通過編程隨時改變焊接軌跡和焊接順序，因此最適用于被焊工件品種變化大、焊縫短而多、形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。這正好又符合汽車制造的特點。尤其是現(xiàn)代社會汽車款式的更新速度非?？?，采用機器人裝備的汽車生產(chǎn)線能夠很好地適應(yīng)這種變化。圖7所示為機器人電弧焊用于焊接汽車底盤。
另外，機器人電弧焊不僅用于汽車制造業(yè)，更可以用于涉及電弧焊的其它制造業(yè)，如造船、機車車輛、鍋爐、重型機械等等。因此，機器人電弧焊的應(yīng)用范圍日趨廣泛，在數(shù)量上大有超過機器人點焊之勢。
隨著汽車輕量化制造技術(shù)的推廣，一些高強合金材料和輕合金材料(如鋁合金、鎂合金等)在汽車結(jié)構(gòu)材料中得到應(yīng)用。這些材料的焊接往往無法用傳統(tǒng)的焊接方法來解決，必須采用新的焊接方法和焊接工藝。其中高功率激光焊和攪拌摩擦焊等最具發(fā)展?jié)摿?。因此，機器人與高功率激光焊和攪拌摩擦焊的結(jié)合將成為必然趨勢。事實上，像上海大眾等國內(nèi)最具實力的汽車制造商在他們的新車型制造過程中已經(jīng)大量使用機器人激光焊接。圖8所示為其汽車車頂?shù)臋C器人激光焊接。
和機器人電弧焊相比，機器人激光焊的焊縫跟蹤精度要求更高。根據(jù)一般的要求，機器人電弧焊(包括GTAW和GMAW)的焊縫跟蹤精度必須控制在電極或焊絲直徑的1/2以內(nèi)，在具有填充絲的條件下焊縫跟蹤精度可適當(dāng)放寬。但對激光焊而言，焊接時激光照射在工件表面的光斑直徑通常在0.6以內(nèi)，遠小于焊絲直徑(通常大于1.0)，而激光焊接時通常又不加填充焊絲，因此，激光焊接中若光斑位置稍有偏差，便會造成偏焊、漏焊。因此，上海大眾的汽車車頂機器人激光焊除了在工裝夾具上采取措施防止焊接變形外，還在機器人激光焊槍前方安裝了德國SCOUT公司的高精度激光傳感器用于焊縫軌跡的跟蹤。
工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)形式很多，常用的有直角坐標(biāo)式、柱面坐標(biāo)式、球面坐標(biāo)式、多關(guān)節(jié)坐標(biāo)式、伸縮式、爬行式等等，根據(jù)不同的用途還在不斷發(fā)展之中。焊接機器人根據(jù)不同的應(yīng)用場合可采取不同的結(jié)構(gòu)形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多關(guān)節(jié)式的機器人，這是因為多關(guān)節(jié)式機器人的手臂靈活性最大，可以使焊槍的空間位置和姿態(tài)調(diào)至任意狀態(tài)，以滿足焊接需要。理論上講，機器人的關(guān)節(jié)愈多，自由度也愈多，關(guān)節(jié)冗余度愈大，靈活性愈好；但同時也給機器人逆運動學(xué)的坐標(biāo)變換和各關(guān)節(jié)位置的控制帶來復(fù)雜性。因為焊接過程中往往需要把以空間直角坐標(biāo)表示的工件上的焊縫位置轉(zhuǎn)換為焊槍端部的空間位置和姿態(tài)，再通過機器人逆運動學(xué)計算轉(zhuǎn)換為對機器人每個關(guān)節(jié)角度位置的控制，而這一變換過程的解往往不是唯一的，冗余度愈大，解愈多。如何選取最合適的解對機器人焊接過程中運動的平穩(wěn)性很重要。不同的機器人控制系統(tǒng)對這一問題的處理方式不盡相同。
一般來講，具有6個關(guān)節(jié)的機器人基本上能滿足焊槍的位置和空間姿態(tài)的控制要求，其中3個自由度(XYZ)用于控制焊槍端部的空間位置，另外3個自由度(ABC)用于控制焊槍的空間姿態(tài)。因此，目前的焊接機器人多數(shù)為6關(guān)節(jié)式的。
對于有些焊接場合，工件由于過大或空間幾何形狀過于復(fù)雜，使焊接機器人的焊槍無法到達指定的焊縫位置或焊槍姿態(tài)，這時必須通過增加1～3個外部軸的辦法增加機器人的自由度。通常有兩種做法：一是把機器人裝于可以移動的軌道小車或龍門架上，擴大機器人本身的作業(yè)空間；二是讓工件移動或轉(zhuǎn)動，使工件上的焊接部位進入機器人的作業(yè)空間。也有的同時采用上述兩種辦法，讓工件的焊接部位和機器人都處于最佳焊接位置。
焊接機器人的編程方法目前還是以在線示教方式(Teach-in)為主，但編程器的界面比過去有了不少改進，尤其是液晶圖形顯示屏的采用使新的焊接機器人的編程界面更趨友好、操作更加易。然而機器人編程時焊縫軌跡上的關(guān)鍵點坐標(biāo)位置仍必須通過示教方式獲取，然后存入程序的運動指令中。這對于一些復(fù)雜形狀的焊縫軌跡來說，必須花費大量的時間示教，從而降低了機器人的使用效率，也增加了編程人員的勞動強度。目前解決的方法有2種：
一是示教編程時只是粗略獲取幾個焊縫軌跡上的幾個關(guān)鍵點，然后通過焊接機器人的視覺傳感器(通常是電弧傳感器或激光視覺傳感器)自動跟蹤實際的焊縫軌跡。這種方式雖然仍離不開示教編程，但在一定程度上可以減輕示教編程的強度，提高編程效率。但由于電弧焊本身的特點，機器人的視覺傳感器并不是對所有焊縫形式都適用。
二是采取完全離線編程的辦法，使機器人焊接程序的編制、焊縫軌跡坐標(biāo)位置的獲取、以及程序的調(diào)試均在一臺計算機上獨立完成，不需要機器人本身的參與。機器人離線編程早在多年以前就有，只是由于當(dāng)時受計算機性能的限制，離線編程軟件以文本方式為主，編程員需要熟悉機器人的所有指令系統(tǒng)和語法，還要知道如何確定焊縫軌跡的空間位置坐標(biāo)，因此，編程工作并不輕松省時。隨著計算機性能的提高和計算機三維圖形技術(shù)的發(fā)展，如今的機器人離線編程系統(tǒng)多數(shù)可在三維圖形環(huán)境下運行，編程界面友好、方便，而且，獲取焊縫軌跡的坐標(biāo)位置通?？梢圆捎谩疤摂M示教”(virtual Teach-in)的辦法，用鼠標(biāo)輕松點擊三維虛擬環(huán)境中工件的焊接部位即可獲得該點的空間坐標(biāo)；在有些系統(tǒng)中，可通過CAD圖形文件中事先定義的焊縫位置直接生成焊縫軌跡，然后自動生成機器人程序并下載到機器人控制系統(tǒng)。從而大大提高了機器人的編程效率，也減輕了編程員的勞動強度。目前，國際市場上已有基于普通PC機的商用機器人離線編程軟件。如Workspace5、RobotStudio等。圖9所示為筆者自行開發(fā)的基于PC的三維可視化機器人離線編程系統(tǒng)。該系統(tǒng)可針對ABB公司的IRB140機器人進行離線編程，程序中的焊縫軌跡通過虛擬示教獲得，并在三維圖形環(huán)境中可讓機器人按程序中的軌跡作模擬運動，以此檢驗其準(zhǔn)確性和合理性。所編程序可通過網(wǎng)絡(luò)直接下載給機器人控制器。
我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，目前已基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；弧焊機器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；應(yīng)用規(guī)模小，沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)。
當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，單戶單次重新設(shè)計，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。
3、 焊接機器人發(fā)展趨勢
目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術(shù)的研究。從機器人技術(shù)發(fā)展趨勢看，焊接機器人和其它工業(yè)機器人一樣，不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。具體而言，表現(xiàn)在如下幾個方面：
1)．機器人操作機結(jié)構(gòu)：
通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運用，實現(xiàn)機器人操作機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。
探索新的高強度輕質(zhì)材料，進一步提高負載/自重比。例如，以德國KUKA公司為代表的機器人公司，已將機器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用，大大提高了機器人的性能。此外采用先進的RV減速器及交流伺服電機，使機器人操作機幾乎成為免維護系統(tǒng)。
機構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。例如，關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。
機器人的結(jié)構(gòu)更加靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。
采用并聯(lián)機構(gòu)，利用機器人技術(shù)，實現(xiàn)高精度測量及加工，這是機器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來實現(xiàn)機器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。
2).機器人控制系統(tǒng)：
重點研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)。向基于PC機的開放型控
制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性?？刂葡到y(tǒng)的性能進一步提高，已由過去控制標(biāo)準(zhǔn)的6軸機器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸，并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。
人機界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于PC機網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點。
編程技術(shù)除進一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實用化將成為研究重點，在某些領(lǐng)域的離線編程已實現(xiàn)實用化。
3).機器人傳感技術(shù)：
機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。
遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制。為進一步提高機器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實用化。
4). 網(wǎng)絡(luò)通信功能：
日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機器人控制器已實現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機器人由過去的獨立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進了一大步，也使機器人由過去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備發(fā)展。
5). 機器人遙控和監(jiān)控技術(shù)
在一些諸如核輻射、深水、有毒等高危險環(huán)境中進行焊接或其它作業(yè)，需要有遙控的機器人代替人去工作。當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。多機器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，可通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立預(yù)先顯示進行遙控等。
6). 虛擬機器人技術(shù)：
虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人?；诙鄠鞲衅?、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術(shù)，實現(xiàn)機器人的虛擬遙操作和人機交互。
7).機器人性能價格比：
機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降。由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機器人系統(tǒng)的可靠性MTBF一般為幾千小時，而現(xiàn)在已達到5萬小時，可以滿足任何場合的需求。
8)．多智能體調(diào)控技術(shù)：
這是目前機器人研究的一個嶄新領(lǐng)域。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進行研究。
近年來，人類的活動領(lǐng)域不斷擴大，機器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂等行業(yè)都提出了自動化和機器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因而對機器人的要求更高，需要機器人具有行走功能，對外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機器人技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。
可以預(yù)見，在21世紀(jì)各種先進的機器人系統(tǒng)將會進入人類生活的各個領(lǐng)域，成為人類良好的助手和親密的伙伴。
4、 挑戰(zhàn)與對策
進入21世紀(jì)，世界經(jīng)濟結(jié)構(gòu)正在發(fā)生重大而深刻的變革，但制造業(yè)依然是世界各發(fā)達與發(fā)展中國家加快經(jīng)濟發(fā)展、提高國家綜合競爭力的重要途徑。
我國是一個制造業(yè)大國，尚處于工業(yè)化進程之中，在未來相當(dāng)長的時期里，制造業(yè)仍將在國民經(jīng)濟中占主導(dǎo)地位。在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國正逐步成為世界最重要的制造業(yè)基地之一。
然而目前我國裝備制造業(yè)的整體水平與發(fā)達國家相比尚有較大的差距，尤其是在戰(zhàn)略必爭裝備技術(shù)與競爭前核心技術(shù)、基礎(chǔ)制造裝備與成套關(guān)鍵裝備制造技術(shù)等方面差距更大，這種差距又主要體現(xiàn)在先進裝備的自主設(shè)計與獨立制造能力差，成套與系統(tǒng)集成、優(yōu)化能力差，技術(shù)創(chuàng)新和集成創(chuàng)新能力差。這些差距已經(jīng)成為制約我國制造業(yè)乃至其他行業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸問題之一。
21世紀(jì)基礎(chǔ)制造裝備的水平主要體現(xiàn)在高精度、高效率、低成本和高柔性等幾個方面。高效率、高精度工藝的一個典型例子是精密成形技術(shù)，其目的是盡量減少切削，甚至免除切削，減少原材料的浪費，同時提高制造效率。精密成形技術(shù)在工業(yè)發(fā)達國家已得到廣泛應(yīng)用。柔性自動化仍是機床業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一。柔性自動化的進一步發(fā)展是敏捷生產(chǎn)設(shè)備。為適應(yīng)敏捷生產(chǎn)模式，人們正在探求設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)重組以及生產(chǎn)單元的動態(tài)重組問題。
另外，國外在大型、成套裝備方面有很大優(yōu)勢，并且在成套裝備的高技術(shù)化方面，取得了巨大的進展，已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)控化、柔性自動化，并大量采用工業(yè)機器人，正向著智能化、集成化的方向發(fā)展。
隨著我國加入WTO，我國裝備制造業(yè)從來沒有像今天這樣直接地面對國際同行的有力競爭和挑戰(zhàn)。如何適應(yīng)激烈的國際競爭和快速變化的世界市場需求，不斷以高質(zhì)量、低成本、快速響應(yīng)的手段在新的市場競爭中求得生存和發(fā)展，已是我國裝備制造業(yè)不容回避的問題。同時加入WTO也為我們提供了前所未有的機遇，我們必須抓住機遇迎頭趕上。
在“十五”期間，我國曾把包括焊接機器人在內(nèi)的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)作為重點研究內(nèi)容之一，其中包括焊接機器人（把弧焊與點焊機器人作為負載不同的一個系列機器人，可兼作弧焊、點焊、搬運、裝配、切割作業(yè)）產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；弧焊機器人用激光視覺焊縫跟蹤裝置的開發(fā)，激光發(fā)射器的選用，CCD成象系統(tǒng)，視覺圖象處理技術(shù)，視覺跟蹤與機器人協(xié)調(diào)控制；焊接機器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動態(tài)仿真等。
在新的歷史時期，面對新的機遇和挑戰(zhàn)，只有一方面緊跟世界科技發(fā)展的潮流，研究與開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)制造裝備；另一方面，仍然通過引進和消化，吸收一些現(xiàn)有的先進技術(shù)，踩在別人的肩膀上，盡快縮短和別人的差距。并通過應(yīng)用研究和二次開發(fā)，實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新和關(guān)鍵設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化，提高我國制造業(yè)在國際競爭舞臺上的地位。
