浅析工业机器人控制技术与精密减速器技术

工业机器人控制技术

我国工业机器人的市场主要集中在汽车、汽车零部件、摩托车、电器、工程机械、石油化工等行业。中国作为亚洲第三大的工业机器人需求国，市场发展稳定，汽车及其零部件制造仍然是工业机器人的主要应用领域，随着我国产业结构调整升级不断深入和国际制造业中心向中国的转移，我国的机器人市场会进一步加大，市场扩展的速度也会进一步提高。本文就当前工业机器人的关键技术及其应用进行梳理。

机器人控制技术

机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。工业机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。

关键技术包括：

（1）开放性模块化的控制系统体系结构：采用分布式CPU计算机结构，分为机器人控制器（RC），运动控制器（MC），光电隔离I/O控制板、传感器处理板和编程示教盒等。机器人控制器（RC）和编程示教盒通过串口/CAN总线进行通讯。机器人控制器（RC）的主计算机完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O、传感器处理等功能，而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。

（2）模块化层次化的控制器软件系统：软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系统Linux上，采用分层和模块化结构设计，以实现软件系统的开放性。整个控制器软件系统分为三个层次：硬件驱动层、核心层和应用层。三个层次分别面对不同的功能需求，对应不同层次的开发，系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成，这些功能模块相互协作共同实现该层次所提供的功能。

（3）机器人的故障诊断与安全维护技术：通过各种信息，对机器人故障进行诊断，并进行相应维护，是保证机器人安全性的关键技术。

（4）网络化机器人控制器技术：目前机器人的应用工程由单台机器人工作站向机器人生产线发展，机器人控制器的联网技术变得越来越重要。控制器上具有串口、现场总线及以太网的联网功能。可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机的通讯，便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。

移动机器人（AGV）

移动机器人（AGV）是工业机器人的一种类型，它由计算机控制，具有移动、自动导航、多传感器控制、网络交互等功能，它可广泛应用于机械、电子、纺织、卷烟、医疗、食品、造纸等行业的柔性搬运、传输等功能，也用于自动化立体仓库、柔性加工系统、柔性装配系统（以AGV作为活动装配平台）；同时可在车站、机场、邮局的物品分捡中作为运输工具。

国际物流技术发展的新趋势之一，而移动机器人是其中的核心技术和设备，是用现代物流技术配合、支撑、改造、提升传统生产线，实现点对点自动存取的高架箱储、作业和搬运相结合，实现精细化、柔性化、信息化，缩短宁波物流流程，降低物料损耗，减少占地面积，降低建设投资等的高新技术和装备。

点焊机器人

焊接机器人具有性能稳定、工作空间大、运动速度快和负荷能力强等特点，焊接质量明显优于人工焊接，大大提高了点焊作业的生产率。

点焊机器人主要用于汽车整车的焊接工作，生产过程由各大汽车主机厂负责完成。国际工业机器人企业凭借与各大汽车企业的长期合作关系，向各大型汽车生产企业提供各类点焊机器人单元产品并以焊接机器人与整车生产线配套形式进入中国，在该领域占据市场主导地位。

随着汽车工业的发展，焊接生产线要求焊钳一体化，重量越来越大，165公斤点焊机器人是目前汽车焊接中最常用的一种机器人。2008年9月，机器人研究所研制完成国内首台165公斤级点焊机器人，并成功应用于奇瑞汽车焊接车间。2009年9月，经过优化和性能提升的第二台机器人完成并顺利通过验收，该机器人整体技术指标已经达到国外同类机器人水平。

弧焊机器人

弧焊机器人主要应用于各类汽车零部件的焊接生产。在该领域，国际大型工业机器人生产企业主要以向成套装备供应商提供单元产品为主。本公司主要从事弧焊机器人成套装备的生产，根据各类项目的不同需求，自行生产成套装备中的机器人单元产品，也可向大型工业机器人企业采购并组成各类弧焊机器人成套装备。在该领域，本公司与国际大型工业机器人生产企业既是竞争亦是合作关系。

关键技术包括：

（1）弧焊机器人系统优化集成技术：弧焊机器人采用交流伺服驱动技术以及高精度、高刚性的RV减速机和谐波减速器，具有良好的低速稳定性和高速动态响应，并可实现免维护功能。

（2）协调控制技术：控制多机器人及变位机协调运动，既能保持焊枪和工件的相对姿态以满足焊接工艺的要求，又能避免焊枪和工件的碰撞。

（3）精确焊缝轨迹跟踪技术：结合激光传感器和视觉传感器离线工作方式的优点，采用激光传感器实现焊接过程中的焊缝跟踪，提升焊接机器人对复杂工件进行焊接的柔性和适应性，结合视觉传感器离线观察获得焊缝跟踪的残余偏差，基于偏差统计获得补偿数据并进行机器人运动轨迹的修正，在各种工况下都能获得最佳的焊接质量。

激光加工机器人

激光加工机器人是将机器人技术应用于激光加工中，通过高精度工业机器人实现更加柔性的激光加工作业。本系统通过示教盒进行在线操作，也可通过离线方式进行编程。该系统通过对加工工件的自动检测，产生加工件的模型，继而生成加工曲线，也可以利用CAD数据直接加工。可用于工件的激光表面处理、打孔、焊接和模具修复等。

关键技术包括：

（1）激光加工机器人结构优化设计技术：采用大范围框架式本体结构，在增大作业范围的同时，保证机器人精度；

（2）机器人系统的误差补偿技术：针对一体化加工机器人工作空间大，精度高等要求，并结合其结构特点，采取非模型方法与基于模型方法相结合的混合机器人补偿方法，完成了几何参数误差和非几何参数误差的补偿。

（3）高精度机器人检测技术：将三坐标测量技术和机器人技术相结合，实现了机器人高精度在线测量。

（4）激光加工机器人专用语言实现技术：根据激光加工及机器人作业特点，完成激光加工机器人专用语言。

（5）网络通讯和离线编程技术：具有串口、CAN等网络通讯功能，实现对机器人生产线的监控和管理；并实现上位机对机器人的离线编程控制。

真空机器人

真空机器人是一种在真空环境下工作的机器人，主要应用于半导体工业中，实现晶圆在真空腔室内的传输。真空机械手难进口、受限制、用量大、通用性强，其成为制约了半导体装备整机的研发进度和整机产品竞争力的关键部件。而且国外对中国买家严加审查，归属于禁运产品目录，真空机械手已成为严重制约我国半导体设备整机装备制造的“卡脖子”问题。直驱型真空机器人技术属于原始创新技术。

关键技术包括：

（1）真空机器人新构型设计技术：通过结构分析和优化设计，避开国际专利，设计新构型满足真空机器人对刚度和伸缩比的要求；

（2）大间隙真空直驱电机技术：涉及大间隙真空直接驱动电机和高洁净直驱电机开展电机理论分析、结构设计、制作工艺、电机材料表面处理、低速大转矩控制、小型多轴驱动器等方面。

（3）真空环境下的多轴精密轴系的设计。采用轴在轴中的设计方法，减小轴之间的不同心以及惯量不对称的问题。

（4）动态轨迹修正技术：通过传感器信息和机器人运动信息的融合，检测出晶圆与手指之间基准位置之间的偏移，通过动态修正运动轨迹，保证机器人准确地将晶圆从真空腔室中的一个工位传送到另一个工位。

（5）符合SEMI标准的真空机器人语言：根据真空机器人搬运要求、机器人作业特点及SEMI标准，完成真空机器人专用语言。

（6）可靠性系统工程技术：在IC制造中，设备故障会带来巨大的损失。根据半导体设备对MCBF的高要求，对各个部件的可靠性进行测试、评价和控制，提高机械手各个部件的可靠性，从而保证机械手满足IC制造的高要求。

洁净机器人

洁净机器人是一种在洁净环境中使用的工业机器人。随着生产技术水平不断提高，其对生产环境的要求也日益苛刻，很多现代工业产品生产都要求在洁净环境进行，洁净机器人是洁净环境下生产需要的关键设备。

关键技术包括：

（1）洁净润滑技术：通过采用负压抑尘结构和非挥发性润滑脂，实现对环境无颗粒污染，满足洁净要求。

（2）高速平稳控制技术：通过轨迹优化和提高关节伺服性能，实现洁净搬运的平稳性。

（3）控制器的小型化技术：根据洁净室建造和运营成本高，通过控制器小型化技术减小洁净机器人的占用空间。

（4）晶圆检测技术：通过光学传感器，能够通过机器人的扫描，获得卡匣中晶圆有无缺片、倾斜等信息。

转载声明：此文章素材来源于「工大易服」

工业机器人常用精密减速器技术分析

工业机器人是一种装备有记忆装置和末端执行装置的、能够完成各种移动或工艺来代替人类劳动的通用机器。通常在生产中能代替工人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业。它能够提升生产的效率和产品的质量，是企业补充和替代劳动力的有效方案。

目前工业机器人发展特点是高速、精确、机身机构紧凑、多自由度和提高刚性，重点领域还要求重载或响应速度快。例如汽车整车生产的电焊机器人负载大部分在150-300Kg间，而电子领域的装配机器人则需要快速的响应流水线上的配件。

减速器在机械传动领域是连接动力源和执行机构之间的中间装置，通常它把电动机、内燃机等高速运转的动力通过输入轴上的小齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的，并传递更大的转矩。目前成熟并标准化的减速器有：圆柱齿轮减速器、涡轮减速器、行星减速器、行星齿轮减速器、RV减速器、摆线针轮减速器和谐波减速器。80-90年代以来，在新兴产业如航空航天、机器人和医疗器械等发展的需求下，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，其中RV减速器和谐波减速器是精密减速器中重要的两种减速器。

精密减速器应用领域

六轴工业机器人中精密减速器位置分布

RV（Rot-Vector）减速器

RV减速器是在摆线针轮传动基础上发展起来的，具有二级减速和中心圆盘支承结构。自1986年投入市场以来，因其传动比大、传动效率高、运动精度高、回差小、低振动、刚性大和高可靠性等优点是机器人的“御用”减速器。

Nabotesco(帝人)RV系列减速器结构图

Nabotesco(帝人)RV系列减速器

谐波减速器

谐波减速器由三部分组成：谐波发生器、柔性论和刚轮，其工作原理是由谐波发生器使柔轮产生可控的弹性变形，靠柔轮与刚轮啮合来传递动力，并达到减速的目的；按照波发生器的不同有凸轮式、滚轮式和偏心盘式。谐波减速器传动比大、外形轮廓小、零件数目少且传动效率高。单机传动比可达到50-4000，而传动效率高达92%-96%。

HarmonicaDrive产品结构示意图

HarmonicaDriveCSF-LW系列产品

三种常见的谐波减速器类型

谐波传动啮合示意图

普通齿轮传动啮合示意图

行星减速器

行星顾名思义行星减速器就是有三个行星轮围绕一个太阳轮旋转的减速器。行星减速器体积小、重量轻，承载能力高，使用寿命长、运转平稳，噪声低。具有功率分流、多齿啮合独用的特性；是一种用途广泛的工业产品，其性能可与其它军品级行星减速器产品相媲美，却有着工业级产品的价格，被应用于广泛的工业场合。

精密减速器在工业机器人上的作用

工业机器人的动力源一般为交流伺服电机，因为由脉冲信号驱动，其伺服电机本身就可以实现调速，为什么工业机器人还需要减速器呢？工业机器人通常执行重复的动作，以完成相同的工序；为保证工业机器人在生产中能够可靠地完成工序任务，并确保工艺质量，对工业机器人的定位精度和重复定位精度要求很高。因此，提高和确保工业机器人的精度就需要采用RV减速器或谐波减速器。精密减速器在工业机器人中的另一作用是传递更大的扭矩。当负载较大时，一味提高伺服电机的功率是很不划算的，可以在适宜的速度范围内通过减速器来提高输出扭矩。此外，伺服电机在低频运转下容易发热和出现低频振动，对于长时间和周期性工作的工业机器人这都不利于确保其精确、可靠地运行。

精密减速器的存在使伺服电机在一个合适的速度下运转，并精确地将转速降到工业机器人各部位需要的速度，提高机械体刚性的同时输出更大的力矩。与通用减速器相比，机器人关节减速器要求具有传动链短、体积小、功率大、质量轻和易于控制等特点。大量应用在关节型机器人上的减速器主要有两类：RV减速器和谐波减速器。

相比于谐波减速器，RV减速器具有更高的刚度和回转精度。因此在关节型机器人中，一般将RV减速器放置在机座、大臂、肩部等重负载的位置；而将谐波减速器放置在小臂、腕部或手部；行星减速器一般用在直角坐标机器人上。

数据 | 工业机器人系统集成商市场现状分析

工业机器人系统集成商处于机器人产业链的下游应用端，为终端客户提供应用解决方案，其负责工业机器人应用二次开发和周边自动化配套设备的集成，是工业机器人自动化应用的重要组成。

近几年，由于国内工业机器人市场的快速发展，工业机器人系统集成商数量急速扩张，截止到2017年底，工业机器人系统集成商数量超过3000家，而在2014年9月份，该数据还未超过500。并且国内集成商规模都不大，企业中营收规模超过1亿元的不超过100家，绝大部分企业系统集成业务营收不超过3000万元。其中，营收规模超过3亿元的企业“大企业”也主要集中于汽车焊接集成领域。

截止于2018年7月23日，行业调研组织MIR收录了610家系统集成商，其机器人销售业绩，能够占到整体中国机器人行业的70%以上。MIR还会继续收录系统集成商，计划到年底将超过1000家。

近期，MIR对这610家集成商的企业性质、上市状态、地区分布、品牌授权、行业覆盖、工业覆盖等方面进行了分析，分析结果如下：

国内机器人系统集成商地区分布

企业集中于长三角、珠三角地区。

分析发现，610家工业机器人系统集成商区域集中度较高，长三角（上海、江苏、浙江）、珠三角（广东）为两大集聚区域，两地区企业合计占比近七成。其中34.3%集中在广东省，31.8%集中在江浙沪地区，10.7%集中在京津冀地区，极度吻合工业机器人区域分布特点。

究其原因：汽车、电子行业生产主要分布在华东华南地区，上海、武汉、长春、广州是中国汽车生产基地最为密集的4大地区，同时，上海、广州也是电子行业的发达地区，在以上地区，2017年工业机器人的销量占比最大，达50%以上。

国内机器人系统集成商企业性质分布

610份样本中，本土系统集成商数量占据中国机器人企业数量90%以上的比例，但本土系统集成商普遍规模较小，绝大多数厂商的年产值并不高。本土企业优秀代表基本集中在汽车整车及汽车零部件领域，例如四川成焊宝玛、天津福臻、博众精工、安徽巨一等。

国内机器人系统集成商授权状态

MIR收录的610份样本中，有369家是授权SI，占60%；241家是非授权SI，占40%。绝大多数的中小型SI都是非授权SI，品牌选择主要参考终端客户的选择。授权SI中，有359家是机器人外资企业的授权SI ，有32家是机器人本土企业的授权SI（有些授权SI授权外资品牌，同时也授权本土品牌）。

可以看出，在中国市场，外资品牌主要的销售渠道是系统集成商，因为外资工业机器人主要应用在对集成要求高的汽车和电子行业，而依靠系统集成商能够更快速地拓展市场。

国产品牌的机器人应用行业比较分散，塑料橡胶、食品饮料、电子制造等都是国产机器人主要应用行业，并以搬运、码垛等精度和负载要求较低的应用方式为主，在此情况下，终端用户的集成需求没有那么高，而在利润相对较少的情况下，国产机器人厂商也倾向直销，以获取更多的利润。因此国产品牌工业机器人厂商多以直销为主。

国内机器人系统集成商上市状态

据统计显示，目前国内机器人系统集成上市公司大致有60多家，涉及机器人系统集成的上市公司包括沈阳新松、博实股份、天奇股份、广州数控、埃斯顿等。新三板公司有北人机器人、巨能机器人、铭赛科技等等。

国内机器人系统集成商行业覆盖情况

MIR对610家系统集成商中的541家进行了行业覆盖分析，其中464家覆盖汽车行业，占比85.8%；204家覆盖电子行业，占比37.7%；122家覆盖家电行业，占比26.6%；112家覆盖食品饮料行业，占比20.7%。

究其原因：还是因为工业机器人广泛应用于汽车、电子、家电、食品、金属加工等行业。近几年，中国工业机器人系统集成商市场主要受汽车行业发展带动，汽车行业系统集成商数量较多。目前中国汽车行业趋于饱和，但其子行业电动汽车行业的发展为中国工业机器人系统集成商市场提供了新的增长动力。与此同时，随着工业机器人向着更深更远的方向发展以及智能化水平的提高，工业机器人系统集成商的行业覆盖从传统制造业推广到了其他制造业，像是半导体、新能源（主要是锂电池行业）、医疗、陶瓷卫浴等行业。以锂电池为例，锂电池生产流程里的入壳、化成、分容、封装、电芯清洗、外观检测、电性检测、模组组装、装配压合、模组焊接、成品检测等多个环节需要用到大量工业机器人，而且目前锂电池行业处于快速发展阶段，多个锂电池项目都处于上马及升级改造阶段。锂电池行业对工业机器人的大量需求催生了对工业机器人系统集成商的需求，预计未来几年锂电池行业工业机器人系统集成商数量将继续保持快速增长。

国内机器人系统集成商工艺覆盖情况

工业机器人应用常见于四大领域，分别是搬运、加工、检查及组装。各领域又分为多个工艺，具体工艺细分见下表：

MIR对610家系统集成商中的541家进行了工艺覆盖分析。分析表明，不同行业系统集成商工艺的覆盖程度不同，例如在汽车整车及零部件生产中，有大量加工机上下料、设备间搬送、点焊、弧焊、抛光、涂装、组装等工序，目前大多都是由工业机器人完成，因此汽车行业机器人系统集成商业务基本都会覆盖这些工艺段；而电子机器人系统集成商，主要集中在加工机上下料、设备间搬送、点焊、弧焊、组装等工序。

MIR列举了几个重点行业系统集成商的工艺覆盖情况，供大家参考。

△数据解读：以汽车行业为例，MIR分析了464家涉及汽车行业的工业机器人系统集成商。分析结果表明有251家业务覆盖加工机上下料工艺、47家覆盖拣选工艺、108家覆盖码垛工艺、214家覆盖设备间搬送工艺、40家覆盖托板装载工艺、31家覆盖移载・排列装箱工艺。

虽然工业机器人应用市场需求量逐年递增，但国产机器人需求量不增反降，国外品牌采购成本高，集成商资金压力较大。

汽车市场需求量稳居第一，对机器人精度稳定性更高，机器人本体市场潜移默化的也影响着集成商的竞争市场。

集成商数量疯狂式的增长，但成气候的少之又少，可预见在不久的将来，很多小规模的集成商将被市场无情的淘汰或者被“大鱼”吞并。