引言
工業機器人自20世紀60年代問世以來，其研究和開發在工業發達國家中一直備受青睞。盡管各國對機器人的定義不盡相同，但都有可編程、擬人化、通用性等特點，是一種融機械工程、電子工程、計算機技術、自動控制技術等多學科為一體的高新技術產品。隨著相關支撐學科的長遠發展，工業機器人的研究和開發正突飛猛進，其應用領域進一步擴大。
我國機器人技術的研究工作起步較晚，雖已取得較大進展，但較之發達國家的水平仍有較大距離，應積極探索適合我國國情的工業機器人應用思路，開發低成本、高性價的實用型工業機器人。
1組合式工業機器人設計思路
目前機器人技術領域的研究工作從智能化程度來區分，主要分2個方向：一是全功能通用機器人的研究，追求高智能化，即在計算機控制下的視、觸、聽、嗅覺與肢體動作協調一致、高度擬人化的機器人；二是不過于強調機器人的智能化，提供價格和性能都能令人滿意的簡易型機器人。
根據我國的實際情況，我們認為工業機器人技術開發的思路應從以下幾個方面進行考慮：
(1)實用性。應能開發出市場急需的、功能實用的、滿足用戶要求的機器人。為此，應強調功能實用性，不片面追求所謂的高科技和全面先進性，先進并不等于實用。
(2)快速性。能夠在盡可能短的時間內實現機器人產品的快速制造，快速投放市場和發往用戶。
(3)高質量。能夠生產出品質優良的機器人產品，機器人配置中關鍵部件必要時可采用進口產品，只有質量好的機器人產品才能贏得用戶。
(4)低價格。價格往往是用戶購置機器人時考慮的首要因素。機器人開發應盡可能選用標準件、通用件，減少自制件，控制成本，能夠向市場提供價格低廉的機器人產品。
(5)模塊化。采用模塊化的設計理念和配置組合、系統集成的制造思路。
綜上所述，工業機器人設計總體技術原理是：在成組技術指導下，針對多品種小批量生產的特點，面對生產線上的機臺和單元間的物品移置的工藝要求或是裝配、噴涂等作業的工藝要求，利用模塊化設計手段，選擇品質優良的控制模塊以及執行模塊，按一定的坐標體系進行集成，實現工業機器人的快速制造。
其明顯的優點在于：(1)簡化了結構，兼顧了使用上的專用性和設計上的通用性。便于實現標準化、系列化和組織專業生產。(2)縮短了研制周期。能適應工廠用戶的急需，在盡可能短的時間內，快速制造出功能實用的滿足用戶要求的機器人產品。(3)提高了性能價格比。采用優質功能部件集成的方式，有利于保證機器人的質量和降低成本。(4)具備了充分的柔性。以具備高可靠性的工控機為核心，控制模塊和伺服模塊可根據機器人及相應周邊設備的工作要求，綜合運用步進驅動技術、交流伺服控制技術、微機氣動控制技術及變頻技術等，為機器人提供了充分的柔性。
2工業機器人組合式模塊化結構設計
2．1工業機器人結構配置方式及分析
圖l列出了幾種常規的工業機器人配置方式，按不同的坐標進行配置可歸納為以下幾種：直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型、關節坐標型和平面關節型(scARA型)‘11等。無疑，這些配置方式都是經過實踐證明為經濟可行的方式，也是組合式模塊化工業機器人坐標配置方式設計時所要借鑒和參照的方式。
通過對常用配置方式(常規坐標型)的機器人的運動分析可看到以下兩點：(1)基本動作可分解為體升降、臂伸縮、體旋轉、臂旋轉、腕旋轉等；(2)基本運動形式可分為直線運動和旋轉運動兩類。這啟發我們在設計機器人時，可充分利用能夠實現直線運動和旋轉運動的通用部件(氣、液、電等)來進行功能組合，也就是說可以將經過合適選擇的通用部件作為模塊來進行集成。這些部件可以作為一個獨立的基本模塊，也可以將幾個部件組合為一個復合模塊。顯然，配置方式應根據產品最終實現的功能要求來確定，同樣，模塊的分解也是基于產品應滿足的功能要求下的模塊分解。
(a)直角坐標型 (b)圓柱坐標型 (c)球坐標型 (d)關節坐標型 (e)平面關節型
圖1工業機器人常規配置方式
2．2工業機器人組合式模塊化結構設計
對所要設計的工業機器人進行功能分析，劃分并設計出一系列通用的功能模塊，并對這些模塊進行選擇和組合配置，就可以構成不同功能，或功能相近但性能不同、價格不同的機器人產品?？梢?，在工業機器人設計中，采用組合式、模塊化設計思路可以很好地解決產品品種、規格與設計制造周期和生產成本之間的矛盾。工業機器人的組合式模塊化設計也為機器人產品快速更新換代、提高產品質量、方便維修、增強競爭力提供了條件。隨著敏捷制造時代的到來，模塊化設計會越來越顯示出其獨到的優越性。工業機器人的組合式模塊化設計過程見圖2所示，圖3列出了初步設計的工業機器人模塊編碼結構示意。
圖2 工業機器人組合式模塊化設計過程
2．3功能模塊的整體集成
2．3．1以功能模塊有機集成為前提的模塊組合
在對各功能模塊分解的基礎上，再將各功能模塊有機集成到一個系統中去，完成功能模塊的整體集成，最終形成組合式工業機器人系統。從系統工程角度研究其集成，可見集成的組合式工業機器人系統具有以下屬性：
(1)集合性。組合式工業機器人系統是由兩個以上具有獨立特性的模塊所構成。
(2)相關性。構成系統的模塊之間具有相互聯系，這意味著其中的一個模塊發生變化，都會對其他模塊產生影響，因此，要研究各模塊的影響范圍、影響方式和影響程度。
(3)整體性。組合式工業機器人系統應是一個有機的整體，對內呈現各模塊間的最優組合，使信息流暢、反饋敏捷，對外則呈現出整體特性，要研究系統內各模塊發生變化時對整體特性的影響。
(4)目的性。組合式工業機器人系統是為實現特定的目的而存在，具有一定的功能。集成并不是簡單地將各組成模塊聯接起來，而是模塊間的有機組合。
(5)環境適應性。一般情況下，系統與外部環境之間總有能量交換、物質交換和信息交換。環境對系統的作用為輸入，系統對環境的作用為輸出。作為移置機臺或物品的組合式工業機器人，物品對系統的作用為輸入，系統對物品的作用為輸出。這樣的機器人其工作特性不應受環境的影響，能在環境對系統的輸入發生變化時，通過調節系統的有關參數，始終使系統處于最佳運行狀態，實現對相似機臺或物品的移置。
2．3．2執行模塊的概念
一個用作實現直線運動或是旋轉運動的部件，要成其為“執行模塊”，一般情況下必須具備以下基本功能：(1)在伺服模塊傳送的“物質流”驅動下實現動作。(2)以“信息流”方式反映部件自身的位置(速度、壓力)狀態。具備以上功能，部件才能作為“執行模塊”直接參與集成。
2．3．3控制模塊和伺服模塊的研究
工業機器入組合式模塊化結構設計時是由控制模塊、伺服模塊、執行模塊和傳感器有機地結合起來，以實現整體功能的集成。這里的集成，并不是簡單地將各組成部分疊加，而是在控制模塊控制下，采用數據接口的方式，以實現各獨立模塊間的數據交換下的有機組合。其集成不僅是機械結構按一定坐標體系集成，更是控制模塊、伺服模塊與執行模塊間的有機集成。只有這樣，形成的整體才稱其為組合式模塊化工業機器人系統。圖4所示為工業機器人組合式模塊化設計系統集成框圖。
圖4 工業機器人組合式模塊化設計系統集成框圖
3工業機器人組合式模塊化結構設計樣機
根據上述思路，將功能模塊進行分解。參照機器人常用坐標配置方式，研制的電子氣動工業機器人樣機如圖5所示，它是綜合了圖1中圓柱坐標型和球坐標型配置方式的一種新的配置方式，稱為機座坐標下的混合坐標型配置方式。能實現5個自由度，分別為體旋轉、體升降、臂旋轉、臂伸縮、腕旋轉，其中體旋轉、臂旋轉自由度由步進電機驅動，體升降、臂伸縮、腕旋轉自由度由氣動執行件驅動，機器人的末端執行器手爪采用氣動夾持氣缸實現。所完成的電子氣動工業機器人樣機控制系統采用PLC，并通過人機界面(
觸摸屏)進行操作，具有可編程、易操作等特點。
所設計的電子氣動工業機器人在成組技術理論指導下，面對單元內相似件可適當調整參數或快速更換樣機中某些可換件，實現對單元內各相似物品的移置。與專用機器人相比具有柔性強、適應面寬等特點；與全功能通用機器人相比，具有成本低、性價比高、設計制造周期短等優點。
4結論及展望
綜合以上分析可知：將一個復雜的系統進行分解(或解“耦”)，拆分成若干個獨立的模塊，即將各種互相耦合在一起的因素分開，將多因素控制降階為單元素控制，是一種分解過程，也是一種創造過程，這是工業機器人采用組合式模塊化結構設計的一個關鍵步驟。而將分解的模塊再經過優化組合(或“耦合”)，特別是通過控制模塊、伺服模塊和執行模塊的耦合，最終有機集成為一個系統，這又是一個關鍵步驟。顯然，集成也是一種創造過程。工業機器人的組合式模塊化結構設計研究正是基于模塊基礎上的有機集成(耦合)和集成基礎上的模塊分解(解耦)。
在此研究基礎上，開發了用于轎車中立柱噴膠的氣動機器人，與國外引進可用于噴膠的機器人相比，具有優越的性價比。投入生產后，在穩定產品質量、減少環境污染、減輕工人勞動強度等方面取得了明顯的效益。
