引言工業機械人自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。儘管各國對機械人的定義不盡相同，但都有可程式設計、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，工業機械人的研究和開發正突飛猛進，其應用領域進一步擴大。
我國機械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械人應用思路，開發低成本、高性價的實用型工業機械人。
1組合式工業機械人設計思路
目前機械人技術領域的研究工作從智慧型化程度來區分，主要分2個方向：一是全功能通用機械人的研究，追求高智慧型化，即在計算機控制下的視、觸、聽、嗅覺與肢體動作協調一致、高度擬人化的機械人；二是不過於強調機械人的智慧型化，提供**和效能都能令人滿意的簡易型機械人。
根據我國的實際情況，我們認為工業機械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、滿足使用者要求的機械人。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，先進並不等於實用。
(2)快速性。能夠在盡可能短的時間內實現機械人產品的快速製造，快速投放市場和發往使用者。
(3)高質量。能夠生產出品質優良的機械人產品，機械人配置中關鍵部件必要時可採用進口產品，只有***的機械人產品才能贏得使用者。
(4)低**。**往往是使用者購置機械人時考慮的首要因素。機械人開發應盡可能選用標準件、通用件，減少自製件，控制成本，能夠向市場提供**低廉的機械人產品。
(5)模組化。採用模組化的設計理念和配置組合、系統整合的製造思路。
綜上所述，工業機械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，面對生產線上的機台和單元間的物品移置的工藝要求或是裝配、噴塗等作業的工藝要求，利用模組化設計手段，選擇品質優良的控制模組以及執行模組，按一定的座標體系進行整合，實現工業機械人的快速製造。
其明顯的優點在於：(1)簡化了結構，兼顧了使用上的專用性和設計上的通用性。便於實現標準化、系列化和組織專業生產。
(2)縮短了研製週期。能適應工廠使用者的急需，在盡可能短的時間內，快速製造出功能實用的滿足使用者要求的機械人產品。(3)提高了效能**比。
採用優質功能部件整合的方式，有利於保證機械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，控制模組和伺服模組可根據機械人及相應周邊裝置的工作要求，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，為機械人提供了充分的柔性。
2工業機械人組合式模組化結構設計
2．1工業機械人結構配置方式及分析
圖l列出了幾種常規的工業機械人配置方式，按不同的座標進行配置可歸納為以下幾種：直角座標型、圓柱座標型、球座標型、關節座標型和平面關節型(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，也是組合式模組化工業機械人座標配置方式設計時所要借鑑和參照的方式。
通過對常用配置方式(常規座標型)的機械人的運動分析可看到以下兩點：(1)基本動作可分解為體公升降、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械人時，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組來進行整合。
這些部件可以作為乙個獨立的基本模組，也可以將幾個部件組合為乙個復合模組。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，模組的分解也是基於產品應滿足的功能要求下的模組分解。
(a)直角座標型 (b)圓柱座標型 (c)球座標型 (d)關節座標型 (e)平面關節型
圖1工業機械人常規配置方式
2．2工業機械人組合式模組化結構設計
對所要設計的工業機械人進行功能分析，劃分並設計出一系列通用的功能模組，並對這些模組進行選擇和組合配置，就可以構成不同功能，或功能相近但效能不同、**不同的機械人產品。可見，在工業機械人設計中，採用組合式、模組化設計思路可以很好地解決產品品種、規格與設計製造週期和生產成本之間的矛盾。工業機械人的組合式模組化設計也為機械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。
隨著敏捷製造時代的到來，模組化設計會越來越顯示出其獨到的優越性。工業機械人的組合式模組化設計過程見圖2所示，圖3列出了初步設計的工業機械人模組編碼結構示意。
圖2 工業機械人組合式模組化設計過程
2．3功能模組的整體整合
2．3．1以功能模組有機集成為前提的模組組合
在對各功能模組分解的基礎上，再將各功能模組有機整合到乙個系統中去，完成功能模組的整體整合，最終形成組合式工業機械人系統。從系統工程角度研究其整合，可見整合的組合式工業機械人系統具有以下屬性：
(1)集合性。組合式工業機械人系統是由兩個以上具有獨立特性的模組所構成。
(2)相關性。構成系統的模組之間具有相互聯絡，這意味著其中的乙個模組發生變化，都會對其他模組產生影響，因此，要研究各模組的影響範圍、影響方式和影響程度。
(3)整體性。組合式工業機械人系統應是乙個有機的整體，對內呈現各模組間的最優組合，使資訊流暢、反饋敏捷，對外則呈現出整體特性，要研究系統內各模組發生變化時對整體特性的影響。
(4)目的性。組合式工業機械人系統是為實現特定的目的而存在，具有一定的功能。整合並不是簡單地將各組成模組聯接起來，而是模組間的有機組合。
(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、物質交換和資訊交換。環境對系統的作用為輸入，系統對環境的作用為輸出。
作為移置機台或物品的組合式工業機械人，物品對系統的作用為輸入，系統對物品的作用為輸出。這樣的機械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引數，始終使系統處於最佳執行狀態，實現對相似機台或物品的移置。
2．3．2執行模組的概念
乙個用作實現直線運動或是旋轉運動的部件，要成其為「執行模組」，一般情況下必須具備以下基本功能：(1)在伺服模組傳送的「物質流」驅動下實現動作。(2)以「資訊流」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「執行模組」直接參與整合。
2．3．3控制模組和伺服模組的研究
工業機器入組合式模組化結構設計時是由控制模組、伺服模組、執行模組和感測器有機地結合起來，以實現整體功能的整合。這裡的整合，並不是簡單地將各組成部分疊加，而是在控制模組控制下，採用資料介面的方式，以實現各獨立模組間的資料交換下的有機組合。其整合不僅是機械結構按一定座標體系整合，更是控制模組、伺服模組與執行模組間的有機整合。
只有這樣，形成的整體才稱其為組合式模組化工業機械人系統。圖4所示為工業機械人組合式模組化設計系統整合框圖。
圖4 工業機械人組合式模組化設計系統整合框圖
3工業機械人組合式模組化結構設計樣機
根據上述思路，將功能模組進行分解。參照機械人常用座標配置方式，研製的電子氣動工業機械人樣機如圖5所示，它是綜合了圖1中圓柱座標型和球座標型配置方式的一種新的配置方式，稱為機座座標下的混合座標型配置方式。能實現5個自由度，分別為體旋轉、體公升降、臂旋轉、臂伸縮、腕旋轉，其中體旋轉、臂旋**由度由步進電機驅動，體公升降、臂伸縮、腕旋**由度由氣動執行件驅動，機械人的末端執行器手爪採用氣動夾持氣缸實現。
所完成的電子氣動工業機械人樣機控制系統採用plc，並通過人機介面(觸控螢幕)進行操作，具有可程式設計、易操作等特點。
所設計的電子氣動工業機械人在成組技術理論指導下，面對單元內相似件可適當調整引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。與專用機械人相比具有柔性強、適應面寬等特點；與全功能通用機械人相比，具有成本低、價效比高、設計製造周期短等優點。
4結論及展望
綜合以上分析可知：將乙個複雜的系統進行分解(或解「耦」)，拆分成若干個獨立的模組，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，這是工業機械人採用組合式模組化結構設計的乙個關鍵步驟。而將分解的模組再經過優化組合(或「耦合」)，特別是通過控制模組、伺服模組和執行模組的耦合，最終有機集成為乙個系統，這又是乙個關鍵步驟。
顯然，整合也是一種創造過程。工業機械人的組合式模組化結構設計研究正是基於模組基礎上的有機整合(耦合)和整合基礎上的模組分解(解耦)。
在此研究基礎上，開發了用於轎車中立柱噴膠的氣動機械人，與國外引進可用於噴膠的機械人相比，具有優越的價效比。投入生產後，在穩定產品質量、減少環境汙染、減輕工人勞動強度等方面取得了明顯的效益。
工業機械人概述
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