人工智能与工业机器人论文

在当今科技飞速发展的时代，人工智能与工业机器人的结合成为了工业领域的重要趋势。
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，可自动执行工作，靠自身动力和控制能力实现各种功能。其最早可追溯到 1920 年捷克作家卡雷尔・查培克在剧本《罗萨姆的万能机器人》中最早使用的 “机器人” 一词，剧中机器人 “Robot” 本意是苦力，是一种具有人的外表、特征和功能的机器，是最早的工业机器人设想。20 世纪 40 年代中后期，机器人的研究与发明得到更多人关心与关注。1954 年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利，该专利要点是借助伺服技术控制机器人关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。
人工智能时代的到来，为工业机器人带来了新的机遇。互联网技术取得巨大突破，大数据技术成为核心，为工业机器人产品性能的提升提供更加先进的技术支持。在工业机器人发展进程中，其操作趋于简易化，精准度更高，能够广泛应用在诸多领域，投入成本呈现不断降低的趋势。工业机器人主要包含本体、驱动以及控制三个系统，一种机器人的作用体现在对人类手、手臂的模仿，另外一种更具智能化，有效发挥仿生学的特征，能力更显多样化，自由度更高。
工业机器人在工业生产中发挥着重要作用。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。例如，工业机器人最早应用于汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上、下料和搬运。它能够代替人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作，代替人完成繁重、单调的重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。与数控加工中心、自动搬运小车以及自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现生产自动化。
总之，人工智能与工业机器人的结合为工业领域带来了巨大的变革，提高了生产效率和产品质量，降低了人力成本和劳动强度，未来必将在更多领域发挥更加重要的作用。

工业机器人的发展历程

工业机器人的发展历程可谓源远流长。1954 年，世界第一家机器人公司成立，美国发明家乔治・德沃尔和物理学家约瑟・英格柏格成立了 Unimation 公司。1959 年，世界第一台工业机器人 Unimate 诞生，它重达两吨，通过磁鼓上的程序控制，采用液压执行机构驱动，能精确到 1/10000 英寸。1961 年，世界第一台工业机器人应用于工业现场，在美国特伦顿的通用汽车公司安装运行，用于生产汽车的门、车窗把柄等硬件。
1973 年，第一台机电驱动的 6 轴机器人面世，德国库卡公司将其使用的 Unimate 机器人研发改造成第一台产业机器人 Famulus。1974 年，瑞典通用电机公司开发出世界上第一台全电力驱动、由微处理器控制的工业机器人 IRB-6。1978 年，美国 Unimation 公司推出通用工业机器人 PUMA，标志着工业机器人技术完全成熟，至今仍在工厂一线工作。同年，日本山梨大学的牧野洋发明了世界第一台 SCARA 工业机器人。1979 年，日本不二越株式会社研制出第一台电机驱动的机器人。1985 年，上海交通大学机器人研究所完成了 “上海一号” 弧焊机器人的研究，这是中国自主研制的第一台 6 自由度关节机器人。
我国机器人的研究起步较晚，先后经历了 20 世纪 70 年代的萌芽期、80 年代的开发期和 90 年代的适用化期。1972 年，中国科学院沈阳自动化所开始机器人的研究工作。1977 年，南开大学机器人与信息自动化研究所研制出我国第一台用于生物试验的微操作机器人系统。1985 年，我国第一台重达 2000 公斤的水下机器人 “海人一号” 在辽宁旅顺港下潜 60 米首潜成功。此后，我国研制的机器人相继问世。

人工智能为工业机器人带来的机遇

人工智能为工业机器人带来了诸多机遇。首先，在机器人和自动化中使用人工智能的趋势不断增长，生成式 AI 的出现开辟了新的解决方案。机器人制造商正在开发由生成式 AI 驱动的界面，允许用户使用自然语言对机器人进行编程，无需专门的编程技能。例如，工人们可以通过自然语言指令让机器人完成特定的任务，提高了操作的便捷性。
预测性 AI 分析机器人性能数据，确定设备的未来状态，实现预测性维护，节省制造商的机器停机成本。机器学习算法还可以分析来自多个机器人的数据进行优化，提高机器人的性能。
智能系统正在解决长期存在的技术障碍，如在异构网络和适应工作流程的操作系统上集成不同组件的挑战。新一代智能移动机器人使用实时、闭环控制，参与制造和组装产品、运输装卸组件、测试验证产品等，减少停机时间，提高制造过程中的效率。
随着人工智能越来越复杂，智能边缘被新技术强化，工业机器人的应用机会拓展到生产过程之外。比如在农业领域，无人拖拉机和智能引导的无人机勘测农田、种植作物、监测供水和植物健康以及收获农产品；在应急救援中，高度自动化的机器人消防机器人和车辆协助消防员在危险区域进行人工干预；外骨骼可以增强人类工人的力量和机动性；在空间探索中，无人太空任务和人工智能引导的机器人飞行器发挥关键作用。

工业机器人的系统组成

工业机器人主要由三大部分六个子系统组成。三大部分是机械部分、传感部分和控制部分。六个子系统可分为机械结构系统、驱动系统、感知系统、机器人 - 环境交互系统、人机交互系统和控制系统。
机械结构系统从总体上分为串联机器人和并联机器人。串联机器人一个轴的运动会改变另一个轴的坐标原点，早期工业机器人多采用串联机构。并联机器人一个轴运动不会改变另一个轴的坐标原点，具有刚度大、结构稳定、承载能力大、微动精度高、运动负荷小等优点。并联机构由手腕和手臂组成，手臂活动区域影响活动空间，手腕是工具和主体的连接部分。
驱动系统是向机械结构系统提供动力的装置。根据动力源不同，传动方式分为液压式、气压式、电气式和机械式 4 种。早期工业机器人采用液压驱动，但由于液压系统存在泄露、噪声和低速不稳定等问题，目前只有大型重载机器人等特殊场合使用。气压驱动速度快、系统结构简单、维修方便、价格低，但工作压强低，不易精确定位，一般用于工业机器人末端执行器的驱动。电力驱动是目前使用最多的一种驱动方式，特点是电源取用方便，响应快，驱动力大，信号检测、传递、处理方便，可采用多种灵活控制方式，驱动电机一般采用步进电机或伺服电机，也有采用直接驱动电机，但造价较高，控制复杂，和电机相配的减速器一般采用谐波减速器、摆线针轮减速器或者行星齿轮减速器。由于并联机器人中有大量直线驱动需求，直线电机在并联机器人领域得到广泛应用。
控制系统是工业机器人的 “大脑”，负责对机器人的运动和动作进行控制和协调。它接收来自传感器的反馈信号，根据预设的程序和算法，生成控制指令，驱动机器人完成各种任务。控制系统的性能直接影响着机器人的运动精度、速度、稳定性和可靠性。现代工业机器人的控制系统通常采用计算机技术、微处理器技术、传感器技术等，实现对机器人的实时控制和智能化管理。
感知系统相当于工业机器人的 “感觉器官”，可以让机器人感知周围环境和自身状态的信息。感知系统通常包括各种传感器，如视觉传感器、力传感器、位置传感器、速度传感器等。通过这些传感器，工业机器人可以获取工作对象的位置、形状、姿态等信息，以及自身的运动参数和状态信息，从而实现对工作过程的精确控制和自适应调整。

工业机器人在工业生产中的作用

工业机器人在工业生产中的作用非常显著。首先，它可以提高生产效率。工业机器人能够自动执行重复性的生产作业，如装配、焊接、涂漆等，大大减少了人工操作的时间和劳动强度。同时，机器人可以连续工作，无需休息或停机，进一步提高了生产线的生产效率和产量。
其次，降低人工操作错误率。工业机器人可以精确地执行任务，提高生产的准确性和一致性，避免了人为操作的误差。这有助于提高产品质量，减少不良品率。例如，在汽车制造行业，工业机器人可以精确地完成焊接、装配等任务，确保汽车的质量和安全性。
工业机器人还可以承担危险和恶劣环境下的任务。例如，在一些化工、冶金等行业，工作环境可能存在高温、高压、有毒有害气体等危险因素，工业机器人可以替代人类完成这些危险任务，保障工人的生命安全。同时，在一些高精度任务中，如电子芯片制造等，工业机器人也能发挥重要作用。
保证产品一致性和可靠性。工业机器人可以保证产品的一致性，以及产品的可靠性和安全性。通过精确的检测和检验，机器人可以确保产品的尺寸、形状、颜色、质量等各种指标符合要求。例如，在食品加工行业，工业机器人可以确保食品的包装质量和卫生标准。
提高工作效率。工业机器人可以替代人力完成繁琐的重复性工作，让工人们能够将更多的时间和精力投入到更有价值的工作中。例如，在一些物流行业，工业机器人可以自动完成货物的搬运、分拣等任务，提高物流效率。
提高工厂安全性。工业机器人可以减少在危险环境中的人力，提高工厂安全性。例如，在涉及有毒气体或高温等危险环境的工作中，机器人可以替代人类完成工作，从而保障工人的安全。

人工智能与工业机器人结合的未来发展

人工智能与工业机器人的结合具有广阔的未来发展前景。以沈阳新松机器人自动化股份有限公司为例，该公司近期主动发布了与 AI 技术结合的机器人项目，展现了智能化制造的前沿趋势。这种机器人通过自主学习和实时数据分析，能够在复杂环境下进行高效的任务执行，为传统制造业注入了新的活力。
新松的机器人系统利用 3D 视觉技术，对焊接等工序进行自动监控和精准打磨。这一技术的成功实施，使得企业能够在保证产品质量的同时，减少人工成本和错误率。与传统机器人依赖于预设程序不同，AI 驱动的机器人能够通过深度学习不断优化自身的操作，形成独特的学习曲线，这使得企业在技术投入与产出比上看到了更为可观的收益。
在未来，人工智能与工业机器人的融合将为传统制造行业带来颠覆性的变化。在 AI 驱动的自动化生产线中，机器人不仅可以执行重复性工作，还能参与到决策过程中，帮助企业进行实时调整和优化。同时，随着市场需求的变化，个性化生产将成为可能。企业应该及时调整战略，以应对市场挑战，从而在竞争中取得优势。
此外，政策和法规的完善也将为机器人技术的应用提供更为清晰的方向，促进行业的良性发展。人工智能与工业机器人的结合不仅提高了生产效率，也在技术层面推动了行业的进步。然而，面对市场波动和技术挑战，企业需不断调整应对策略，以掌握发展主动权。未来，机器人技术将越来越多地应用于各个行业，影响我们的生活和生产方式。
综上所述，工业机器人的发展历程见证了科技的不断进步，人工智能为工业机器人带来了新的机遇，工业机器人的系统组成复杂而精密，在工业生产中发挥着重要作用，人工智能与工业机器人的结合将引领未来制造业的发展。