01机器人在工业领域的应用

图1：根据国际机器人联合会（International Federation of Robotics,简称IFR）发布的《世界机器人报告》，2018年全球共交付了42.2万台机器人，创纪录地达成了165亿美元的销售额。

   凭借始终如一的精度和速度，可以不知疲倦地全天候工作，以绝对的可靠性来执行单调的任务——这只有机器人才能做到。机器人性能卓越，在许多工业领域中，实践证明机器人是行之有效、经济实用的解决方案，因此在世界各地获得了越来越频繁的运用。根据国际机器人联合会（International Fedration of Robotics，简称IFR）发布的《世界机器人报告》，2018年全球共交付了42.2万台机器人，预计2020年至2022年间，年均增长率将高达12%。

02-各式各样的机器人

图2：协作机器人是专门为与人直接合作而设计的

机器人采用了各种设计和尺寸，具备不同的力量范围和精度等级。形形色色的机器人应用领域也逐渐催生了丰富多样的机器人种类。典型工业应用的示例包括

搬运机器人：可用于移动各种类型的部件，通常用于装卸重型物体，并能仿照人类执行非常快速或精确的运动序列

打托盘和拆托盘机器：可自动对货车上的托盘和包裹进行装卸

焊接机器人：可进行点焊或路径焊接，在焊接车身的汽车生产线中尤为普遍

粘合机器人：例如，可将汽车挡风玻璃插入专门预留的主体开口处

喷漆机器人:在汽车行业也经常使用

装配机器人:可组装单个组件以形成最终产品或子系统

许多其他专为执行特定任务而设计的机器人:如清洁、去毛刺、测试、测量、标记、贴标以及表面处理等

此外，还有一种特殊的机器人已经在工业领域发展了好几年：即所谓的合作机器人或协作机器人（英文简称为Cobot），它们经过专门设计，可直接与人合作，并能在复杂或非完全自动化的任务中提供支持。由于这种机器人需要与人密切合作，因此存在特殊的保护法规，以避免它们危害工作人员的安全。

03-根据运动学进行分类

图3：并联机器人

根据运动学，可以将工作机器人分为不同的类别

高架式机器人:采用龙门式设计进行建造，通常体型较大，特别适用于运输任务

铰接臂机器人:(通常也称为连接臂机器人)采用串联轴设计，特别适用于复杂的运动序列。按照可用的轴数，可以进一步对铰接臂机器人进行区分，通常最多为六轴。

采用平行轴设计的机器人:包括六足机器人和并联机器人。这些机器人大多非常轻巧和快速，通常适用于包装、分拣和装配任务。

根据应用领的不同，还有其他机器人类别，如双臂机器人或SCARA机器人。通常双臂机器人的设计有效负载较低，最高为20kg；而SCARA机器人全称是“选择性合规装配机器臂”，工作精度通常非常高，例如它可以将工作从定义位置移动到装配位置，并在那里将部件连接在一起。

    04-将夹具作为连接物体的接口

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图5：在机器人中，使用真空夹具来拾取物体的做法非常普遍

在移动物体之前，机器人必须首先抓住物体。机器人在各种应用领域中需要处理形状、尺寸和重量各异的部件。因此，机器人自然需要多样化的夹持系统，以及运用不同的基本物理原理。

机械夹臂:种类多不胜数，包括简单带有两个夹手的平行夹和角夹，以及具有大量夹持元件的夹具型号。

磁性夹具:可以使用磁吸力来安全地固定铁磁物体。这种类型的夹具通常采用由压缩空气或真空进行控制的永磁体。它们的设计相对精巧，具有高握持力的特点。

真空夹具:可通过负压和合适的吸盘来提供必要的握力。使用真空夹具的先决条件是物体表面要光滑，并且材料尽可能不透气，以便能牢固地拾起被夹住的物体，避免在通过处理装置进行移动的过程中丢失物体。

05-复杂编程

图6：使用操作终端来教导机器人相对较为耗时，因此有越来越多的人使用离线编程法。

    为了以所需的速度精确地移动到指定位置，并执行加工或抓取操作，用户必须先对机械控制器进行编程。用户可以通过各种编程语言访问机械控制器，以便更轻松地创建所需的运动配置文件。

    在机器人编程中，主要分为离线编程法和在线编程法。离线编程有许多不同的方法，包括文本法和3D模拟法等等，所有这些方法都旨在尽可能准确地虚拟映射出机器人、控制器以及所需运动序列，同时消除与相邻系统的碰撞风险。机器人在进行离线编程时，尚未集成到系统中的最终位置。

    与离线编程法不同，如果用在线编程法来对机器人进行编程或调整，就需要工厂停产或中止生产过程。直接在工厂中进行机器人编程时，最常见方式是使用操作终端来让机器人掌握所需的运动和位置。但是，此过程耗时很长，因为机器人必须缓慢移动到各个位置，并确认储存。在设置过程中，必须停止相关系统部件的生产作业。

    因此，为了尽量减少停产时间，多年来机器人编程的趋势转向虚拟编程法和采用适当的模拟工具。此外，编程机器人的工具正变得越来越简单，并且有越来越多的员工，即使不具备多年的相关领域经验，也能顺利操作编程工具。新的软件产品借助图形化编程界面，可以大大简化调试的难度，例如一家位于斯图加特的公司开发的drag&bot软件。此外，目前人工智能的趋势也影响到了机器人领域。机器人已经获准在一定限度内自行做出决定，并且可以在很大程度上独立解决不可预见的情况。

06-发挥视觉力量，实现更多功能

    现代工业机器人通常采用了一定数量的传感器技术，例如，检测夹住的部件是否到位。但是，传统传感器所采集到的数据仅能提供有限的信息。这时，配备图像处理系统且能以这种方式收集和评估更多详细信息的系统就能提供明显的优势。将机器人与视觉系统相结合，就能够基于经过评估的相机图像来形成更好的决策基础，让视觉机器人可以灵活应对不可预见的情况。普通的机器人还可能导致高昂的成本和增加停机时间，例如，机器人可能会因为错误的移动而损坏工件或其他自动化设备。在这种情况下，相机系统也可能有助于提高集成了机器人的工厂的可靠性。

    除了避免此类不良状况外，“具备视觉能力的机器人”还具有许多其他优点：它们可实现更灵活的流程，因为经过评估的图像数据可用于精确地控制机器人的移动。如果不使用图像处理技术，当组件未能完全达到在机器人预定的组件拾取位置，那么就连从定义位置拾取组件的简单任务也无法完成。在许多情况下，这个问题不会给配备视觉系统的机器人系统造成困扰：相机可以对定位不正确的组件进行拍摄，随后系统会评估图像，计算出组件的位置偏差，并将校正的2D或3D抓取坐标传输到机器人控制器。在存在流程限制的情况下，此方法可确保机器人能安全地拾取组件。

07-箱盒取物中的拾取和放置

图7：拾放型机器人可以拾取零件并安全地放到其他位置，不会出现疲劳作业，可实现最大化的精度。

    许多生产制造公司中存在很多不断重复的任务，包括拾取、定位以及加工完毕后的工件存放。人们用“拾取和放置”这个术语来表示拾取零件和之后的零件存放步骤。借助特殊的搬运设备或合适的机器人，就可以安全进行搬运，不会出现疲劳作业，可实现最大化的精度和经济效益。

    如果要抓取的组件并非总在同一位置拾取，那么将拾放机器人和视觉系统相结合就能强强联合：视觉系统负责检测要拾取的零件的位置偏差，并将此信息传输到机器人控制器。在此基础上，拾放型机器人就能轻松移动到已校正的夹持位置，安全地拾取零件并将其送到下一个处理步骤。

    难度最大的拾取组件应用就是箱盒取物：需要使用精密复杂的视觉系统与机器人配合，在容器中抓取重量不等、无序排放的部件。视觉系统会检测下一个可抓取的组件，确定其确切的3D位置，并将此信息传输给机器人。按照技术现状，如果不借助图像处理技术，在许多情况下无法完成箱盒取物的任务。

08-正确的视觉系统设置至关重要

图8：由于机器人在不断地移动，应该使用特殊的线材甚至是抗扭转抗弯折的拖链。

    在特定应用中，使用哪种图像处理系统来与机器人配合最理想，这要取决于几个因素。这里要考虑的基本标准是相机在系统中的位置：例如，相机可以固定安装在机器人单元上方（“离臂安装”），或直接装到机械臂上（“臂上安装”）。在第二种安装方式中，机器人的“视野”非常接近动作或夹具，这要求相机的重量要尽可能保持最低，但在加速度和振动方面相机需要具备很强的耐受能力，并且设计周全、布线良好，能充分适用于机器人情景。

    在采用“视觉”机器人之前，还必须回答一个基本问题，即常规光学工业相机或所谓的智能相机是不是更适合该任务。在智能相机中，采集的图像可以直接在相机内进行分析，而工业相机需要将图像传输到PC系统进行分析。因此，工业相机通常比智能相机具有更高的图像处理精度和速度。这两种架构优缺点各异，所以要综合考虑多方面的因素，例如：所需的精度、处理和移动速度、工业环境类型、视觉系统所需的保护等级、机器人的承重、首选的通信接口以及附加限制条件等等，才能知道哪个图像处理系统是相关应用的最佳解决方案。

    然而，要在机器人中成功运用视觉系统，相机并不是唯一决定性因素。对于每个机器视觉系统而言，光源是重要元素。只有按任务需求，将光源调校到最佳状态，相机才可以采集到质量合格的图像，并随后提供可靠的评估结果。所用的光学配件在图像采集中均发挥着重要的作用。在采用“臂上安装”结构的机器人视觉应用中，其中一个注意事项是，必须确保震动和加速度不会导致出现设置的变化（如光圈改变等）。自动对焦镜头是解决频繁更改工作距离的有效解决方案。特别是在臂上安装相机的应用中，即使是视觉系统的布线也会对整个系统的稳定性产生重要影响：由于机器人在不断地移动，应该使用特殊的线材甚至是抗扭转抗弯折的拖链，才能长期保证通信功能正常运作。

09-让机器人视觉技术变得简单轻松

‍‍‍‍‍‍除了要为“视觉”机器人选择出色的视觉硬件外，软件在系统的成本效益方面也起着关键作用。通常，机器人可能需要装配夹具和相机，有时甚至是光源系统，每种部件都会使用自有的控制器。因此，要整合所有涉及的子程序、编程和控制，并确保各级通信功能的顺利运作，这都需要经过周全的设计固化。在很大程度上，实施这类系统的总费用往往取决于开发时间的长短。因此，最重要是使用适当的软件和编程工具，并以最省力的方法来解决复杂的任务。

部分图像处理组件制造商多年前就意识到，将机器人和图像处理技术相结合可以带来机遇。为了让用户更轻松地融合这两项自动化技术，现在可以通过软件来实现图像处理技术和机器人的交互。Basler正致力于在这个领域开辟新天地，并已为开源项目ROS（机器人操作系统）开发了不同的相机驱动程序。ROS包括软件库和工具，可支持开发各种机器人应用程序，并能为不同的机器人平台提供开发工具、算法和驱动程序。ROS可以并行处理大量可执行文件，并在现有系统之间同步或异步交换这些文件。在实际操作中，这些数据通常是从芯片查询生成的，在处理后可用于触发特定的机器人操作。通过提供兼容ROS的相机驱动程序，Basler让用户能够轻松地在机器人应用中使用GigE和USB 3.0相机。‍‍‍

10-行业机遇

实现具备视觉功能的机器人绝非易事。然而，机器人的高可靠性、高精度和始终如一的表现带来了非常吸引人的机会，并且事实证明在系统设计中增加视觉技术是值得的投资。因此，机器人视觉技术已成为许多不同规模的公司不可或缺的生产元素，在许多工业应用领域都实现了创新、灵活和经济的解决方案。