摘要：機(jī)器人是制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵支撐裝備，我國(guó)機(jī)器人及核心零部件已形成較為完善的產(chǎn)業(yè)體系，機(jī)器人用控制器綜合性能指標(biāo)接近國(guó)際先進(jìn)水平，正向智能化、可擴(kuò)展、高可靠方向引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展。但在精密減速器、驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)領(lǐng)域存在精度保持性不足、可靠性低、運(yùn)行平穩(wěn)性和批量一致性差等關(guān)鍵 “卡脖子”問(wèn)題，無(wú)法滿足復(fù)雜高端領(lǐng)域應(yīng)用需求。對(duì)工業(yè)機(jī)器人核心零部件技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢(shì)進(jìn)行綜述，從精密減速器、控制器系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及測(cè)評(píng)方法 4 個(gè)方面對(duì)近些年國(guó)內(nèi)外研究成果和存在的問(wèn)題展開(kāi)討論，分析國(guó)內(nèi)機(jī)器人核心零部件的關(guān)鍵技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，找出發(fā)展痛點(diǎn)與根本原因，有利于在工業(yè)機(jī)器人核心零部件研制過(guò)程中實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破。

　　工業(yè)機(jī)器人是我國(guó)制造業(yè)的 “頂冠明珠”，在機(jī)器人核心零部件的研發(fā)制造上，我國(guó)在很多方面已經(jīng)接近國(guó)際頂尖水平，但一些核心技術(shù)仍無(wú)法滿足復(fù)雜高端領(lǐng)域應(yīng)用需求，如精密減速器的傳動(dòng)精度與壽命間競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制不清、控制器的動(dòng)力學(xué)辨識(shí)精度低、伺服系統(tǒng)多物理因素對(duì)極限轉(zhuǎn)矩的影響機(jī)制不清、先進(jìn)核心零部件測(cè)評(píng)技術(shù)體系缺失等，因此亟待開(kāi)展機(jī)器人核心零部件性能提升研究與應(yīng)用。

　　1、精密減速器

　　歐美、日本等工業(yè)強(qiáng)國(guó)長(zhǎng)期致力于高端機(jī)器人精密減速器研究。以日本哈默納科公司、納博特斯克株式會(huì)社為代表的減速器國(guó)際企業(yè)系統(tǒng)地開(kāi)展了齒形優(yōu)化設(shè)計(jì)、高精度加工工藝研究: 納博特斯克株式會(huì)社開(kāi)發(fā)的 RV-N、RV-C 等多個(gè)系列 RV 減速器，額定壽命超過(guò) 10 000 h，角傳動(dòng)精度不大于 1'; 哈默納科公司研制出CSF/CSG 等 20 多個(gè)系列諧波減速器產(chǎn)品，額定壽命超過(guò) 10 000 h，剛度下降率不大于 50%，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域，市場(chǎng)占比超 70%。國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)出一批以陜西秦川、深圳大族、重慶大學(xué)為代表的精密減速器企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)，在精密減速器領(lǐng)域取得了顯著的成就。重慶大學(xué)突破減速器多齒嚙合效應(yīng)和載荷分配機(jī)制，成果支撐國(guó)內(nèi)精密減速器的開(kāi)發(fā); 陜西秦川研制 BX 系列 RV 精密減速器; 深圳大族研制出雙圓弧齒的 LHS ( G) 、HMCS /HMHS 系列諧波減速器，額定壽命達(dá) 8 000 h，逐漸替代國(guó)外中高端產(chǎn)品。但在高端產(chǎn)品的精度保持性、可靠性、批量加工一致性方面仍有差距。

　　傳動(dòng)精度

　　由于 RV 減速器的曲軸存在制造和裝配誤差，此誤差影響了減速器的傳動(dòng)精度和效率，減速器的承載能力也大大降低。為了提高曲軸的設(shè)計(jì)精度，奚鷹等人通過(guò)分析曲軸偏心距對(duì)減速器的影響，建立減速器曲軸的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò) MATLAB 計(jì)算得出減速器的曲軸偏心距應(yīng)為 1. 3 mm，其誤差對(duì)精度的提高和減小回差間隙有很大幫助。減速器主軸的承載能力對(duì)其精度也至關(guān)重要。王超俊等通過(guò)分析主軸的受力模型得知，當(dāng)其接觸角在 30° ～ 50°中，主軸具有更大的承載能力。同時(shí)在主軸的設(shè)計(jì)制造中，應(yīng)重點(diǎn)控制其加工工藝，考慮加工經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，使其具有更好的使用性能。同時(shí)，WANG、MAO為了準(zhǔn)確測(cè)出 RV 減速器的傳動(dòng)誤差，搭建了各個(gè)模塊的機(jī)器人減速器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)測(cè)量?jī)煞N常見(jiàn)型號(hào)的減速器在不同條件下的傳動(dòng)誤差值，如圖 1 所示。分析得到誤差曲線，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到 RV 減速器的誤差隨著負(fù)載和輸入轉(zhuǎn)速的增大而增大，隨剛度的增大而減小，其中負(fù)載對(duì)其傳動(dòng)精度影響最大。而 YANG 等結(jié)合減速器的一級(jí)漸開(kāi)線齒輪減速和二級(jí)擺線針輪減速的嚙合特性，建立了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)誤差模型，通過(guò)數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)，更加詳細(xì)地解釋了原始傳動(dòng)誤差與輸出誤差的關(guān)系，得出各種誤差在減速器的傳動(dòng)誤差中所占比例，對(duì)減速器的傳動(dòng)精度研究具有很重要的理論指導(dǎo)價(jià)值。

　　故障診斷

　　機(jī)器人用 RV 減速器的故障診斷準(zhǔn)確率一直很低。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，陳樂(lè)瑞等利用非線性輸出頻率響應(yīng)核主元分析相結(jié)合的方法來(lái)診斷 RV 減速器的故障，其流程如圖 2 所示，通過(guò)批量估計(jì)法得到每種狀態(tài)的前 4 階頻譜值，然后利用這種新方法生成的數(shù)據(jù)傳給支持向量機(jī)分類器進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明: 這種方法較僅對(duì)振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域和頻域進(jìn)行測(cè)量的傳統(tǒng)方法準(zhǔn)確率有很大提升。劉永明等在此基礎(chǔ)上，利用旋轉(zhuǎn)機(jī)械測(cè)試信號(hào)周期演變特征和集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解 (EEMD) 可以有效反映數(shù)據(jù)周期性的特點(diǎn)，提出一種基于 EEMD 的粒子群算法 (PSO) 優(yōu)化的極限學(xué)習(xí)機(jī) (ELM) 故障診斷模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明: 這種模型能夠更有效地判斷出 RV 減速器的工作狀態(tài)。而藺夢(mèng)雄等對(duì)比分析以往采用的往復(fù)擺動(dòng)方式對(duì)精密減速器進(jìn)行受損故障分析的方法，發(fā)現(xiàn)采集的信號(hào)定位減速器的故障源非常困難，因此提出一種階次跟蹤分析方法，通過(guò)對(duì)減速器的非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行重新采樣，得到的平穩(wěn)角度域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變化，實(shí)現(xiàn)了變轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)工況下行星擺線針輪減速器的故障診斷。結(jié)果表明: 提出的階次跟蹤分析方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)行星擺線針輪減速器在時(shí)變工況下各重要零部件的故障定位，為擺動(dòng)疲勞實(shí)驗(yàn)故障的快速定位提供了指導(dǎo)和幫助。

　　動(dòng)力學(xué)仿真

　　為了進(jìn)一步探究機(jī)器人用 RV 減速器的動(dòng)力特性，奚鷹等人基于 Adams 強(qiáng)大的動(dòng)力學(xué)仿真能力，在通過(guò)金相實(shí)驗(yàn)得到 RV 減速器的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料屬性后，結(jié)合 MATLAB 計(jì)算得到了動(dòng)力參數(shù)，在對(duì)模型簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，得到了合理的減速器動(dòng)力學(xué)模型，且行星架上輸出值與理論值的誤差在 0. 8'之內(nèi)，最終得到具有較高精度的動(dòng)力學(xué)模型，如圖 3 所示。

　　盧琦、何衛(wèi)東基于多體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)，建立了軸承游隙、輪齒接觸、針齒與針齒槽接觸的動(dòng)力學(xué)仿真模型，考慮影響 RV 減速器角傳動(dòng)誤差的小周期因素，選取同一裝配尺寸鏈中的針齒中心圓直徑與針齒槽直徑，進(jìn)行誤差組合，并在額定工況下進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，分析角傳動(dòng)誤差的變化規(guī)律。YU 等分析了 RV 減速器產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩的特性和 RV 減速器的空載運(yùn)行特性，提出了一種利用奇異值分解濾波測(cè)量空載運(yùn)行時(shí) RV 減速器轉(zhuǎn)矩的新方法，以消除附加轉(zhuǎn)矩的影響，并分析其動(dòng)態(tài)。

　　為了更深入地研究減速器動(dòng)力學(xué)特性，龐杰、韓振南采用集中參數(shù)法，通過(guò)改變嚙合剛度分析了嚙合力的變化，隨著嚙合剛度的增加，在一定范圍內(nèi)，傳動(dòng)過(guò)程中的嚙合力更加穩(wěn)定，為 RV 減速器的故障診斷和優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

　　2、控制器

　　控制器是機(jī)器人的大腦，決定機(jī)器人功能和性能優(yōu)劣。奧地利 Keba、瑞士 ABB 等企業(yè)依托過(guò)去發(fā)展汽車產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，在機(jī)器人控制器領(lǐng)域形成了堅(jiān)固的技術(shù)壁壘。Keba 的 KeMotion 通過(guò)搭載 Automation Runtime 完成實(shí)時(shí)控制，支持 EtherCAT、SercosIII 等多種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線; ABB 將新一代力控方案融入到機(jī)器人控制器 IRC5 中，有效提升了機(jī)器人動(dòng)態(tài)響應(yīng)和運(yùn)動(dòng)精度。以北京航空航天大學(xué)、固高科技股份、廣數(shù)、華數(shù)、重慶大學(xué)等為代表的科研機(jī)構(gòu)助力國(guó)產(chǎn)機(jī)器人控制器取得重大突破，綜合性能指標(biāo)比肩國(guó)際先進(jìn)水平。北航提出了 6R 型工業(yè)機(jī)器人負(fù)載識(shí)別方法，重慶大學(xué)突破了未知網(wǎng)絡(luò)拉格朗日系統(tǒng)的分布式自適應(yīng)跟蹤控制策略，為研發(fā)高性能機(jī)器人控制器提供了支撐; 固高研發(fā)的驅(qū)控一體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)，在可靠性、柔性可擴(kuò)展特性上已經(jīng)比肩國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。隨著機(jī)器人向智能化、高響應(yīng)、高可靠方向發(fā)展，給控制器提出了更高要求，亟需突破控制器柔性可擴(kuò)展、高性能高可靠控制設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)高精度自動(dòng)辯識(shí)、高速穩(wěn)定運(yùn)行與振動(dòng)抑制等關(guān)鍵技術(shù)，如表 1 所示。

　　動(dòng)力學(xué)參數(shù)

　　目前主流的控制方式為 “運(yùn)動(dòng)控制”，這種利用機(jī)器人期望軌跡與實(shí)際軌跡的偏差進(jìn)行負(fù)反饋的控制方式，對(duì)高精度的機(jī)器人來(lái)說(shuō)可能存在運(yùn)動(dòng)抖動(dòng)的問(wèn)題。為了消除抖動(dòng)，研究人員采用 “動(dòng)力學(xué)控制” 的方法，利用 B&R 控制器良好的實(shí)時(shí)特性，獲得機(jī)器人各項(xiàng)數(shù)據(jù)并完成機(jī)器人靜態(tài)參數(shù)辯識(shí)，得到精確的機(jī)器人系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型后就可以保證機(jī)器人有更好的動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)了前反饋控制。

　　控制方式設(shè)計(jì)

　　自主可控的國(guó)產(chǎn)化替代是機(jī)器人控制系統(tǒng)必須盡快完成的，而國(guó)產(chǎn)化 CPU 在抗干擾性、穩(wěn)定可靠性和設(shè)計(jì)上需要豐富的經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新的技術(shù)能力相融合，為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。研究人員提出一種新的機(jī)器人控制器的硬件體系結(jié)構(gòu)，以通用的 IPC 為硬件平臺(tái)，操作系統(tǒng) Windows 為軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了 PTP 和 CP 兩種控制方式，并給出了 Windows 環(huán)境下編寫中斷服務(wù)程序的方法，如圖 4 所示。它相比于傳統(tǒng)控制器的上下級(jí)控制方式有很大的提升。

　　另外研究人員在機(jī)器人控制器抗干擾設(shè)計(jì)的動(dòng)力學(xué)方程的基礎(chǔ)上，根據(jù)云工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)的特性，設(shè)計(jì)了基于 DOB 技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)，大大提高了控制器的抗干擾能力。

　　3、伺服系統(tǒng)

　　伺服系統(tǒng)是機(jī)器人的動(dòng)力核心。目前國(guó)內(nèi)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)市場(chǎng)主要分為日系、歐美及國(guó)產(chǎn)三大類，主流產(chǎn)品有安川∑7 系列、三菱 J5 系列以及科爾 摩根 AKD 系列、匯川 SV660 系列、禾川 X6 系列。但在高端伺服領(lǐng)域，國(guó)外產(chǎn)品仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，日系安川、三菱、松下和德系西門子等國(guó)際品牌市場(chǎng)占比超 75%。以安川∑7 為代表的伺服系統(tǒng)全系列最高轉(zhuǎn)速達(dá) 6 000 r/min，齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小于 1%，具備 3 倍以上過(guò)載能力，以及 500 Hz 以上、幾十赫茲以下高低頻振動(dòng)強(qiáng)化抑制能力，轉(zhuǎn)速波動(dòng)小于 0. 1%?！笆濉币詠?lái)，以禾川股份、廣數(shù)、華數(shù)為代表的科研機(jī)構(gòu)推動(dòng)國(guó)產(chǎn)伺服系統(tǒng)迅速發(fā)展。禾川股份研制的 X6 伺服電機(jī)全系列在性能指標(biāo)上接近國(guó)際先進(jìn)水平，最高轉(zhuǎn)速達(dá) 6 000 r/min，具備 3 倍以上過(guò)載，齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小于 1%; 廣數(shù)伺服控制器通過(guò)自適應(yīng)濾波器在線參數(shù)配置來(lái)抑制 100 Hz 以上高頻諧振，轉(zhuǎn)速波動(dòng)小于 0. 5%。但國(guó)產(chǎn)伺服系統(tǒng)在功率密度、轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面難以滿足市場(chǎng)高端需求，亟需突破以形成國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)，如表 2 所示。

　　4、測(cè)評(píng)方法

　　更加完整的測(cè)評(píng)體系已逐漸成為工業(yè)機(jī)器人競(jìng)爭(zhēng)的風(fēng)向標(biāo)。日本納博、安川、奧地利 Keba 等零部件企業(yè)采用企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展可靠性和性能測(cè)評(píng)驗(yàn)證，測(cè)評(píng)條件和方法對(duì)外封鎖，形成了較強(qiáng)的技術(shù)壁壘，能夠確保產(chǎn)品的批量生產(chǎn)一致性和高可靠性?！笆濉币詠?lái)，國(guó)評(píng)中心 ( 重慶凱瑞機(jī)器人) 建成了核心零部件性能測(cè)試平臺(tái)，制修訂標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 50 余項(xiàng)，占比超 60%，實(shí)現(xiàn)機(jī)器核心零部件性能測(cè)試技術(shù)體系從 “無(wú)”到 “有”，積累了大量數(shù)據(jù)。但現(xiàn)有體系主要引用國(guó)際通用性能、安全標(biāo)準(zhǔn)，存在測(cè)試驗(yàn)證時(shí)間長(zhǎng)、關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)測(cè)試精度不高、數(shù)據(jù)挖掘利用不充分、高水平一致性測(cè)評(píng)方法不足等問(wèn)題，尚未形成保障先進(jìn)水平核心零部件的測(cè)評(píng)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系?；谶@種狀況，上海大學(xué)張曦等人發(fā)明一種機(jī)器人幾何精度測(cè)評(píng)軟件，其工作流程如圖 5 所示，完善了機(jī)器人幾何精度測(cè)評(píng)方法和標(biāo)準(zhǔn)。

　　《中國(guó)制造 2025》出臺(tái)以后，雖然國(guó)內(nèi)的測(cè)評(píng)體系在不斷完善，但在研讀大量文獻(xiàn)后了解到國(guó)內(nèi)測(cè)評(píng)體系標(biāo)準(zhǔn)化仍存在很多不足之處。目前國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)如 ISO 9283、JB/T 8896、JB/T 10825 和 GB 11291 等通用標(biāo)準(zhǔn)存在測(cè)量工況少，無(wú)法準(zhǔn)確給出優(yōu)化建議以及 工業(yè)機(jī)器人精度、經(jīng)濟(jì)環(huán)保方面的測(cè)評(píng)，而國(guó)外采用企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)國(guó)內(nèi)進(jìn)行技術(shù)封鎖，使產(chǎn)品保障高一致性和高可靠性。目前機(jī)器人的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)得到了國(guó)家的足夠重視，最具權(quán)威的就是國(guó)家組建的 “四個(gè)中心+兩個(gè)平臺(tái)”，即國(guó)家機(jī)器人檢測(cè)和評(píng)定中心以及公共服務(wù)平臺(tái)，這些測(cè)評(píng)中心配置的設(shè)備如環(huán)境檢測(cè)平臺(tái)、振動(dòng)臺(tái) (見(jiàn)圖 6 (a) ) 、沖擊臺(tái) (見(jiàn)圖 6 (b) ) 以及電磁類檢測(cè)設(shè)備，都進(jìn)一步填補(bǔ)了我國(guó)測(cè)評(píng)系統(tǒng)的不足。

　　2025 年機(jī)器人行業(yè)營(yíng)業(yè)收入預(yù)計(jì)突破 5 000 億元，是我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)自立自強(qiáng)、換代跨越的戰(zhàn)略機(jī)遇期。研制具有國(guó)際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平的機(jī)器人核心零部件，構(gòu)建基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的零部件綜合性能評(píng)估數(shù)字孿生平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體集成及典型行業(yè)推廣應(yīng)用，形成高水平零部件技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，對(duì)提升我國(guó)機(jī)器人核心零部件產(chǎn)品國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力、推動(dòng)工業(yè)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、建設(shè)智造強(qiáng)國(guó)具有重要意義。

　　5、結(jié)論

　　我國(guó)研制的機(jī)器人核心零部件與國(guó)際同類先進(jìn)產(chǎn)品尚有差距，我國(guó)應(yīng)快速實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用高端機(jī)器人對(duì)核心零部件性能要求，突破制約我國(guó)核心零部件性能與一致性提升的技術(shù)瓶頸，建立與國(guó)外一流品牌綜合指標(biāo)對(duì)標(biāo)體系，搭建基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)零部件評(píng)估孿生平臺(tái)，研制機(jī)器人用精密減速器、控制器、驅(qū)動(dòng)器、伺服系統(tǒng)，性能達(dá)到同類產(chǎn)品國(guó)際先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)本體集成配套及推廣應(yīng)用，提升我國(guó)機(jī)器人國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力， 搶占國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)。

　　參考文獻(xiàn)略.