0引言
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，靠自身动力和控制能力来实现各种功能，是一种能自动执行工作的机器。工业机器人具有工作效率高、稳定可靠、重复精度好、能在高危环境下作业等优势，在传统制造业、特别是劳动密集型产业的转型升级中将发挥重要作用[1]。汽车行业属于技术密集、资金密集、劳动密集型行业，工业机器人在冲压、焊装、涂装、总装四大整车生产车间均有不同程度的运用，在面临转型升级的当下仍有巨大发展空间，尤其对于劳动密集、机器人运用程度较低的总装车间。为此，本文就工业机器人的构造及发展进行梳理，对其在汽车总装车间的应用难点进行说明，并对其在汽车总装车间的推广方向进行探讨。
1工业机器人概述
1.1工业机器人历史发展工业机器人，美国机器人协会定义为：“用来进行搬运机械部件或工件的、可编程序的多功能操作器，或通过改
变程序可以完成各种工作的特殊机械装置”[2]
。
已知最早的工业机器人，是1938年3月Meccano 杂志登载由格里菲斯P ·泰勒设计完成的搬运机器人（如图
1）。该机器人几乎完全是用吊车状装置构成，由单个电动机提供动力，可实现五轴的运动。1956年创立的世界上首个机器人制造公司制造出了称为“Unimate ”的机器人。这是全球第一台数字化可编程的现代工业机器人，采用示教再现形式生成程序，程序可记忆和重复。1969年“斯坦福机械臂”机器人被发明，这是一款全电动6轴铰接式机器人，在可达空间内可以设计机械臂的任意运动路径。1973年，ABB 和KUKA 将工业机器人推向市场。ABB 的IRB 6是世界上第一款微处理器控制全电动的商业化工业机器人。KUKA 的第一代机器人称为FAMULUS ，具有6个驱动轴。在1970s 后期，许多公司进入了工业机器人制造领域，进入行业快速发展时期。目前，国际工业机器人领域四大标杆企业分别是瑞典ABB 、德国KUKA 、日本FANUC 和日本安川，它们的工业机器人本体销量占据了全球市场的半壁江山，也几乎占据了主流汽车整车制造领域运用的所有份额
。
图1搬运机器人
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—作者简介：钟和辉（1979-），男，江西大余人，工程师，本科，研究方
向为汽车装配技术。
图4底座零件仿真验证
图
对开发成功的系统进行了验证。
参考文献:
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图5零件成品
图
工业机器人在汽车总装车间的应用
钟和辉；吴耿雄；李晓东；秦子铭
（广汽本田汽车有限公司总装部，广州510700）
摘要：对工业机器人的构造及发展进行了梳理，对其在汽车总装车间的应用难点进行说明，并对其在汽车总装车间的推广方向进
行探讨。
广汽本田汽车有限公司关键词：工业机器人；汽车；总装车间
1.2工业机器人组成结构工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。
主体即机身和执行机构，执行机构包括臂部（手臂）、腕部和手部（如图2），有的机器人还有行走机构。从执行机构来看，工业机器人总体上分为串联机器人和并联机器人（如图3）。串联机器人的特点是一个轴的运动会改变另一个轴的坐标原点，而并联机器人所采用的并联机构，其一个轴运动则不会改变另一个轴的坐标原点。大多数工业机器人有3耀6个运动自由度，六自由度机器人已具有完整空间定位能力，可到达作业范围中的任意位置。自由度多于6的机器人，多余的自由度可用来改善机器人的灵活性、运动学和动力学
性能，提高避障
能力。
图2机器人主体
图3串联机器人和并联机器人
驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构
产生相应的动作，主要包括液压驱动、气压驱动和电机驱动。由于液压系统存在泄露、噪声和低速不稳定等问题，并且功率单元笨重和昂贵，目前只有大型重载机器人、并联加工机器人和一些特殊应用场合使用液压驱动的工业机器人。气压驱动具有速度快、系统结构简单、维修方便、价格低等优点。但是由于气压装置的工作压强低，不易精确定位，一般仅用于工业机器人末端执行器的驱动。电机驱动是现代工业机器人的一种主流驱动方式，电源在工厂易于获得且稳定易控，结合直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机和直线电机等的不同特性的运用，具备速度快、精度高、结构简单、易于模块化的优点。
控制系统是识别机器人实时状态，并按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。一般由机器人操作系统（robot operating system ，ROS ）实现。ROS 提供标准操作系统服务，包括硬件抽象、底层设备控制、常用功能实现、进程间消息以及数据包管理。现有的机器人操作系统架构主要有基于Linux 的Ubuntu 开源操作系统，不同机器人厂家进行二次开发，形成不同的操作界面及程序模式。
2工业机器人在总装车间应用的难点在汽车整车生产冲压、焊装、涂装、总装四大车间中，工业机器人都有不同程度的使用。冲压主要以板材冲压成型为主，焊装以白车身焊接为主，涂装以白车身喷涂为主，其作业内容均相对比较集中，各工序作业内容基本一致，机器人方案通用化程度高，如在冲压车间的搬运机器人、焊装车间的焊接机器人、涂装车间的涂装机器人得到广泛的使用。而总装车间主要工作是汽车整车的装配，是按照生产线布置及组织形式，借助人工、设备、工具，把数以千计的各种零部件，按着一定的技术要求组装成整车的工艺过程，具有作业内容多、安装零件多、使用工具多、技术要求多等特点，在机器人的使用推广上存在较多困难。
2.1生产布置导致机器人定位困难根据汽车产品生产产量、产品结构特点、质量要求等不同，所采用的装配组织形式也不同。固定式装配，即装配的基础件安装在固定的装配工作台上或工作地的固定支撑架上，由一组工人将待装件按着工艺要求逐一安装到基础件上，一直到完成汽车产品的装配任务。流水装配，即借助于悬挂链、滑板链、板链等型式的输送装置（如图4），装配对象从一个装配车位到下一个装配车位，是按着一定的生产节拍（时间）要求，进行流动生产
。目前，大规模生产的
图4流水线输送方式
车间为确保效率及产量，大都采用流水装配方式。装配对象在按节拍流动，加之输送链的左右摆动及前后窜动，导致其位置不断变化，机器人难以与装配对象随动或建立稳定的相对位置，无法进行工作。
2.2零件多样导致机器人通用困难
总装车间需要安装数以千计的零部件，每个零部件形状千差万别，为了夹持固定零件，需为机器人对每一种零件都设计安装专用夹具，难以实现一台机器人安装多种零件，难以实现机器人使用的通用化及标准化。零部件材质也差异巨大，不但有底盘零件、支架、加强件等刚性零部件，也有线束、拉索、管路、饰件等柔性零部件，柔性零部件无法像刚性零部件一样夹持和安装。柔性零件的不确定变形，也使机器人无法实现重复定位的抓取及安装。
2.3装配复杂导致机器人控制困难
在总装车间，零件通过多种连接方式安装装配到车身上，如通过螺栓螺母连接、胶钉连接、卡扣卡爪连接、卡箍连接、扎带捆扎、不干胶粘合、过盈配合等。为完成安装，人员装配动作也是多种多样，按本田作业统计多达89种操作动作，而且各零部件的装配往往一个动作是无法完成，需要多种操作动作的组
合才能完成，这对机器人的动作模拟实现来说存在巨大的挑战。对于不同装配连接方式，也有不同的安装技术要求即品质要求，如力矩、距离、角度、间隙、段差，而且在许多的零部件装配中品质要求不单一，要同时保证多项品质要求，有时各项品质要求相互影响制约，需在装配时综合判断；对于过盈配合安装时，安装的力度还需要人手感觉的模糊判断。正是由于多因素的影响，每一次装配操作的均存在着差异，需综合判断、模糊判断，这正是机器人相比于人工的弱项。
3工业机器人在总装车间推广的方向
3.1提升生产线上装配车的定位精度
为克服流动生产线上装配车体定位困难的问题，虽无法将整个生产线进行静止定位，但可以通过设置快速进入、快速移出的车位设置，在连续流动的生产线节拍中，抢出部分时间，让在快进、快出车位中间的少数车位静止，从而实现少数车位固定式装配方式，形成静止作业区，以便于装配车体的定位，如图5。
由于承载装配车的输送链吊架或滑板数量众多，尺寸存在偏差，单是将装配车位停止，还不足以实现该车位每一台装配车的精准定位，还需对停止实现的机构进行优化及精度提升。例如对输送链移动方向的停止挡块由单向停止定位变更为双向定位夹紧、对非移动方向设置专门机构进行扶正夹紧等。以上措施均是将装配车体尽可能的通过各类夹具或夹持机构，固定到设定的原点位置。机器人则以此统一的原点
位置，定位装配车体进行相关的操作。
受限于夹持点数量及夹持机构的刚度有限，其定位精度也是有限的，对于有进一步定位精度要求的车位，就必须对定位情况进行实际测量，得出偏差值进行修正，以此进一步提高定位精度，如图6。可通过设置关键尺寸方向的光栅定位装置或激光测距装置，对夹紧的车位进行测量，得出其相对于理想原点位置的偏差，并将偏差值传递给机器人进行修正计算从而得出装配车体的实际定位位置。目前光栅定位及激光测距装置，正逐步被布置更为便利的视觉识别定位装置取代，通过摄像头对装配车体上尽可能相距远的至少三个特征点进行拍摄照片，将此照片与理想原点位置时特征点照片进行对比，得出特征点的位置偏差，并通过至少三个点的偏差数据计算出装配车整体的位置偏差，再反馈机器人进行修正
。
图6定位方式
3.2机器人主体与作业夹具接口的通用化
在总装车间为应对夹持安装多种零件，需设计制作多种作业夹具，但一旦将其中一个夹具固定安装在某台机器人上，则该台机器人只能夹持安装该夹具对应的零件，严重限制了该台机器人的通用性。即使是有些机器人在主体手部上安装2~3个夹具，也只是在一定程度上提升，但借鉴数字加工中心机床更换刀头的方案，则情况就大为改观。机器人本体与各类作业夹具间的连接设计为通用的手部接口，形成标准的模块设计，如将机器人本体设计为接口的公端、作业夹具设计为接口母端。机器人通过此通用接口，根据夹持安装零件的需要，与各类型作业夹具实现快速的自动连接，就如数字加工中心机床根据需要自动更换刀头一样。此设计思路在螺栓拧紧机器人方案中，通过通用接口快速更换不同的拧紧轴套筒，已有成熟的应用实践；在移栽搬运机器人方案中，也有大量通过通用接口快速更换托盘，搬运不同零件的应用实践。
图5静止作业区设置
图7机器视觉质量检查工作原理
3.3机器人感知实现装配要求的闭环控制
为实现总装车间零件装配技术条件复杂多样的要求，必须使用机器人感知技术对装配过程及结果进行检测。早期的机器人只能根据设定的程序或是根据示教轨迹，进行动作的循环重复。随着各类传感器技术的发展，机器人能通过传感器，收集感知各种自身内部状态，如角度、位移、速度、加速度、力和力矩等。并把状态从信号转变为机器人自身或者机器人之间能够理解和应用的数据、信息，从而实现机器人感知能力。机器人具备感知这些自身状态的能力后，就能够根据实时感知的信息对自身的动作进行及时调整，对出现的偏差进行及时修正，实现机器人动作过程的闭环控制，达成整车装配中更为复杂的技术条件。对一些相互影响的技术条件，如螺栓拧紧时的力矩和角度，也能实时检测并根据设定的权重算法或条件，进行综合判断及模糊判断。
而随着视觉识别技术的发展，机器人感知技术又上升了一个新高度。原有的传感器感知的都是机器人自身的状态信息，不是装配产品的实际品质信息，如间隙、角度、方向等，要感知识别这些信息又无法为每一台装配产品增设传感器，而视觉识别技术则解决了这一难点。在机器人上增设二维或三维摄像头，用其对装配产品的关键点进行拍摄照片，通过视觉识别技术进行测量或与标准照片进行比对，从而感知识别出装配产品的实际品质信息，并通过感知的信息对机器人的动作进行及时调整，修正偏差，实现了
机器人动作结果即装配产品最终品质的闭环控制。视觉感知技术，目前已是工业机器人感知的一个重要发展方向，目前已有通过机器视觉识别技术，替代人工质量检查的应用案例，如图7。
4结论
虽然汽车总装车间装配内容、要求、方法庞杂，但随着定位精度的提升、夹具接口的通用化提升、机器人感知技术提升，机器人已经能够逐步胜任汽车总装装配车间的工作。同时，结合机器人深度学习及模糊判断算法等人工智能技术的不断发展，将赋予机器人应对更为复杂场景的能力。
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