产业用机器人的历史

最早的产业用机器人，是通用机械手和专用机械手，主要是用于搬装材料开发的。后来，产业用机器人应用于喷漆、定位焊接。再后来，又广泛应用于孤光焊接、组装等领域。早期的产业用机器人，仅是确定多自由度位置的一种装置。这种装置在控制时，是在原来使用的数控机床上采用了位置伺服机构，控制装置只是将位置指令值传递给伺服机构。这时的位置指令值，不是像现在使用的那样，由显示数据来计算机器人的手之位置、姿势，而仅是通过示范方法并以规定的关节变位作为原来的指令值输出。机器人动作时的实际时间，也不具备经过距离的插入功能，而只具备执行确定位置的机能，不能将操作经过的距离编成机能。

因此，这类机器人的适用范围，只能实现确定位置这一机能，如材料搬装、点焊接，作业受到限制。在需要掌握如同喷漆那样的经过距离的作业控制时，机器人的手指尖要求具备人之手指那样的机能，这样就采用由人操作机器人的直接示教方法，通过该方法读取确定的每一时间间隔的关节变位，储存下来。机器人驱动时，是将存储起来的变位数据作为指令值，按每次取样时间输出给确定位置的伺服系统，采用这种方法，即使几分钟的作业也需要庞大的数据量，那时的控制装置，不能适应于长时间的作业。

类似这样的早期产业用机器人，与当时广泛用于组装自动化的空压离合控制大件组装设备没有多大差别，只是在确定位置上可能会使位点多一些，采用了可编程序。像这种水平的产业用机器人，基本上没有引进智能化技术，在定位上，是用限位开关作为传感器，以此用来作为顺序的转换信号。从这种状况中脱颖而出并形成手段的，是面世的英特尔8080型和莫特罗拉6800型计算机，它们均是代表性的8位微处理机。用这种微处理机示范，能将直线插入规定的位置之间，并将其结果以坐标形式转换成关节的变位，从而诞生了完成机器人经过距离控制的现代机器人控制方式。用于产业机器人的微处理器，是16位的装置，而现在又发展到32位。总的来看，目前正处于勉勉强强迈入产业机器人智能化境地的现状。

产业用机器人智能化的现状

所谓现代的产业用机器人智能化，是指用传感器控制机器人，作为传感器的代表例，可以列举视觉传感器和力觉传感器。

视觉传感器以及图形识别技术的实用化，是从面向半导体制造工艺的应用开始的。70年代，半导体的生产量扩大，回路的微细化的进震惊人，由人对应操作的作法越来越达到极限。因此，自动化的目的不仅仅是节省人力，而是作业本身不可欠缺自动化。当时，引进图形识别装置的唯一余地是只有屈从于价格非常高昂这一现实，而只有实现自动化，才能使产品的合格率大幅度地提高，自动化收到了很大的成效，被公认为取得巨大的成功。

在图形识别技术的应用方面，特别值得一提的是面向半导体制造工序的应用，如自动引线器。引线器，是管芯焊接在引线框上的一种正确求出所需硅片中定位焊接硅片的一种装置。从引线框与硅片的接合部位到不规则的反射一一对应，以硅片上的复杂图形为对象，提取焊接硅片等，这在当时是非常先进的技术，它对后来图形识别技术的开发产生过极大的影响。

在后来的半导体工程中，检验部门都是将图形识别技术的应用作为中心任务来抓。具有代表性的例子，是光掩模图形缺陷检查装置。所谓光掩模，是指用来将图形在半导体硅片上形成的一种底版，如在硅片上存在缺陷，则所制作的半导体就不合格。除半导体之外还有许多产业，这项技术适用于印刷电路板的图形检查和彩色阴极射线管的逆光掩模图形的检查等。

但从狭义角度来看，在产业用机器人方面，图形识别技术的实用化，并不是在前进道路上洒满阳光和鲜花的。在产业用机器人的应用领域，大部分局限在诸如喷漆、焊接、组装等人工容易操作的场所。在类似这样的领域，自动化的效果仅仅是省人力化，因此，不可能引进高价的装置。不可能针对各个动作而开发每一专门装置和技术以弥补人手不足的窘况。视觉技术面向组合作业自动化的应用，自十几年以前就已着手研究了，使其达到实用阶段，仅是近几年的事情，现在可以在市场上见到价格便宜的通用视觉装置。这类通用视觉装置，在许多情况下，为了降低造价没有配备在处理上复杂的阿拉伯数字，而是配置了能求出二进制值的图像面积、周边长、重心位置和2次力矩断面等的所谓SRI算法。此外，按二进制值格式的标准进行处理，也是一种固定的格式，它虽然#广泛应用于各种作业，但功能仍不尽理想。因此，采通用视觉装置，可以在限定扁平封装集成电路装配机、紧螺机等环境条件的同时，根据其条件，该应用范围就不只是局限于有限的几个方面了。

传感器推动了机器人智能化的进展，继视觉传感器后紧接着是力觉传感器即力传感器问世。当这些传感器适合于组装产业用机器人时，还只能根据精度确定产业机器人的价值。为解决这一问题，很早就曾考虑过，用力传感器器完成组装作业、检测工件间微细的相对位置，弥补精度不够的缺陷。其典型操作，是间隙少的孔口与轴的配合作业，在机器人研究的初期阶段，不少学者就梦想过用机器人实现配合默契的自动化作业。当初是用力传感器解决了这一问题。用日立制作所中央研究所开发的备有力传感器的命名“HI-T-HAND”的机器人，完成了比人工速度快得多的配合作业，这一壮举当时使不少人士为之震惊。然而，当时应用的视觉传感器还是非常原始的，是借助检测作用于工件的力来实行配合的，但利用传感器具有的动柔度，能较好地实现了组装配合。力传感器的动柔度由于非常大，得将力传感器安装在机器人的手腕部，所以这种传感器不能用于非配合作业的范围，从当时控制装置机能方面来看，配备了专用的数字控制技术。

在配合控制方面，以后又开发了遥控中心统一控制机构（RCC），采用力传感器的配合控制，在价格方面竞争不利，因此最后终未达到广泛推广应用之目的。但采用力传感器研究机器人控制技术的努力一直没有停止过。通过力、位置的混合控制手段、以动柔度操纵等为方式，已开发出通用性的数字控制技术。此外，微处理机也能对应于这种数字控制，实现某种程度的高度化、高机能化。不难看出，应用力传感器的机器人控制技术，是完全有可能达到实用化水平的。

力传感器是安装在刀具与机器人手指尖之间的，可以将作用于刀具上的力分为3个组成部分，并以3个力矩的形式进行检测。机器人的控制位置，包括力和力矩的信#如果刀具放在被加工的工件上，控制装置就能控制机器人的动作。

产业用机器人存在的问题

产业用机器人的意义应该是通用性的。一般，人们都把所谓机器人理解为“万能机械”。但在具体应用领域，产业用机器人应用的范围仅限于作业方面，因此，在某种意义上也是专用化机器人。其原因说法不一，主要原因是产业用机器人的精度不够和机能不足。

机器人机构，是一种近似开启连动的装置，是用悬臂式活动杠杆构成。因此，由于其结构上的高度硬性，在灵活性上相当困难。此外，由传动装置产生的输入，使臂腕的长度局部延长，从而确定作为输出的机械手的位置和姿势，对于以高精度为目的的控制来说，这是尚存在着的根本性问题。再者，在决定输入与输出及其关系的机构尺寸方面，由传动装置产生的各种误差送给机械手，因而在动力传递系统中存在着齿隙、滞后作用等非线性因素，使要确定的机器人位置精度恶化。由于这一原因，机器人在本身的接点坐标系数据之外，就不具备较好的动作精度了。也就是说，像数控机床那样用位置数据来控制机器人是困难的，比喻，在同一机种的机器人之间，不存在位置数据的互换性。因此，为驱动机器人，得用被驱动的机器人示教，必要时根据目标位置来示教机器人的接点坐标数据。

当将这种机器人投入多品种小批量生产流水线时，由于需要示教程序，故既费时间又使机器显得体积庞大，用机器人实现自动化的优点，由于示教所费的时间而难以体现出来。再者，由于离不开示教程序，从而给制造大规模采用机器人的自动化系统带来了困难。最近几年常见的课题是CIM（计算机集中处理），从CAD（计算机辅助设计）到生产流水线，始终是由数据来执行生产控制的，在这种系统中，机器人需要的示教程序几乎没有立足的余地。在目前机器人广泛应用的领域，这一问题已成为最大的制约因素。具有通用性的机器人，一般倾向于多品种、小批量的生产。现在的机器人几乎都活跃在大批量生产线上。

产业用机器人的未来前景

借助机器人实现自动化的领域，可以说已使自动化发展到了顶峰，没有什么潜力可挖，有待开拓的新的应用领域属于有待攻坚的领域，付出的努力不大，则必然不会使机器人在这一领域得到应用。以往的自动化，指工厂中生产现场部门的自动化，即所谓的“清一色”的用机器替代人作业的自动化。那时机器人所适应的作业，仅仅需要人的创造性知识，但机器人不需要智能。然而近年来，由于消费者的嗜好多样化，故无法应付单一品种的大批量生产，而产品寿命也越来越短，新产品的开发，生产工程及生产计划的筹划，都需要重新进行反复论证。因此，现场部门的自动化不会冒出惊人之举，而只能要求从开发、设计，到生产计划筹划、制造一贯到底的整个系统合理化、省人化。过去所说的FA（工厂自动化），作为比较大的系统，目前的方向是开发CIM（计算机集中生产）。在实现CIM时，必须增强整个流水线作业的透明度，推进作业的合理化、自动化，其中，多数作业也包括需要创造性知识。机器人也需要智能，例如，根据经验作出判断，自动确定操作，开发如同专家系统那样的人工智能，这一点是不容忽视的。

在CIM方面，得考虑产业用机器人的作用。根据生产计划决定的借助CAD（计昇机辅助设计）设计的产品，就CIM来说是自动发挥作用，完成产品加工、组合的。这时的作业指令，是通过计算机网络，由中央计算机将指令传递给自动机械控制装置。在类似这样的环境中，用人工来示教机器人，就不可能使机器人的外围装置根据操作情况来调整每一动作。有必要根据由CAD完成的设计数据，实现产业用机器人的控制s当使机能附加给机器人时，它必须能够自然对应于外围环境的微细变化。对此，笔者认为有必要开发以下的机器人技术。

作业记述形式的机器人语言

在将动作示教给初期的机器人时，要使整个动作与应示教的动作完全相同，按顺序完成动作，这时，必须使用示教架上的开关来操作机器人，但采用这种方法进行示教动作，需要费许多事，另外，以示教方式修正示教程序需做大量的工作。为了对应这些操作，目前开发了机器人语言。但现在的机器人语言，是用书写的动作记述形语言使指令一一对应于机器人操作的，仅仅记述了机器人动作顺序而已。采用CIM，是由CAD数据决定加工、组合的程序，将这些程序分解成机器人的动作，给机器人的控制装置发必要的指示、为此，在CAD系统中，要始终考虑组合设计方法，来完成加工、组合程序，这就需要产生用来控制机器人的语言或代码的装置。在这方面，引入像专家系统这样的人工智能之作法，是不可缺少的。

作业环境的自动识别

以CAD数据为原型编制机器人的动作顺序时，必须了解机器人外围设备的状况。采用视觉、图形识别技术等，要熟悉机器人的环境状况，将了解的情况结果编成动作顺序，传递给上一级计算机，或由上一级计算机将感知到的指令和外围状况结果加以综合，自动决定操作，根据修正情况，再根据由上一级计算机传递来的各种作业指令，扎扎实实地完成每一动作。

机器人的高精度化

用CAD数据驱动机器人，执行作业时，要求机器人保持绝对的位置精度。也就是说，作为直交坐标系位置的数据，要与上一级计算机送来信息相对应，转换成机器人的节点坐标系，并以该值为基础控制机器人，目的是必须按位置确定定点。因此，现在的产业用机器人只能保证再现精度，而绝对位置精度却非常恶化。其原因是：

（a）机构的尺寸误差。

（b）机构的关键部件柔软、变形。

（c）减速机存在齿隙滞后现象。

（d）动力传递系统，特别是减速机的非线性。

（e）检测器的非线性。

对这类问题采取的措施是：

（a）直接检测腕部的旋转角，控制补偿减速机的滞后现象、柔软等。

（b）使用高速传动电机，不用减速机。

（c）通过校准方式，正跔决定机构尺寸。

用传感器补偿位置误差

采用校准方式，能完成机构尺寸误差的补偿等，但只采取此法，欲求得高精度的操作是困难的。人们目前寄希望于各种传感器来解决这类问题。为补偿由于机器人机构的尺寸误差等造成的位置误差，需要正确了解部件之间的相对位置关系。能检测微细的相对位置关系的传感器，力传感器和接触式传感器较合适。采用这类传感器，能判断出作业时工件之间或刀具与工件之间的关系，但必须修正机器人的动作。采用这样的传感器时，根据机器人动作时的实际时间，处理来自传感器的信息，但需要修正机器人的动作。对此，处理机是能满足高速处理要求的。近年来由于微处理机的发展，有可能使机器人操作达到理想水平。

确保通用性

开发现代机器人系统，需要最多工时的是系统工程。现在的机器人不会以“单身汉”的形象出现了，它已成长为一个拥有外围设备的“一家之长”的成年人，开发机器人的外围装置需要许多工时。所开发的机器人系统，具有非常大的市场潜力，虽需要开发时间，但有可能收回开发费用。然而，在该市场规模不大的时—候，回收整个开发时所耗费的投资还不是那么简单。根据各种各样的作业，要求每一部机器人系统对应于一种作业内容，眼下还不具备大规模市场的潜力。在这方面，能用一个系统对应于多种多样作业，使机器人具有通用性的呼声比较强烈。特别是在机器人采用了传感器被赋予智能性、多机能化的情况下，硬件设备的成本必然会变得高昂。如果默认了这种高成本的现实，则开发工时仍不会减少。使机器人系统具有通用性，现在已经使大的系统工程不必耗用工时就能对应于各种作业了，当工时下降成分能回收硬设备的成本上升之成分时，则第一批智能机器人就可以投放市场了。

结束语

就具体承担的机器人研究、开发来说，机器人的智能化可以认为是最终目标。虽然机器人正处于投放生产现场阶段，但机器人的智能化、高机能化以及成本问题，常常使经营人感到最为棘手，笔者也属于对此颇感头疼的学者之一。作为一名研究人员，其志向是努力达到智能化、高机能化之目的，在机器人往实际生产线上应用时，其造价问题受到制约，结果制出的都是些似用非用的系统，这难道不值得反思吗？本论文是以一名机器人研究人员的身份，为推进机器人智能化、高机能化的研究而阐明自己观点的。现针对产业用机器人智能化的问题，笔者作一结论：

（a）智能机器人是必须开发的系统，预料使用该系统会带来大的经济效益。

（b）由于采用智能机器人，削减了开发工时，其削减成分能包括硬设备成本的上升成分时，则分为两部分。（a）当CIM已经投入现场应用时，在CIM中，FA系统是被控制的关键因素，智能机器人进一步推广应用的可能性将提高。目前所采用的（b）的方法，不得不使你推进智能机器人的实用化。因此开发时，通常考虑的通用性是重要的，目前技术开发的方向是，必须设法省去现在还需要的费工时的系统工程。

在产业用机器人智能化领域的竞争中，使人感到日美之间有很大差距。其原因之一是日美两国间操作人员的素质差别。美国的现场作业者虽能适应外围环境，适应示教方法，充分掌握灵活运用现有的低机能产业机器人，但运搬安装机器人时得由技术人员负责，投入现场后，为使机器人无故障工作，还要将相当多的机能附加给机器人。相形之下、日本的操作人员，不仅能适应于示教工序，而且能根据示教有创造性的使低机能机器人工作，独当一面。所以说，这也是日本产业用机器人得以广泛普及应用的原因之一。但，在智能机器人的研究方面，日本人有很大的热忱和动力，这恐怕也是其中因素之一。特别是在日本的公司内，好多情况都是免费供人们研究系统工程成本这一课题，让职员们尽心去考虑在引进高价智能机器人的同时，怎样使低机能的机器人仍能充分发挥大的经济效益。

作为一名智能机器人的研究者，我认为，正确估价工程的成本，需着手比较智能机器人与低机能机器人的成本，如果从事技术开发的智能机器人有经济效益、则必须以智能机器人的价值为基础形成初步报告。迄今为止，日本在机器人研究领域仍与美国差距很大，恐怕未来的机器人王国仍属美国，日本只不过是美国的设备供应国而已。

［《机械の研究》［日]1989年第4期］