摘要

　　工業(yè)機械臂是工業(yè)生產(chǎn)中的重要輔助工具，而六軸機械臂更是可以完成搬運、焊接、分揀等多種工作，是機械臂家族的重要成員。六軸機械臂組成包括機械結構和運動(dòng)控制系統，運動(dòng)控制系統的工作是通過(guò)控制機械臂的各個(gè)關(guān)節電機的旋轉使得機械臂按照約定的空間軌跡運動(dòng)。可以說(shuō)運動(dòng)控制系統是機械臂的核心部分，而運動(dòng)控制系統又分為控制系統和驅動(dòng)系統。控制系統通過(guò)對機械臂的路徑進(jìn)行規劃將機械臂空間運動(dòng)數據轉化成機械臂的關(guān)節角度信息，驅動(dòng)系統通過(guò)接受這些角度信息實(shí)現對機械臂關(guān)節的控制以實(shí)現機械臂的整體運動(dòng)。

　　本文主要工作是圍繞著(zhù)控制系統展開(kāi)，通過(guò)對一款輕量級六自由度關(guān)節機械臂進(jìn)行控制系統的設計。工作內容有，首先闡述了機械臂的運動(dòng)學(xué)理論，為構建運動(dòng)學(xué)模型提供理論基礎。其次通過(guò)機械臂的3D模型獲取機械臂的結構參數，運用這些參數來(lái)構建機械臂的連桿關(guān)系以實(shí)現關(guān)節坐標系的相對變換。根據標準的DH法來(lái)建立機械臂順向運動(dòng)學(xué)模型，并運用仿真軟件對該模型進(jìn)行仿真來(lái)驗證其正確性。基于順向運動(dòng)學(xué)模型實(shí)現機械臂的逆解建模用于求解機械臂的各個(gè)關(guān)節角度。最后通過(guò)單一形式的軌跡規劃算法實(shí)現了適合于機械臂三種工作方式的路徑規劃算法，并運用仿真軟件對這些路徑規劃算法進(jìn)行仿真，基于C#語(yǔ)言完成了對控制系統軟件的編寫(xiě)。

　　關(guān)鍵詞：六軸機械臂；運動(dòng)學(xué)；路徑規劃；運動(dòng)控制系統；運動(dòng)仿真

Abstract

　　Industrial robotic arm is an important auxiliary tool in industrial production, and six-axis robotic arm can complete various tasks such as handling, welding, sorting, etc., and is an important member of the robotic arm family. The six-axis manipulator consists of a mechanical structure and a motion control system. The work of the motion control system is to control the rotation of each joint motor of the manipulator to make the manipulator move in accordance with the agreed space trajectory. It can be said that the motion control system is the core part of the manipulator, and the motion control system is pided into the control system and the drive system. The control system converts the space motion data of the robot arm into the joint angle information of the robot arm by planning the path of the robot arm, and the drive system realizes the control of the robot arm joints by receiving the angle information to realize the overall motion of.

　　The main work of this paper is to develop around the control system, through the design of the control system of a lightweight six-degree-of-freedom articulated manipulator. The work content is as follows. First, the kinematics theory of the robotic arm is explained to provide a theoretical basis for constructing a kinematic model.

　　Secondly, the structural parameters of the robot arm are obtained through the 3D model of the robot arm, and these parameters are used to construct the linkage relationship of the robot arm to realize the relative transformation of the joint coordinate system. According to the standard DH method, the forward kinematics model of the manipulator is established, and the simulation software is used to simulate the model to verify its correctness. Based on the forward kinematics model, the inverse solution modeling of the robotic arm is used to solve the various joint angles of the robotic arm.

　　Finally, a single-form trajectory planning algorithm is used to realize the path planning algorithm suitable for the three working modes of the manipulator, and the simulation software is used to simulate these path planning algorithms, and the control system software is written based on the C# language.

　　Key words:six-axis manipulator; kinematics; path planning; motion control system; motion simulation

目 錄

　　1緒論

　　1.1引言

　　工業(yè)機械手臂是一種可以自動(dòng)完成特定任務(wù)的工業(yè)設備，研發(fā)這種設備的主要目的 是為了執行或替代人類(lèi)工作崗位中臟、累、危險的工作。機器人研究最早起源于美國的 阿貢實(shí)驗室，為了解決如何通過(guò)機械裝置來(lái)處理放射性物質(zhì)而研制出的簡(jiǎn)單的主從操作 遙控機械手。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀的發(fā)展，現代工業(yè)機器人已經(jīng)成為集計算機技術(shù)、光電機 體化、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、自動(dòng)控制理論及人工智能為一體的高新科學(xué)技術(shù)[1],是當代科學(xué)研究 非常活躍、應用逐漸廣泛的領(lǐng)域。工業(yè)機器人技術(shù)的出現替代了工業(yè)生產(chǎn)中單調重復以 及體力消耗較大的生產(chǎn)作業(yè)，提高了生產(chǎn)效率和完全避免了工作人員因疲勞而導致的工 作問(wèn)題。促進(jìn)了工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，推動(dòng)了人類(lèi)社會(huì )生活方式的變革[2].

　　1.2工業(yè)機械手臂的分類(lèi)

　　工業(yè)機械臂是擬人手臂，從結構上來(lái)說(shuō)一般機械手分為手臂、手腕、手三個(gè)部分。 但由于工作的內容和復雜性的不同，機械臂也分為很多種。

　　（1）直角坐標型機械臂：直角坐標型機械臂一般為 3 個(gè)自由度使的機械臂能在笛卡 爾坐標系中沿 X 軸 Y 軸及 Z 軸移動(dòng)如圖 1.1 所示。

　　直角坐標型機械臂機械結構簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)便，通過(guò)在 Z 軸的末端執行器上配置不同 的工具抓手可以運用在不同的工作領(lǐng)域。如工業(yè)碼垛，流水線(xiàn)上的檢測、上料下料、點(diǎn) 膠、包裝、噴涂、焊接等。直角坐標型機械臂結構主要有直線(xiàn)運動(dòng)單元構成，如圖 1.2 所示。

　　直線(xiàn)運動(dòng)單元驅動(dòng)系統一般分為三種，分別是絲桿驅動(dòng)、齒輪同步帶驅動(dòng)和直線(xiàn) 電機驅動(dòng)[3].圖 1.2 所示的直線(xiàn)單元結構就是電機配合滾珠絲桿帶動(dòng)滑塊的結構。這種 結構的工作原理是將絲桿的回轉運動(dòng)轉換成直線(xiàn)運動(dòng)。其具有摩擦力小、精度高等優(yōu)點(diǎn)。 但這種結構在受外力時(shí)容易產(chǎn)生變形，從而影響進(jìn)給系統的性能。齒輪同步帶驅動(dòng)的直 線(xiàn)坐標型機械臂其結構為在直線(xiàn)模組兩端的傳動(dòng)軸中安裝皮帶，并在皮帶上固定滑塊。

　　同步帶驅動(dòng)具有結構緊湊，成本低，維護方便等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)線(xiàn)性模組做往返運動(dòng)時(shí)由 于帶輪和皮帶之間存在一定間隙，從而導致重復定位精度不高。直線(xiàn)電機驅動(dòng)是通過(guò)特 殊結構的直線(xiàn)電機來(lái)驅動(dòng)滑臺，而直線(xiàn)電機主要運用特殊需求的工作當中如楊通一文[4] 當中提到的直線(xiàn)電機采油技術(shù)。

　　圓柱坐標型機械臂：一般由多個(gè)旋轉運動(dòng)和多個(gè)直線(xiàn)運動(dòng)的結構組成。一個(gè)機 械臂所具備的自由度越高代表這個(gè)機械臂動(dòng)作越靈活，結構也更加復雜。而在一些工業(yè) 生產(chǎn)中對于機械臂的自由度要求并不是很高。如圖 1.3 所示是一個(gè)圓柱坐標型機械臂的 3D 模型。在工業(yè)生產(chǎn)中圓柱型坐標機械臂常用于沖床取料和鍛造等重復性較高的作業(yè) 中，在陳永明一文中就將圓柱型坐標機械臂運用到針織圓緯機中代替人工接紗操作和除 絮步驟[5].

　　型機械臂：一般具有 4 個(gè)自由度，即 3 個(gè)轉動(dòng)一個(gè)線(xiàn)性運動(dòng)。如圖 1.4 所示是 H2W 公司的晶圓搬運 SCARA 型機械臂，在晶圓生產(chǎn)中晶圓搬運機械臂是一個(gè) 重要的設備，在晶圓生產(chǎn)及制作完成的過(guò)程中為避免晶圓與外界接觸而造成對晶圓的損 壞將晶圓成品及半成品放入晶圓盒中是一種有效的手段，而 SCARA 機械臂則大大提高 了晶圓存入晶圓盒和取出晶圓盒的效率[6].

　　（4）空間機械臂：空間機械臂在工業(yè)生產(chǎn)中不是很普及，主要運用在外太空作業(yè)。 空間機械臂根據長(cháng)度劃分為輕型、中型、大型等三類(lèi)。輕型空間機械臂長(cháng)度大概在 4-10m, 中型空間機械臂為 10-50m,大型空間機械臂長(cháng)度為 50m 以上。輕型空間機械臂的典型 代表有 1997 年日本工程實(shí)驗衛星 2VII 上安裝的 2m 長(cháng)的機械臂，其有 6 個(gè)關(guān)節自由度 配有攝像機等輔助工具。SSRMS 是加拿大研發(fā)的第二代大型空間機械臂，如圖 1.5 所示。

　　SSRMS 長(cháng)為 17.6m,具有 7 個(gè)自由度，自重約 1800kg,可抓取載荷約 116000kg.雖然 外形上與加拿大第一代空間機械臂類(lèi)似，但實(shí)際上 SSRAMS 相比第一代要復雜的多。 目前對空間機械臂的研究主要提留在避障和自主規劃中，而限制于實(shí)驗條件這些研究大多數只停留在仿真階段，就有學(xué)者寫(xiě)到了基于圓柱盒模型的空間機械臂避障仿真[7].

　　球坐標型機械臂：根據球坐標系所設計的結構，所謂球坐標系是三維坐標系中 的一種。在球坐標系中以方位角、仰角和該點(diǎn)到原點(diǎn)的直線(xiàn)距離來(lái)表示球坐標系空間中 點(diǎn)或線(xiàn)的位置。球坐標型機械臂一般由 3 個(gè)自由度構成，即一個(gè)移動(dòng)副和兩個(gè)轉動(dòng)副。 如圖 1.6 所示球坐標型機械臂的工作范圍，類(lèi)似于一個(gè)不完整的球型。其結構類(lèi)似圓柱 型坐標機械臂，相對于圓柱型機械臂其工作范圍更大，結構的密封性也更好。但其結構 也注定了它有工作死區[8].

　　關(guān)節型機械臂：其結構類(lèi)似人類(lèi)手臂，一般具備 4 到 6 個(gè)自由度。如圖 1.7 所 示是一個(gè)典型 6 個(gè)自由度關(guān)節型機械臂 PUMA560,該型機械臂是最典型的關(guān)節型機械 臂。結構上分為腰部、肩部、大臂、小臂和腕關(guān)節，分別對應著(zhù)機械臂的關(guān)節 1、關(guān)節 2、關(guān)節 3、關(guān)節 4 及關(guān)節 5 和 6.這 6 個(gè)關(guān)節全都是轉動(dòng)關(guān)節，這樣的結構設計也使得 PUMA560 靈活度非常高。根據 PUMA560 的設計思路，現如今關(guān)節型機械臂的結構主要分為兩種形式：一種是平行四邊形結構，另一種是側置式結構[9-10].側置式結構的關(guān) 節機械臂由于大臂和小臂幾乎可以完全伸展，所以其工作范圍更廣。但其懸掛式結構也 使得其負載能力不強，一般只能從事負載有限的工作。平行四邊形結構的關(guān)節機械臂其 大臂和小臂組成了類(lèi)似一個(gè)平行四邊形的形狀，由于是拉桿驅動(dòng)因此負重能力強，但工 作空間有限。隨著(zhù)其控制算法的進(jìn)步，工作空間較小這一缺點(diǎn)也得以解決。使得其可以 同時(shí)承接焊接、裝配等工作的同時(shí)也可以用于碼朵[11].

　　1.3 工業(yè)機械手臂的國內外研究現狀

　　工業(yè)機械手臂作為自動(dòng)化生產(chǎn)中重要的輔助工具一直備受?chē)鴥韧鈱W(xué)者關(guān)注和研究。 相比于發(fā)達國家，我國對工業(yè)機械臂的研究進(jìn)程較慢。但在國家的大力支持下，國內的 機械臂技術(shù)也在迅速進(jìn)步，同時(shí)也涌現了大批研究廠(chǎng)商和個(gè)體企業(yè)，但核心部件、控制 軟件等方面與發(fā)達國家有著(zhù)顯著(zhù)的差距[12].我國的機械臂產(chǎn)業(yè)主要以低端的機械臂為 主，其中多以三自由度和四自由度居多。在需要 6 自由度機械臂的高端行業(yè)領(lǐng)域，國外 企業(yè)幾乎占據的壟斷地位[13]. 工業(yè)機械手臂的研究和發(fā)展可以看成三個(gè)階段。20 世紀 50 年代機器人公司 Unimation 生產(chǎn)的 Unimate 機器人是世界上第一臺真正意義上的工業(yè)機械臂，Unimate 的主要功能是將一個(gè)物體從一點(diǎn)傳遞到另一點(diǎn)。該設備采用液壓驅動(dòng)，主要工作原理是 工作前在機械臂的存儲器中存儲機械臂上的關(guān)節角度，機械臂執行時(shí)回放這些關(guān)節角 度。Unimate 雖然體積龐大，結構復雜，工作內容簡(jiǎn)單。但是卻和現代工業(yè)機器手臂有 著(zhù)千絲萬(wàn)縷的關(guān)系，如 1969 年在獲得 Unimation 的授權下日本川崎重工生產(chǎn)的 Kawasaki-Unimate 機器人。1973 年德國庫卡（KUKA）生產(chǎn)的世界第一臺機電驅動(dòng)的 6 軸機器人（Famulus）。

　　以及標志著(zhù)工業(yè)機器人技術(shù)成熟的通用工業(yè)機器人（PUMA）[14]. 上世紀 50 到 80 年代被廣泛的認為是工業(yè)機器人發(fā)展的第一個(gè)階段，在這段時(shí)期主要是 工業(yè)機器人的誕生和技術(shù)成熟的過(guò)渡，驅動(dòng)方式也從原來(lái)的液壓驅動(dòng)變成了機電驅動(dòng)， 機械臂的工作方式主要是示教-再現。 與第一階段的機械臂不同的是第二階段的機械臂的工作方式不再是傳統的示教再 現的方式，而是具備了視覺(jué)、觸覺(jué)等感知功能的機器。如人臉肖像繪制機械臂是一種具 備了機器視覺(jué)的機械臂。

　　它的主要工作原理是通過(guò)它的圖像采集模塊采集人臉照片，由 圖像處理模塊提取人臉肖像，機械繪圖控制模塊控制機械臂繪制人臉肖像[15],還有工業(yè) 中廣泛運用的基于機器視覺(jué)的分揀機器人也是具備視覺(jué)業(yè)的工機械臂[16].在 Hyung-Kew Lee 所寫(xiě)的文章中就提到了一種電容式的觸覺(jué)傳感器，將這種傳感器鋪設在機械手臂上 可以作為機械臂的觸覺(jué)感知模塊[17].該電容式觸覺(jué)傳感器主要采用了電容式傳感方案使 得它對溫度的變化有者良好的免疫力和高靈敏度。該觸覺(jué)傳感器主要由 16×16 個(gè)矩陣 單元所構成。主要工作原理是壓力施加在矩陣單元中使得矩陣單元中間的間隙發(fā)生改變，間隙的改變造成了單元電容的變化。通過(guò)監測電容信號的變化來(lái)實(shí)現觸覺(jué)信號的反 饋。在第三階段中工業(yè)機械臂的研究除了使得機械臂具備感知功能外，讓機械臂本身具 有規劃和決策功能成為了當前機械臂研究的熱門(mén)方向。在該階段中對機械臂的研究主要 集中在對機械臂的智能控制方面。如鄒建奇等人[18]的文章中就報道了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò ) 方法來(lái)進(jìn)行柔性機械臂逆運動(dòng)學(xué)求解的方法。通過(guò)使用這種方法可以有效的控制機械臂 的震動(dòng)。還有如宋睿卓的文章[19]采用了自適應模糊控制，使得機械臂在運動(dòng)過(guò)程中可以 對控制規則進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，進(jìn)而提升機械臂的運動(dòng)性能。

　　以及付榮[20]提出的一種基于智 能優(yōu)化的方法來(lái)實(shí)現機械臂的路徑規劃。通過(guò)該算法來(lái)選擇多個(gè)路徑中的最優(yōu)的一個(gè)， 使得機械臂運動(dòng)軌跡平滑，運動(dòng)過(guò)程中減少了沖擊和振動(dòng)，令機械臂的性能更加可靠。 第三階段的機械臂目前還在研究當中，各大機械臂廠(chǎng)商中并沒(méi)有真正意義上的第三 代機械臂，具備自我規劃能力的機械臂距離實(shí)際的運用還需要一段時(shí)間研究和實(shí)踐。目 前機械臂的研究方向仍然集中在人類(lèi)控制機械臂的水平當中。而機械臂的控制系統是機 械臂研究的一個(gè)重要方向，尤其是多自由度的機械臂更是如此。目前機械臂控制系統主 要分為 4 種，即上位機軟件加運動(dòng)控制卡，嵌入式系統，工控機（IPC）加數據采集卡和運 動(dòng)控制器，PLC 控制[21].

　　（1）上位機軟件加運動(dòng)控制卡 上位機軟件加運動(dòng)控制卡構成的機械臂控制系統其結構主要分為上位機軟件、運動(dòng) 控制卡和伺服驅動(dòng)器三部分如圖 1.8 為該控制系統中的運動(dòng)控制卡。

　　在該控制系統中，上位機軟件主要工作是規劃和傳遞機械臂的運動(dòng)信息給運動(dòng)控制 卡。運動(dòng)控制卡是一種配合電腦端一起使用的運動(dòng)控制單元。上圖中的運動(dòng)控制卡為固 高公司生產(chǎn)的 GT-SCAN 系列的控制卡。該控制卡是一個(gè)四軸運動(dòng)控制卡，控制單元核 心為 FPGA 和 DSP,FPGA 是一種可編程器件，其主要功能是實(shí)現脈沖分配、倍頻、譯 碼、定時(shí)、計數等功能[22].后者 DSP 是一款高性能的微處理器，其功能為運算存儲在E2ROM 中的運動(dòng)算法。GT-SCAN 基于 PCI 總線(xiàn)[23]連接電腦端，被其控制單元為伺服驅 動(dòng)器，通過(guò)下發(fā)脈沖信號給伺服驅動(dòng)器驅動(dòng)電機運動(dòng)達到控制機械臂運動(dòng)的目的。

　　（2）IPC 加數據采集卡和運動(dòng)控制卡 如圖 1.9 是 IPC 加數據采集卡和運動(dòng)控制卡的硬件結構圖，由圖可知該控制系統主 要分為三個(gè)工作部分，運動(dòng)控制部分、運動(dòng)執行部分、信號采集部分[24].

　　運動(dòng)控制部分主要有工控機（IPC）、交換機、運動(dòng)控制器等三個(gè)單元。在該部分中 工控機提前設置好與運動(dòng)控制器相同網(wǎng)段的 IP 地址，通過(guò)交換機連接不同 IP 地址的運 動(dòng)控制器，從而實(shí)現與運動(dòng)控制器的連接。運動(dòng)控制部分的主要功能是處理接受采集卡 采集的位置信號，并將這些信號轉換為控制電機轉動(dòng)的脈沖信號。運動(dòng)執行部分主要有 伺服驅動(dòng)器和電機，伺服驅動(dòng)器接受上位機控制部分下發(fā)的脈沖信號進(jìn)而驅動(dòng)電機。數 據采集部分有電機位置傳感器和數據采集卡兩個(gè)功能部件組成，電機位置傳感器主要功 能是采集電機旋轉的位置，并將這些位置模擬信號上傳到數據采集卡，數據采集卡獲得 這些信號后將這些模擬信號進(jìn)行 A/D 轉換后發(fā)送到運動(dòng)控制部分。 （3） 嵌入式系統如圖 1.10 是基于嵌入式系統的運動(dòng)控制系統[25],該運動(dòng)控制系統主要有基于 ARM 內核的微控制器、工業(yè)級的運動(dòng)控制卡 LPC1768 以及伺服驅動(dòng)器和對應的關(guān)節間電機。 基于 ARM 內核的微控制器其主要功能是通過(guò)移植 Linux 系統來(lái)構建一個(gè)人機交互界面 和執行正逆解算法及路徑規劃。運動(dòng)控制卡接受上位機微控制器下發(fā)的位姿和路徑信息 將這些信息轉變成脈沖指令發(fā)送到伺服驅動(dòng)器從而驅動(dòng)電機旋轉。 （4）PLC 控制 如圖 1.11 是一個(gè)基于 PLC 的機械臂控制系統。其主要構成分成三部分，人機交互 部分、PLC 主控制部分、伺服驅動(dòng)器部分[26].人機交互部分通過(guò)一個(gè)工業(yè)用的顯示屏顯 示機械臂各個(gè)關(guān)節的位姿信息，其主要通過(guò) RS232 串口通信協(xié)議來(lái)實(shí)現顯示屏與 PLC 主控制器的連接。PLC 主控部分有兩個(gè) PLC,這一主一從的兩個(gè) PLC 從串口中接受來(lái) 自用戶(hù)的輸入信息進(jìn)而將這些信息經(jīng)過(guò)運動(dòng)學(xué)算法運算后下發(fā)給伺服驅動(dòng)器，而這兩個(gè) PLC 通過(guò) RS485 總線(xiàn)協(xié)議連接。

　　在上述四種機械臂控制系統中。上位機加運動(dòng)控制卡組成的機械臂控制系統由于上 位機一般都是 PC 端，上位機軟件可移植性強。因此該控制系統通用性較高，但相對的 是采用專(zhuān)業(yè)的運動(dòng)控制卡，其開(kāi)放性差，成本較高。嵌入式系統因為采用 MCU 來(lái)計算 機械臂的運動(dòng)路徑和正逆解算法而代替了 PC 電腦的作用使其成本相對較低，但因為移 植開(kāi)源的 Linux 系統是個(gè)相對復雜的過(guò)程大大增加了開(kāi)發(fā)周期[27].數據卡加上位機軟件 構成的控制系統由于其路勁規劃和運動(dòng)算法都放在了 PC 電腦端，因此具有結構相對簡(jiǎn) 單，易于研發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。但無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的連接方式也造成了其連接的不穩定性。而基于 PLC 的機械臂控制系統對于控制這種電動(dòng)型驅動(dòng)系統具有適用性高，穩定性強等優(yōu)點(diǎn)，但相 對應的是成本極高。 針對上述四種類(lèi)型的機械臂控制系統，本文所研究的六軸機械臂控制系統是 PC 端 上位機軟件加 STM32 微控制器和驅動(dòng)器構成的控制系統。其中上位機軟件實(shí)現六軸機 械臂中的正逆解算法和路徑規劃算法，下位機則為 STM32 微控制器實(shí)現了對電機驅動(dòng)

　　器的控制。該控制系統由于采用上位機軟件的方式實(shí)現六軸機械臂的運動(dòng)算法，因此其 移植性好。作為主控制器的 STM32 微控制器又具備通用性強，成本低，易開(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。

　　1.4 研究?jì)热菁耙饬x

　　1.4.1 研究意義

　　自改革開(kāi)放以來(lái)，我國經(jīng)濟始終保持了快速穩定的增長(cháng)。有學(xué)者寫(xiě)到人口紅利對我 國經(jīng)濟建設提供了很大助力。上世紀 70 年代中期是我國適齡人口比重較大的時(shí)期，經(jīng) 濟增長(cháng)速度快[28].但在 20 世紀 90 年代以后，我國人口結構邁向老齡化的進(jìn)程逐步加快。 有學(xué)者提出隨著(zhù)適齡勞動(dòng)力減少和人口結構的改變將會(huì )延緩我國經(jīng)濟增長(cháng)速度[29].人口 老齡化的趨勢其實(shí)并不止發(fā)生在中國，全世界都面臨著(zhù)這個(gè)問(wèn)題。為應對人口老齡化對 人口紅利的沖擊，德國率先提出工業(yè) 4.0 計劃。在這一背景下其他國家紛紛提出類(lèi)似計 劃，如歐盟的工業(yè)復興戰略、法國的"新工業(yè)法國"、美國的"先進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系計 劃"等[30].我國更是提出了中國制造 2025,即企業(yè)由傳統制造業(yè)向智能制造轉型[31]. 在人口紅利不在的情況下，傳統的流水線(xiàn)生產(chǎn)模式必然會(huì )增加企業(yè)的人力成本。而利用 機器人替代生產(chǎn)作業(yè)中可以替代的人工環(huán)節將是降低企業(yè)生產(chǎn)成本的一個(gè)不二之選。有 學(xué)者專(zhuān)門(mén)進(jìn)行工業(yè)機器人、就業(yè)增長(cháng)和勞動(dòng)力成本三者之間的關(guān)系，得到了工業(yè)機器人 會(huì )造成就業(yè)率下降，但對勞動(dòng)力匱乏的國家有效的降低了勞動(dòng)力成本[32].如圖 1.12 所 示為豐田汽車(chē)自動(dòng)化裝配焊接生產(chǎn)線(xiàn)。

　　從市場(chǎng)需求來(lái)看我國已成為全球最大的工業(yè)機器人消費國。在 2015 年發(fā)布的《世 界機器人報告中》，我國工人擁有的工業(yè)機器人的占比遠低于全球平均水平。歐洲各國 在工業(yè)機器人上的運用都遠超我們國家。而在 2020 年發(fā)布的情況來(lái)看，雖然中國的工 業(yè)機器人使用率有了一定的提升，但在全球排名仍是處于靠后位置，如圖 1.13 所示。

　　這代表工業(yè)機器人在我國具有極大的發(fā)展潛力和增長(cháng)空間。而在工業(yè)機器人中各種 工業(yè)機械臂的占比如圖 1.14 所示，由圖可以看出工業(yè)機械臂占我國工業(yè)機器人市場(chǎng)份額 的 95.14%,在這其中關(guān)節型機械臂占比為 66.67%,這些數據也昭示工業(yè)機械臂在現在 及未來(lái)的工業(yè)生產(chǎn)中不可替代的作用。

　　1.4.2研究?jì)热?/strong>