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基于系统动力学的工业机器人产业发展路径研究

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王尊

摘要：工业机器人产业作为新兴产业的代表，是实现制造强国战略的关键环节，是带动中国经济发展的新引擎，具有高风险、高投入、高产值等特点，在新时期，其产业发展也呈现出新的规律，受到了我国政府和专家学者的关注。研究机器人产业发展的基本特征、内涵、要素、结构以及作用路径，有助于揭示机器人产业发展的最优路径。

关键词：系统动力学;工业机器人;产业发展路径

1系统动力学简介分析

（简称SD—systemdynamics）的出现于1956年，创始人为美国麻省理工学院（MIT）的福瑞斯特（J.W.Forrester）教授。系统动力学（systemdynamics）运用“凡系统必有结构，系统结构决定系统功能”的系统科学思想，根据系统内部组成要素互为因果的反馈特点，从系统的内部结构来寻找问题发生的根源，而不是用外部的干扰或随机事件来说明系统的行为性质。系统动力学对问题的理解，是基于系统行为与内在机制间的相互紧密的依赖关系，并且透过数学模型的建立与操弄的过程而获得的，逐步发掘出产生变化形态的因、果关系，系统动力学称之为结构。

2系统动力学工业机器人模拟仿真研究

工业机器人动力学可以分为动力学正问题与逆问题两大部分.动力学正问题即为在已经得知机器人执行器的驱动力的情况下来计算关节移动、速度与加速度等数据;动力学逆问题即为在已经得知机器人关节位移、速度与加速度的情况来计算机器人执行器的驱动力.主要对动力学逆问题进行研究.一般工业机器人动力学研究方式包括牛顿-欧拉法、高斯法等，不同的方法拥有不同的特点与优势.现针对拉格朗日法进行探析。

任何机械系统中下列等式成立：

在式（1）中，L为拉格朗日函数，K为系统总动能，P为系统总势能.

系统动力学状态的拉格朗日方程为：

在（2）中，L即为拉格朗日函数，n为机器人连杆数量，qi为广义坐标，q·为广义速度.工业机器人动力学方程的计算步骤如下：第一，计算求解某一连杆质点的速度;第二，计算求解各个连杆的动能与总动能;第三，计算求解各个连杆的位能与总位能;第四，建立机器人拉格朗日方程;第五，计算求知得出动力学方程.现罗列机器人总动能、机器人系统总位能公式。

为从上述公式可以看出，工业机器人的动力学方程十分复杂，如果想通过人工计算来获得机器人在空间位置中运动关节的力矩分布或计算工业机器人某一条路径上的力矩难度很高，利用仿真软件来对其进行仿真计算则相对更加简便。在众多虚拟样机仿真软件当中，ADAMS是其中较为杰出的一种。

在使用过程中首先要建立机械系统动力学模型;该软件采用拉格朗日法来建立动力学方程;在经过各种计算与分析后，得出位移、速度等各种指标曲线;ADAMS能够对系统性能进行预测，进行峰值载荷求解等.传统工业机器人动力开发周期长，节奏缓慢，投入成本高，产品质量难以得到显著提升.而使用ADAMS软件则可以对机器人在各种工作状态下的运动进行进行模拟仿真，以便第一时间完整全面地掌握机器人的各项指标信息，以便找出隐藏的问题进行修改，一直到获得安全可靠的设计方案。

因此，在进行样机的设计开发过程中为了实现最佳的效果则可以利用计算机仿真技术ADAMS来进行处理，其可以通过持续的虚拟样机试验来获得安全可靠的设计方案，以降低开发设计成本，减少开发时间.建立虚拟样机模型首先要建立机器人虚拟模型，然后将模型导入ADAMS当中，进而在ADAMS环境中进行建模.建模过程如下：

第一，设置工作环境;第二，给机器人的部件进行命名与定义，并且确定其质量信息;第三，施加荷载，机器人肘部上装设了送丝部件，质量大约为6kg，因此使用ADAMS中的单向力荷载在机器人肘部上位置加60N负载.机器人末端装设了焊枪，质量为3kg，因此可以在机器人末端施工30N载荷模拟负载;第四，在机器人关节角度装设传感器装置，利用sensor来设置其转动范围与距离;第五，验证模型，对建立的模型进行验证，核对其正确性，是否存在冗余约束.

3基于系统动力学的工业机器人产业发展路径研究

机器人产业发展所受到的影响因素主要有人力、经费、创新环境和科技等，然而一些研究指出，时间跨度如果较短，那么对机器人发展产生显著影响的要素就是企业创新活动。所以，在本次研究中，可以将创新要素当成本系统的关键驱动，并可以据此对该产业差异性的创新环境所对应的产业发展变化展开相应的模拟分析。在完成上述工作之后，还需要借助动力学方法，对系统内部诸多变量及其不同子系统之间的因果关系进行定性分析。这也可以利用VENSIM软件系统绘制相关变量的反馈机制，并构建相应的模型结构。

机器人产业发展水平主要体现在产品销售收入，目前，机器人产业又分为三种，第一种是机器人系统集成，第二种是机器人本体，第三种是机器人关键零部件。机器人系统集成是为最终用户提供机