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1、工业机器人现状及发展趋势一、一、工业机器人的概念工业机器人的概念工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从 1962 年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。工业机器人是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。1920 年捷克作家卡雷尔查培克在其剧本罗萨姆的万能机器人
2、中最早使用机器人一词，剧中机器人“Robot”这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表，特征和功能的机器，是一种人造的劳力。它是最早的工业机器人设想。50 年代以后，美国橡树岭国家实验室开始研究能搬运核原料的遥控操纵机械手，如图所示，这是一种主从型控制系统，主机械手的运动。系统中加入力反馈，可使操作者获知施加力的大小，主从机械手之间有防护墙隔开，操作者可通过观察窗或闭路电视对从机械手操作机进行有效的监视，主从机械手系统的出现为机器人的产生为近代机器人的设计与制造作了铺垫。1954 年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人
3、手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1959 年 UNIMATION公司的第一台工业机器人在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。二、二、现代工业机器人的特点现代工业机器人的特点工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有 36 个运动自由度，其中腕部通常有 13 个运动自由度；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；控制系统是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。工业机器人
4、最显著的特点有以下几个：（1）可编程。生产自动化的进一步发展是柔性启动化。工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。（2）拟人化。工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。此外，智能化工业机器人还有许多类似人类的“生物传感器” ，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等。传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。（3）通用性。除了专门设计的专用的工业机器人外，一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好
5、的通用性。比如，更换工业机器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的作业任务。（4）工业机器技术涉及的学科相当广泛，归纳起来是机械学和微电子学的结合-机电一体化技术。第三代智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器，而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能，这些都是微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。因此，机器人技术的发展必将带动其他技术的发展，机器人技术的发展和应用水平也可以验证一个国家科学技术和工业技术的发展水平。当今工业机器人技术正逐渐向着具有行走能力、具有多种感知能力、具有较强的对作业环境的自适应能力的方向发展。三、三、我国工业机器
6、人的现状我国工业机器人的现状我国工业机器人起步于 70 年代初期，经过 20 多年的发展，大致经历了 3 个阶段：70 年代的萌芽期，80 年代的开发期和 90 年代的适用化期。70 年代是世界科技发展的一个里程碑：人类登上了月球，实现了金星、火星的软着陆。我国也发射了人造卫星。世界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于 1972 年开始研制自己的工业机器人。进入 80 年代后，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，
7、完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986 年国家高技术研究发展计划（863 计划）开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。从 90 年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在焊接工作站实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。虽然中国的工业机器人产业在不断
8、的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。从市场占有率来说，更无法相提并论。工业机器人很多核心技术，当前我们尚未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。总的来看，我国的工业机器人及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离。当前我国的工业机器人生产都是应客户的需求，“一客户，一次重新设计”，品种多，规模小，零部件通用化程度低，供货周期长，成本也不低，而且质量也不稳定。因此迫切需要产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推动产业进程。国际上通常以制造业机器人密度(其指每一万名雇佣工人中所拥有的多功能机器人数量)来衡量一个国家的自动化水平。国际机器人联合会
9、(IFR)的数据显示，中国 2011 年的这一数字是 21，国际平均水平是55，中国与日本的 339、韩国的 347 尚有较大的差距。不过中国的增速非常快，从装机量上看，从 1999 年到 2008 年，中国工业机器人的装机量每年都以超过 20%的速度增长，从 1999 年 550 台发展到 2008 年超过3 万台。甚至在全球经济陷入一片萧条的 2009 年，中国工业机器人销量却逆势而上。2010 年中国的装机量为 52290 台，2011 年上涨到了74317 台，实现了 42%的年增长。从销售来看，中国的机器人销量从2010 年的 14978 台增加到 2011 年的 22577 台，年
10、增长超过 50%。业内人士表示，目前，国内工业机器人实际拥有量应该超过 10 万台。IFR预计，中国将成为全球最大的工业机器人市场。四、四、我国工业机器人发展趋势我国工业机器人发展趋势当前，国外已经研制和生产了各种不同的标准组件，而中国作为未来工业机器人的主要生产国，标准化的过程是发展趋势。中国制造业面临着向高端转变，承接国际先进制造、参与国际分工的巨大挑战。加快工业机器人技术的研究开发与生产是中国抓住这个历史机遇的主要途径。因此我国工业机器人产业发展要进一步落实：第一，工业机器人技术是我国由制造大国向制造强国转变的主要手段和途径，政府要对国产工业机器人有更多的政策与经济支持，参考国外先进经验
11、，加大技术投入与改造；第二，在国家的科技发展计划中，应该继续对智能机器人研究开发与应用给予大力支持，形成产品和自动化制造装备同步协调的新局面；第三，部分国产工业机器人质量已经与国外相当，企业采购工业机器人时不要盲目进口，应该综合评估，立足国产。智能化、仿生化是工业机器人的最高阶段，随着材料、控制等技术不断发展，实验室产品越来越多的产品化，逐步应用于各个场合。伴随移动互联网、物联网的发展，多传感器、分布式控制的精密型工业机器人将会越来越多，逐步渗透制造业的方方面面，并且由制造实施型向服务型转化。工业机器人最先大规模使用的区域将会 出如今发达地区。随着产业转移的进行，发达地区的制造业需要提升。基于
12、工人成本不断增长的现实，工业机器人的应用成为最好替代方式。未来我国工业机器人的 大范围应用将会集中在广东、江苏、上海、北京等地，其工业机器人拥有量将占全国一半以上。日益增长的工业机器人市场以及巨大的市场潜力吸引世界著名机器人生产厂家的目光。当前，我国进口的工业机器人主要来自日本，但是随着诸如“机器人”类似的具有自有知识产权的企业不断出现，越来越多的工业机器人将会由中国制造。五、五、国外工业机器人现状及发展趋势国外工业机器人现状及发展趋势1. 国外工业机器人的现状机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会
13、发展起越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的新的大型高技术产业。据国际机器人联合会（IFR）统计，世界机器人市场前景看好，从 20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入 90 年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在 10%左右，2000 年增长率上升到 15%，预计 21 世纪初，工作在各领域的工业机器人将突破 100 万台。正如2l 世纪日本创建机器人社会技术发展战略报告指出，“机器人技术（RT）与信息技术（IT）一样，在强化产业竞争力方面是极为重要的战略高技术领域。培育未来机器人产业是支撑 2l 世纪日本产业竞争力的产业战略之一，
14、具有非常重要的意义。” 机器人广泛应用于各行各业。主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。目前，全球现役工业机器人 103 万台。过去 10 年，机器人的价格降低约 80%，现在继续下降，而欧美劳动力成本上涨了 40%。现役机器人的平均寿命在 10 年以上，可能高达15 年，它们还易于重新使用。由于机器人及自动化成套装备对提高制造业自动化水平，提高产品质量和生产效率、增强企业市场竞争力、改善劳动条件等起到了重大的作用，加之成本大幅度降低和性能的迅速提高，其增长速度较快。机器人的应用主要有两种方式，一种是机器人工作单元，另一种是带机器人的生产线，并且后者在国外已经成为机器人应用的主
15、要方式。以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量的柔性生产发展方向，具有广阔的市场发展前景和强劲生命力，已开发出多种面向汽车、电气机械等行业的自动化成套装备和生产线产品。在发达国家，机器人自动化生产线已形成一个巨大的产业，年市场容量约为 1000 亿美元。像国际上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是机器人自动化生产线及物流与仓储自动化设备的集成供应商。 2. 国外工业机器人的发展趋势 机器人涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。因此它的发展与上述学科发展
16、密切相关。机器人在制造业的应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展。机器人应用从传统制造业向非制造业转变，向以人为中心的个人化和微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。总趋势是从狭义的机器人概念向广义的机器人技术（RT）概念转移；从工业机器人产业向解决工程应用方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术（RT）的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有实在动作功能的智能化系统。”目前，工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC 化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。六、六、工业机器人的发展技术动向工业机器人的发展技术动向在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人已占有一定比重。随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化以及在系统（FMS、CIMS）中的
