原创工业机器人的昨天、今天和明天

 2014-12-9 11:24  1074 21 24 分类: 机器人/ AI

　　工业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发展起着越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。

　　1.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，它涉及机械工程学、电气工程学、微电子工程学、计算机工程学、控制工程学、信息传感工程学、声学工程学、仿生学以及人工智能工程学等多门尖端学科。工业机器人是机器人学的一个分支，它代表了机电一体化的最高成就。随着科学技术的不断发展，工业机器人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。广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与数量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，对促进我国制造业的崛起，有着十分重要的意义。

　　2.工业机器人在世界各国的的发展

　　1962年,美国AMF公司制造了世界上第一台实用的示教再现型工业机路人。迄今为止，世界上对于工业机器人的研究、开发及应用已经经历了50多年的历程。日本、美国、法国、德国的工业机器人产品已日趋成热和完善。随着现代科技的迅速发。工业机器人技术已经广泛地应用于各个生产领城。在制造业中诞生的工业机器人是继动力机、计算机之后出现的，全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具。工业机器人的应用是一个国家工业自动化水平的重要标志。在国外，工业机器人产品日趋成熟，已经成为一种标准设备而被工业界广泛地应用，从而相继地形成了一批具有影响力的著名的工业机器人公司。比如，跨国集团公司abb，日本发那科(fanuc)、安川电机(Yaskawa)，德国kuka ，美国Adept Technology、 American Robot、 Emerson Industrial Automation、 S-T Robotics，意大利comau，英国AutoTech Robotics，加拿大Jcd International Robotics，以色列Robogroup Tek公司等，这些公司已经成为它们所在国家和地区的支柱性产业。

　　工业机器人的发展过程可以分为以下三个阶段：

　　第一代机器人为目前工业中大量使用的示教再现机器人，通过示教存储信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作，广泛应用于焊接、上下料、喷漆和搬运等。

　　第二代机器人是带感觉的机器人，机器人带有视觉、触觉等功能，可以完成检测、装配、环境探测等作业。

　　第三代机器人即智能机器人，它不仅具备感觉功能，而且能根据人的命令，按所处环境自行决策，规划出行动。

　　目前，在工业上运行的90%以上的机器人都不具备智能。在FMS中，目前应用的为第一代和第二代机器人。

　　2.1 工业机器人在世界主要国家的发展

　　美国是工业机器人的诞生地，基础雄厚，技术先进。现今美国有着一批具有国际影响力的工业机器人供应商，像Adept Technologe 、American Robot 、Emersom Industrial Automation 等。

　　德国工业机器人的数量占世界第三，仅次于日本和美国，其智能机器人的研究和应用在世界上处于领先地位。目前在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人经推广应用成为主流安装机型，而第三代智能机器人已占有一定比重并成为发展的方向。

　　世界上的机器人供应商分为日系和欧系。瑞典ABB公司是世界上最大机器人制造公司之一。1974年研发了世界上第一台全电控式工业机器人IRB6，主要应用于工件的取放和物料搬运。1975年生产出第一台焊接机器人。到1980年兼并Trallfa喷漆机器人公司后，其机器人产品趋于完备。ABB公司制造的工业机器人广泛应用在焊接、装配铸造、密封涂胶、材料处理、包装、喷漆、水切割等领域。

　　德国的KUKA Roboter Gmbh公司是世界上几家顶级工业机器人制造商之一。1973年研制开发了KUKA的第一台工业机器人。年产量达到一万台左右。所生产的机器人广泛应用在仪器、汽车、航天、食品、制药、医学、铸造、塑料等工业，主要用于材料处理、机床装备、包装、堆垛、焊接、表面休整等领域。

　　意大利COMAU公司从1978年开始研制和生产工业机器人，至今已有30多年的历史。其机器人产品包括Smart系列多功能机器人和MASK系列龙门焊接机器人。广泛应用于汽车制造、铸造、家具、食品、化工、航天、印刷等领域。

　　日系是工业机器人制造的主要派系，其代表有FANUC、安川、川崎、OTC、松下、不二越等国际知名公司。

　　FANUC是世界上最大的机器人制造商之一。FANUC的前身致力于数控设备和伺服电机系统的研制和生产。1972年从日本富士通公司的计算机控制部门独立出来成立了FANUC公司。FANUC公司的主要业务分为两部分：工业机器人和工厂自动化。据统计，截至2008年6月末，其生产的机器人突破20万台。FANUC最新研发的工业机器人产品有：R-2000iA系列多功能智能机器人。具有独特的视觉和压力传感器，可以将随意堆放的工件捡起并完成装配Y44CCLDiA高功率LD YAG激光机器人。研制安装的4.4kwLD YAG激光振荡器，提高了效率和可靠性。

　　安川公司于1977年研制出第一台全自动工业机器人，旗下拥有Motoman美国、瑞典、德国以及Synetics Solutions美国公司等子公司。其核心的工业机器人有点焊和弧焊机器人，油漆和处理机器人，LCD玻璃板传输机器人和半导体晶片传输机器人等。近年来安川生产的新型液晶玻璃板搬运机器人受到市场欢迎。此外，安川还是将工业机器人应用于半导体领域最早厂商之一。

　　川崎公司生产出了日本第一台工业机器人，对工业机器人产业做出了不可磨灭的贡献。川崎生产的喷涂机器人、焊接和组装机器人、半导体工业用机器人也很受市场欢迎。

　　2.2 工业机器人在日本发展

　　与此同时，十九世纪七十年代的日本正面临着严重的劳动力短缺，这个问题已成为制约其经济发展的一个主要问题。毫无疑问，在美国诞生并已投入生产的工业机器人给日本带来了福音。1967年日本川崎重工业公司首先从美国引进机器人及技术，建立生产厂房，并于1968年试制出第一台日本产unimate机器人。经过短暂的摇篮阶段，日本的工业机器人很快进入实用阶段，并由汽车业逐步扩大到其它制造业以及非制造业。1980年被称为日本的“机器人普及元年”，日本开始在各个领域推广使用机器人，这大大缓解了市场劳动力严重短缺的社会矛盾。再加上日本政府采取的多方面鼓励政策，这些机器人收到了广大企业的欢迎。1980年~1990年日本的工业机器人处于鼎盛时期，后来国际市场曾一度转向欧洲和北美，但日本经过短暂的低迷期又恢复其昔日的辉煌。

　　1993年末，全世界安装的工业机器人有61万台，其中日本占60%，美国占8%，欧洲占17%，俄罗斯和东欧占12%。是什么使得日本的工业机器人产业有如此快速的发展，现理出几点原因：

　　（1）根本原因是日本的基本国情，人口少，劳动力严重短缺。日本每年的人口增长率在1.1%左右，而日本人都想接受高等教育导致其劳动力的增长速度却始终停留在0.7%。为了满足国民经济3%的增长要求，必须提高生产效率。

　　（2）1973年十月爆发的第一次石油危机提高了劳动力成本，日本政府不得不鼓励私营企业向自动化领域投资，提高生产效率，以抑制由石油危机带来的成本型通货膨胀。

　　（3）工业机器人可以代替劳动者从事可能危害身体健康的劳动，避免了大量的工伤事故和职业病，受到了人们的欢迎。

　　（4）日本自80年代起就采用推动工业机器人的普及和促进研究与发展的政策。

　　日本工业机器人协会成立于1972年10月, 是世界上第一个工业机器人组织。它的宗旨是加速发展工业机器人制造业, 推动工业自动化和安全生产。1992年, 日本工业机器人协会欢度了它的20岁生日。在过去的20年中, 它得到了政府和大专院校的支持和帮助, 与工业机器人制造商及用户进行了合作。正是这一切使日本工业机器人协会有效地推动了工业机器人的生产, 使自己站在提高工业各个领域的生产率及雇员福利的前列。

　　2.3 政策扶持，起步发展神速

　　日本在20世纪60年代末正处于经济高度发展时期，年增长率达11%。第二次世界大战后，劳动力趋于紧张的日本，因高速度的经济发展更加剧了劳动力严重不足的困难。而此时，美国研制成功的工业机器人无疑为日本的工业发展带来了最大的福音，1967年日本由川崎重工业公司从美国Unimation公司引进机器人及其技术，建立起生产车间，并于1968年试制出第一台川崎的“尤尼曼特”机器人。

　　极大地缓解日本劳动力不足的工业机器人，受到了日本企业“救世主”般的欢迎。再加上日本政府在经济上所采取的积极扶植政策，进一步鼓励发展和推广应用机器人，激发了企业从事机器人产业的积极性。尤其是政府对中、小企业的一系列经济优惠政策，如由政府银行提供优惠的低息资金，鼓励集资成立机器人长期租赁公司，公司出资购入机器人后长期租给用户，使用者每月只需付较低廉的租金，大大减轻了企业购入机器人所需的资金负担；政府把由计算机控制的示教再现型机器人作为特别折扣优惠产品，企业除享受新设备通常的40%折扣优惠外。还可再享受13%的价格补贴。此外，国家还出资对小企业进行应用机器人的专门知识和技术指导等等。

　　这一系列扶植政策，使日本机器人产业迅速发展起来，经过短短的十几年。到80年代中期，已一跃而为“机器人王国”。其机器人的产量和安装的台数在国际上跃居首位。按照日本产业机器人工业会常务理事米本完二的说法：“日本机器人的发展经过了60年代的摇篮期。70年代的实用期。到80年代进人普及提高期。”并正式把1980年定为产业机器人的普及元年”。开始在各个领域内广泛推广使用机器人。

　　3工业机器人的产业发展趋势

　　3.1工业机器人的技术发展趋势

　　从近几年世界机器人推出的产品来看，工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，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。

　　3.2工业机器人的产业发展趋势

　　全球多用途工业机器人销售从2003年开始恢复增长，预计在2005年到2008年间，全球工业机器人销量预计年均增长6.1％，到2008年增至12.1万台。

　　以具体地区而言，亚太地区仍将是工业机器人使用量最高的地区，预计日本的工业机器人销量将由2004年的3.71万台增至2008年的4.59万台。而整体亚太地区的工业机器人销量将由2004年的5.2万台增至2008年的7.04万台。北美地区的工业机器人销量也将稳定增加，预计将由2004年的1.34万台增至2008年的1.65万台。而欧洲地区的工业机器人销量预计到2008年将增至3.37万台。

　　4我国工业机器人的发展历程与现状

　　我国工业机器人起步于20世纪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。目前，我国研制的工业机器人已达到了工业应用水平。现在，国家更加重视机器人工业的发展，也有越来越多的企业和科研人员投入到机器人的开发研究中。

　　经过五十多年的发展，工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。在制造业中，尤其是在汽车产业中，工业机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范周还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。此外，在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多，如无人侦察机 (飞行器)、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。工业机器人在许多生产领域的使用实践证明，它在提高生产自动化水平，提高劳动生产率和产品质量以及经济效益，改善工人劳动条件等方面，有着令世人瞩目的作用，引起了世界各国和社会各层人士的广泛关注。在新的世纪，机器人工业必将得到更加快速的发展和更加广泛的应用。

　　从近几年世界机器人推出的产品来看，工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，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。机器人技术是高技术的重要组成部分，其产业化的进程在我国刚刚起步，虽然取得了一定的成绩，但仍然存在很多困难和不足，因此更需要多方面的关心和支持。国家政策支持，是加速高新技术产业化的重要前提。根据我国政府有关部门应组织力量进行充分地调查研究，在此基础上，制定切实可行的推广、应用机器人和促进机器人研究开发的倾斜政策。如在税收、投资和贷款方面对机器人产业实行扶持政策。日本政府通过制定政策，采取一系列措施鼓励企业应用机器人，为日本机器人在国内开拓市场的经验值得我们借鉴。另外，对机器人用户，可以考虑给予一定的资金补贴，以鼓励购买．为了避免危险恶劣的工作环境导致的工伤事故和职业病，保护工人的身心安全，对一些特殊工种，如喷涂，铸造等通过劳动法强制采用工业机器人来代替．这样可以大大增加工业机器人的需求数量。我国的机器人产业化必须由市场来拉动。机器人作为高技术，它的发展与社会的生产、经济状况密切相关。机器人的研制、开发只有从技术上实现可能性大为原则选择机器人优先应用的领域，并以此为突破口，向其他领域渗透、扩散至为重要。我国机器的应用人要顺利走上市场，实现产业化，还是需要各方面的共同努力。

　　5我国工业机器人发展形势与问题的解决措施

　　5.1我国工业机器人产业发展形势

　　工业机器人多种先进制造于一体，数字化装备，成为衡量一个国家制造业水平的重要标志之一。近年来，工业机器人实现了飞速发展，并将从示范性应用逐步走向大规模推广，从而大幅降低制造过程对于劳动力的依赖程度。中国是全球工业机器人增长最快的市场，据统计，十一五以来我国工业机器人市场年均增长率达到30%左右，目前我国工业机器人的年安装量排名第三，累计安装量超过5万台，位居世界第六。在市场快速发展同时，在产品和技术研发方面，经过十几年研制应用，我国在工业机器人技术攻关设计水平方面有了长足的进步。目前在喷涂机器人搬运机器人方面，基本掌握机器人操作机构设计技术，关键部件和装置有关有一定突破。在产业发展方面，我国不仅有合资机器人企业，也诞生一批具有自主知识产权机器人产业，他们产品填补工业机器人空白，形成一定市场竞争力。由于我国制造业正处在产业结构升级转型期，汽车业为主重点行业对工业机器人需求保持高速增长态势。

　　面对如此良好的市场发展空间，我国的工业机器人产业还有大量的问题需要解决。

　　5.2我国工业机器人产业发展主要问题

　　总结主要问题表现在几个方面：

　　第一，创新能力薄弱，核心技术和核心关键部件受制于人，整机面临空壳化。我国基础零部件制造能力差，随着我国在相关零部件有了一定基础，但是无论从质量产品系列方面还是批量化供给方面，与国外存在较大差距。精密监视器方面尤其明显，影响产业机器人发展。第二，产业规模小，市场满足率低，相关基础设施服务体系建设明显滞后。中国工业机器人企业还没有形成自己品牌，虽然有一批企业从事机器人开发，但是没有形成较大规模。第三，行业归口，产业规划需要进一步明确。目前工业机器人还没有建立起自己行业体系，行业管理缺失，导致这个行业产业规划行业政策研究标准体系建设等行业重点工作还存在着缺位。相关制造企业科研院所高校无法发挥集中力量办大事优势和特点。

　　5.3推动我国工业机器人发展下一步主要措施

　　充分认识到，中国正从制造大国迈向制造强国，在实现装备业产业机构升级过程当中，工业机器人发展可以在当中发挥重要作用。而目前我国工业机器人发展也正处于关键转折点，需要社会各界大家一起齐心协力共同推动我国机器人产业发展跨向新台阶，进入快速发展阶段。今年5月工业和信息化部发布智能装备十二五发展规划，工业机器人至以优先发展地位，智能制造装备“十二五”规划指出攻克工业机器人本体，电机控制器核心部件，实现工业机器人及其核心部件产业化。我们和财政部多次协商，也拿出专项资金支持智能制造装备。2012年智能制造装备专项也支持多项工业机器人研发项目，2013年乃至2015年前，装备制造支持渠道，还是要工业机器人发展作为支持领域。

　　另外，推动机器人产业发展方面，未来可以准备在以下几个方面做好工作：

　　一、为我国工业机器人发展创造良好政策环境。作为装备制造业行业主管部门，实现我国工业机器人贸易各项政策协调胡同，全方位系统促进我国工业机器人技术创新工作。

　　二、积极推进工业机器人行业组织建立，推动行业形成合力。提出符合我国市场和技术发展特点产业规划，建立运行检测及信息发布与分析评价体系，建立完善行业技术标准体系。持续推进工业机器人产业化工作，我国工业机器人产业已经有了一定规模，但是还远没有达到百亿元关口。我们将充分发挥市场配置资源基础性作用，抓住几个重点产品集中突破，集中主要技术力量和资金，重点推进两到三种工业机器人产业化开发，实现规模应用和总体技术突破，形成以国际品牌工业机器人局部竞争能力，为工业机器人产业发展打好基础。优先鼓励由用户企业制造企业组成产业联盟参与工程招投标，共同开发工业机器人。鼓励金融机构开展多种形式首抬套保险业务，积极引入风险投资机制，全力落实好政策。

　　三、立足长远夯实基础。工业机器人以关键技术发展为主攻方面，加强基础技术研究，着力推进产品质量可靠性和寿命升级。加大先进技术推广和应用和产业化力度，营造有利于技术制造产业向高端发展环境。把长期形成的以整机带动零部件发展思路，转变到优先发展基础技术和零部件上，提升工业机器人基础技术和零部件产业整体水平和国际竞争力。

　　四、进一步加强国际交流合作，多层次多渠道多形式推进国际交流。鼓励境外企业和科研机构进一步加强与国内的企业和科研机构研发合作，支持企业积极参与技术标准完善出口信贷保险政策，促进工业机器人制造技术装备及工程服务出口。我们希望在全球化大背景下，更多发挥中国装备制造业比较优势，和在座各位朋友共同推进见证我国工业机器人产业发展。

　　6我国工业机器人发展趋势

　　（1）示教再现型工业机器人产业化技术研究

　　这些研究主要包括:关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发；焊接机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化设计；弧焊机器人用激光视觉焊缝跟踪装置的开发；焊接机器人的离线示教编程及工作站系统动态仿真；电子行业用装配机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；批量生产机器人所需的专用制造、装配、测试设备和工具的研究开发。

　　（2）智能工业机器人的开发与研究

　　这些研究主要包括:遥控加局部自主系统构成和控制策略研究；智能移动机器人的导航和定位技术研究；面向遥控机器人的虚拟现实系统；人机交互环境建模系统；基于计算机屏幕的多机器人遥控技术。

　　（3）机器人化机械研究开发

　　这些研究开发主要包括:并联机构机床（VMT）与机器人化加工中心（RMC）开发研究；机器人化无人值守和具有自适应能力的多机遥控操作的大型散料输送设备。

　　（4）以机器人为基础的重组装配系统

　　这些系统主要包括：开放式模块化装配机器人；面向机器人装配的设计技术；机器人柔性装配系统设计技术；可重构机器人柔性装配系统设计技术；装配力觉、视觉技术；智能装配策略及其控制技术。

　　（5）多传感器信息融合与配置技术

　　该技术主要包括:机器人的传感器配置和融合技术在水泥生产过程控制和污水处理自动控制系统中的应用；机电一体化智能传感器的设计应用。

　　7结语

　　中国人口众多，劳动力资源丰富，但是随着近年来人口红利的不断衰退，我们的企业必须尽可能地采用高新技术来更高效率的生产，以高竞争力取胜，这就需要很多的机器人，人是没有机器人那样的精确率，准确率和高效率的。可能会有人失业，但创造的就业机会更多，社会所得的利益会更多。我相信在不久将来，机器人产业会如同汽车一样成为国家的经济支柱产业，美国是“汽车上的国度”，中国可以成为“站在机器人肩膀上的国家”。