工業機器人技術與產業發展的春天

文/本刊記者 樊創佳/

“如果我要生產不同的產品，這種機器人能不能按照既定的規格參數屬性進行設定呢？”6月26日下午，在北京展覽館舉辦的北京國際工業智能及自動化展會上，一名參展人員饒有興趣地向參展商詢問出展機器人的產品功能。此次展會時間歷時三天，覆蓋北京展覽館7個展館，展出面積超2萬平方米，規模創歷史新高，迎來了近200家行業領先企業以及15000名專業觀眾。

在類型眾多的智能制造技術產品展館中，2號館集中展示各種規格的六軸機器人、碼垛機器人、焊接機器人、搬運機器人以及視覺、傳感、3D成像、RFID等應用于機器人的產品和技術。唐山松下、史陶比爾、廣州數控等領先企業向人們展示各具用途的機器人現場運行情況，吸引了眾多包括商企人員在內的觀眾駐足。在同期舉辦的與機器人自動化相關的高規格論壇上，大批優秀的自動化企業與行業專家一起深入探討國內外機器人新產品及智能化生產與應用解決方案。

據統計，2012年中國市場已有7.5萬臺工業機器人在服役，占全球總量的7%左右，2004年以來，中國工業機器人市場開始啟動，國內需求強勁，新安裝量年均增長率高達40%，有專家估計預計到2022年，中國工業機器人保有量將達到170萬臺。

不難想象，機器人是繼汽車、飛機、火車、計算機之后進入家庭、企業的一種必備方略和必備系統，這是根本，也是最普通的必備技術。同時，這更是一項任重而道遠的產業技術。

機器人的需求是剛性和持續的。在這樣一個即將到來的新時代，我國機器人產業也充滿了無限的挑戰與機遇，我們期望未來從互聯網到機器人實現 “廠廠都有機器人，家家都有機器人”的產業模式。

機器人產業發展的關鍵核心動力

機器人是嵌入式的智能機構和感知控制技術。據聯合國國際機器人聯合會IFR數據統計，截止2011年，世界專業服務機器人與家用機器人分別穩步增長30～20%，直接產值約45～50億美元，約250～300萬臺套數。

機器人產業發展核心動力是決定機器人在中國發展的最關鍵要素。人工費、工作環境、可靠性品質成為決定機器人發展的三大關鍵要素。表現在人工成本逐年提高，老齡化社會加劇形成，一線產業工人減少趨勢不可逆轉，社會服務成本越來越高，機器人自動化設備逐步增加；國際制造環境競爭日益激烈，客戶定制、柔性制造、成本效率、全球資源整合成為核心要素；在軍事空間、精細外科、危險作業中，機器人具有不可替代性。

近年來，國內外越來越重視機器人技術與產業的發展，作為戰略高技術，無論在推動國防軍事、智能制造、資源開發，還是在培育發展未來服務機器人產業上都具有重要意義。

實際上，工業機器人的制造及應用水平代表了一個國家的制造水平。我國制造業自動化率很低（汽車業15%），國際90%；機器人使用密度50（英）～350臺（日、韓）/萬工人，中國不到國際發達水平的十分之一，世界平均水平的二分之一，因此未來發展潛力很大。隨著勞動力成本增加和國際制造環境的發展變化，特別是在互聯網軟件設計交流和發布上，也給機器人產業帶來了巨大的發展動力。

目前，世界機器人產業格局為歐洲、日本牢牢占據著工業機器人天下，ABB、KUKA、FANUC、YASKAWA四大家族占據著工業機器人60～80%市場，累積技術達四五十種 ；美國機器人技術創新活躍，軍用、醫療與家政服務機器人產業占有絕對優勢，占有服務機器人市場60%； 中國工業機器人需求增長迅猛25～30%，年需求量2～3萬臺套，機器人產業化剛剛開始，還沒有高影響力的大企業，沿海需求高于內地需求，民企需求高于國企需求，各地政府及企業都想要大力發展機器人產業，而這將會是一個很大的挑戰。

發展起步的中國工業機器人模式

縱觀世界工業機器人產業，可歸納為日本模式、歐洲模式和美國模式三種不同的發展模式。

日本模式是產業鏈分工發展，機器人制造廠商以開發新型機器人和批量生產優質產品為主要目標，并由其子公司或社會上的集成工程公司來設計制造各行業所需要的機器人系統。歐洲模式相當于交鑰匙工程，就是機器人的生產和用戶所需要的系統設計制造，全部由機器人制造商自己完成。

美國模式則是集成應用。通過采購與成套設計相結合，美國國內基本上不生產普通的工業機器人，企業需要機器人通常由工程公司進口，再自行設計、制造配套的外圍設備。

中國模式是未知的，應在起步時從美國式著手，成熟中向日本式靠近，才能發揮中國人制造大國和巨大市場的優勢。

不難發現，工業機器人確確實實需要在信息、通訊方面把工藝集成，才能發揮作用。如果沒有信息軟件通訊，沒有工業環境的有序工裝 ，機器人是很難發揮作用的。美國在機器人技術方面，一直投入大量資金去研究新的材料結構、新的感知控制技術，以及一些新的智能技術。

阻礙中國機器人產業發展的難點

如果把機器人理解成一個工業基礎裝備，一個智能裝備，像數控、機床這樣的裝備，那么它在宏觀上屬于高端制造業，而且與中國工業基礎能力有直接關系，需要長期投資與培育，包括系統集成、整機制造、零部件配套以及嵌入式智能控制等。目前從技術和市場規模看，我國工業機器人產品與國外相差約10年，以下將逐一分析中國機器人產業發展面臨的幾大難點。

難點一，規模化市場應用是前提。現階段，工業規?；袌龅膽檬枪I機型發展的前提。工業機器人只是一個平臺工具，它賦予不同的工藝、不同的變位、不同的生產線來展示。工藝的規模和應用很重要，因此要特別注重作為科技能源的工藝成本和零部件。工程應用工藝必須優先，100臺套起步，500臺套持平，1000臺套盈利。行業領域方向選擇也至關重要，希望大力發展本土化的中國機器人應用集成商，將焊接、搬運、裝配、周邊自動化工裝、自動化生產線、操作對象緊密結合起來。

難點二，主機成本與可靠性是核心。主要涉及到材料、設計、采購、加工、裝配、檢測、老化試驗、技術維護等，產業鏈長，投入大，需要長期發展才能在業內形成客戶信賴的品牌。因為在企業領域的機器人往往是與生產線、批量有關，如果這個機器人稍微出一點故障，將對企業全年的生產產生極大影響。

因此，產業機器人不僅要求成本，更要具備高可靠性，它自動化智能化的效益是通過高可靠性體現的。而機器人的可靠性主要是材料、設計、部件、制造、工藝處理、老化調試和使用習慣。目前國產機器人最容易出故障的是高速轉動結構件的精度、接口插件、經常操作按鈕開關、元器件故障燈、制造故障（虛焊，加工精度沒有達到設計要求等）。

據了解，國外機器人平均無故障時間MTBF達到5萬小時，單臺8年；國產機器人平均無故障時間MTBF為8000h。因此可以采用單臺或者是少機器人組成的生產線來滿足可靠性要求。另外，世界機器人品牌使用比重2011年數據顯示：KUKA是13.5%，ABB 是14.2%，YASKAWA 是14.1%，FANUC是18%，其他機器人產商占40.2%。

關于工業機器人不同領域的人工成本問題對比：

汽車領域：點焊與弧焊，國內165Kg/6～8Kg，20/8萬，國外40/15萬；

機械加工：上下料搬運，20Kg，國內12萬，國外20萬，拋光加工大件/小件，20/10萬，國外60/20萬；

物流搬運，200Kg，國內20萬，國外40萬，電子裝配。

通過對比 ，意味著中國機器人在成本上應該走高品質低利潤道路，因為國外工業機器人已發展四十年，國內只有走在這個范圍內才有競爭力。

難點三，核心零部件是關鍵。核心零部件是指構成機器人傳動系統、控制系統和人機交互系統，對機器人性能起到關鍵影響作用，并具有通用性和模塊化的部件單元，分為高精度機器人減速機、高性能交直流伺服電機和驅動器、高性能機器人控制器。其中電機和減速器是關鍵。

難點四，是認準技術與商務創新這條出路。發展品牌，體現效益價值，使得產品可靠。這就要提高新材料的負載與自重比，仿生靈巧手操作，自主導航的移動定位，補償視覺誤差，降低精密制造成本，提高無需編程的人機交互功能和可變剛度柔性關節控制，實現租賃機器人的商業模式創新。

日趨重要的機器人技術

工業機器人是最典型的制造基礎設備，也是最有代表性的智能裝備，并且機器人具有雙重性，設備投資屬性，產品實用性；產業形態與就業關系，一般低端產業層次少，機器人產業鏈長層次多，用戶使用、承包商、租賃商、系統設計、主機商、零部件、維護服務、培訓教育、研究中心，就業商務服務、集成實施、產品服務、技術開發等高端轉換；智能機器人技術擴散延伸，正在嵌入相關制造裝備、工程機械、物流搬運、電子裝備、食品機械等，也正在交叉融合信息、材料、醫療技術，形成新形態產品，如智能吸塵器、智能洗衣機、智能護理床等。

與此同時，隨著硬件成本不斷下降，硬件設計越來越成熟，軟件在工業自動化的重要性日趨突出。成套應用工藝設計、用戶使用方便與示教、改變不同功能用途以及可靠性水平成為開發重點。

在機器人系統中，軟件開發成本越來越高。在工業機器人領域中 ，軟件設計必須工程化，在設計、仿真、調試、試用、階段以及維護階段全面實施。

不可否認，無論是軟件還是硬件，機器人技術有潛力改變國家的未來，并且有望在未來幾十年里像今天的計算機一樣無處不在。相比通過底薪外包給其他國家，通過在柔性制造中采用機器人，將生產更具成本優勢的產品。然而，采用機器人技術的一個關鍵因素是人口老齡化，導致老齡化的勞動力，同時也帶來了在醫療保健方面一系列的挑戰。

我們知道，機器人技術已經足夠先進可以在工作中增強人類的力量。它可以作為人類的同事，從事于骯臟、枯燥和危險任務，能夠提供傭人服務來提高廣大人民生活質量。此外，機器人已經在減少直接危險環境下現場急救員和士兵方面證明了它的價值。機器人技術提供了一個獨特的投資機會，短期內能夠提供新的工作機會，提高生產力，將提高工人的安全，這將促進就業的增加，長此以往，也將會為生活質量的提高以及老齡化社會做出保障。

因此我國的機器人發展藍圖對每一個領域都定義了近期和長期發展計劃，為機器人產業發展關鍵性技術以及相關基礎技術確立5年、10年、15年發展目標。

雖然一些關鍵功能和基礎技術應用在特定領域，但是系統上這些關鍵點將是通用的，如三維感知、規劃和導航、仿人靈巧手、人機交互以及安全機器人行為。

在國家戰略中發展關鍵技術

不僅在制造業方面，美國服務機器人發展也很迅速，已被應用在各個方面。在專業以及家政服務應用上，超過600萬自動真空吸塵器已經被購買，超過20萬的自動割草機在世界范圍內使用。在人身安全方面，專業服務包括電廠檢查以及橋梁等的基礎檢查。服務機器人也可以用于分揀應用，如分揀床上用品、餐品以及醫院的藥物等。

在5年的時間達到了40億美元，其中專業的服務機器人的年增長率是30%，家政、教育、娛樂方面的機器人增長率是20%。美國公司已經占據了這個行業，很有可能繼續保持這個勢頭。

制造業和服務機器人在國外的發展應用

國際上，制造業占了14%的GDP以及11%就業總人數，接近70%來自美國的進出口和制造業有關。

在過去的40年中，機器人應用方面取得了巨大的進步，特別是在汽車行業。近來，電子行業已經成為主導行業。

在一些公司，機器人生產系統已經被用來作為生產制造的促進者，如蘋果、聯想等等。機器人的應用正從一些大公司如通用、福特、波音等到中小型企業過渡，使得一次性產品的制造呈現爆發狀態。在這方面的持續進步依賴于該地區的集成設計，從設計到制造的集成，網絡物理系統集成的新方法以及計算機制造業的提高。最后，還需要培訓年輕人進入制造業，并提供一個清晰的職業路徑規劃。

無論國家和企業都應該樹立國家的科技戰略和價值觀，一旦樹立起來，要做品牌的信譽和尊嚴，要做引領；發展有市場競爭的龍頭實體企業，扶持中小型企業，形成有序的產業鏈（系統集成商、主機、零部件），在很大程度上考慮本土企業的市場空間，增加可持續高附加值，保護戰略產業與裝備本土企業的市場空間，不能簡單的引資。要按照當前機器人發展的重點方向去走，如工業制造、特種環境、服務勞動化、家庭教育等。

在我國，清華大學、天津大學、北航、哈工大等對工業機器人裝備和設計平臺開展了相關研究，發現存在模塊不完善、互操作性和自動化程度較弱等問題。由于我國工業機器人面臨設計能力缺乏、關鍵零部件、系統可靠性和成本等問題，一直沒有形成具有一定規模的產業。不僅設計基本依靠國外相關開發平臺，在維護、更新、改造方面對國外的依賴也相當嚴重。因此，應該繼續建立我國自主知識產權的工業機器人設計開發平臺，有效地降低工業機器人設計門檻，并進一步彌補傳統工業機器人設計方法不足。

同時，針對工業機器人高速、重載、輕量化、低成本的發展趨勢和我國的實際需求，加強機器人正向設計方法基礎理論與關鍵技術研究；建立工業機器人關鍵部件、整機性能測試平臺與數據庫；在現有基礎上，完善和豐富機器人構型庫、部件特性庫和材料庫、開發接近真實環境的仿真與設計平臺；探索設計平臺開發商、應用程序開發商和用戶多方共贏的市場化開發商業模式；推廣國產機器人設計平臺的應用，降低工業機器人設計門檻，彌補傳統工業機器人設計方法不足，促進工業機器人的產業化進程。

更重要的是，工業發展一定要規?；?、服務化、嵌入化，推動智能制造裝備技術發展。大力突破新材料本體、自主導航、靈巧手操作等技術，發展經濟型和智能嵌入服務等產業化任務的服務機器人。

在我國，開展了機器人輔助外科手術臨床應用。 醫療外科機器人在北京海軍總醫院、北京積水潭醫院、北京解放軍301醫院等臨床應用5000例以上，并獲得了醫療許可證、北京市醫保等；工程車輛物聯網服務監控器3萬臺套，提供車輛租賃、定位、油耗、故障診斷、工作工況等增值服務；工業機器人控制系統，在奇瑞通過了15臺套30天×24小時可靠性測試，并且電焊機器人控制器在奇瑞車間2臺套應用；另外搬運、弧焊機器人控制器等也都通過了測試并得到了應用。

如今，新材料、微電子、通信、人工智能等學科的突飛猛進，為機器人的高度智能化奠定了基礎。機器人正在逐步走向產業化，這是一個拐點，是歷史機遇，得到了越來越多的投資關注。而這個技術和原始創新又是我們掌握主動權的最關鍵。我們要抓住關鍵要素和機遇，理性發展，為中國走向制造大國提供強有力的推進，要以國家技術創新為牽引，在推動支持產業企業結構調整中，與廣大企業和科技領域一起努力，期待中國機器人技術和產業發展的春天。