工業機器人：引領智能制造支撐轉型升級

黃忠魁

當今時代，隨著物聯網、云計算等新一代信息技術的快速發展，傳統制造逐步向智能制造發展，傳統企業逐步向智慧企業發展。發展智能制造，構建智慧企業，是推動信息化與工業化深度融合（簡稱“兩化深度融合”），促進工業轉型升級的重要途徑之一。對于軍工企業來說，智能制造首當其沖。

智能制造是指制造的過程和制造的產品智能化程度較高。從制造的過程來看，在產品研發設計、生產加工、經營管理等關鍵環節都采用智能工具，各個流程的自動化、智能化水平較高。從制造的產品來看，在產品中嵌入了數字化、網絡化、智能化技術，提高了產品的信息技術含量和附加值。近年來，兩院院士們多次指出：“柔性制造、網絡制造、綠色制造、智能制造、全球制造日益成為生產方式變革的方向。”智能制造是制造業發展的高級階段，是先進制造業的重要內容，是兩化深度融合的具體體現。中國制造業要實現轉型升級，從“中國制造”走向“中國智造”，必須大力發展智能制造。在工業領域，尤其是在航天領域，智能機器人產業正方興未艾。

作為國家核心和重點的航天企業，航天三院始終以服務國家經濟和戰略安全為己任。依托國家對航天企業在人力、政策、資金、稅收和貸款等方面的大力扶持，憑借在傳感器技術、控制技術、移動技術、信息處理、人工智能、控制工程等多學科技術領域的優勢，航天三院主動投身于國家智能制造，積極搭建起智能機器人研發需要的以市場和項目為牽引的快速研發平臺和市場反應機制，逐步摸索出具有航天特色的轉型升級和智能制造之路。

數一數工業路上的機器人

上世紀60年代，美國發明了現實中的機器人；此后，日本引進了美國機器人技術，并很快將其應用到汽車產業；上世紀80年代，德國將工業機器人引入到紡織業中；上世紀90年代后期，工業機器人逐步擴展到制造、安裝、檢測、物流等生產環節，并廣泛應用于汽車、電子電器、電力、航天航空、冶金、家電、通訊等行業。

如今，工業機器人正向著更深、更廣的方向發展，智能化水平持續提高，應用范圍不斷擴大。機器人早已不是人們簡單理解的一種產品和技術工具，機器人改變的生產方式，不是單一的效率提高，而是帶來制造業在制造模式、理念、技術多個層面的深層次變革。所以，由機器人技術、信息技術和數字制造帶來的新工業革命正快步走來，它將改變全球制造業格局，產業重新定位，企業必須轉型升級。

據相關專家介紹，從技術發展過程來看，工業機器人可分為三代：第一代是示教再現機器人，其主要特點是使用示教盒在線示教編程，并保存示教信息，當機器人自動運行時，由運動控制器解析并執行存儲的示教程序，使機器人實現預定動作；第二代是離線編程機器人，此類機器人采用了計算機實體模型仿真技術，先建立起機器人及其工作環境的實體模型，采用相關算法對實體模型進行路徑規劃，然后通過編程對實體模型進行三維動畫仿真，最后將代碼傳遞給機器人控制部件實現運動控制；第三代就是出現在各類電影大片中的智能機器人，在第一代和第二代的基礎上集成了各種傳感器，通過傳感器獲得外部信息，并進行信息反饋，然后靈活調整工作狀態，保證在適應環境的情況下完成各類工作。目前主流機器人是第二代工業機器人，第三代智能機器人在發達國家也占了相當比例。

工業機器人未來的發展方向，主要體現在新型機器人的創新以及機器人應用技術的豐富和發展：不同構型和負載的各系列機器人產品研發，向模塊化、可重構方向發展；傳感器作用日益重要，除采用傳統的位置、速度、加速度等傳感器外，應用視覺、力覺等傳感器的多信息融合的機器人系統也開始在裝配等領域發揮作用；具有更強的自適應性和復雜工藝能力的機器人控制技術、運動補償技術、離線編程技術、自診斷和自修復等技術也是未來的主要研究方向。總之，未來工業機器人朝著標準化、輕巧型、柔性化、智能化等方向快速發展。

走向生活、安全可靠、操作簡單是未來工業機器人的發展趨勢。

同時，工業機器人在航天領域的應用會隨著“再工業化”的產生與發展日益增多和加強，終將以驚人的速度發展，實現高適應性、智能化、多功能化。

看一看機器人與中國“智造”

在機器人與中國“智造”的道路上，航天三院33所智能機器人研究室的主任張新華和他的團隊始終在奔跑。從在國內首次實現裝卸源機器人的工程應用，到主持成立北京市機器人工程技術研究中心，在推進國家智能制造裝備工程化的進程中，他們始終走在前列。

在2014年全國工業和信息化工作會上，工業和信息化部部長苗圩指出，要選擇鋼鐵、石化、紡織、輕工、電子信息等領域開展智能工廠應用示范。有行業分析師表示，此舉意味著我國部分工業領域將加速推進工業4.0 建設，迎來“智造”的春天。機器人產業作為高端裝備制造產業的重要組成部分，其研發、制造和應用將成為衡量一個國家工業重心和高端制造業的重要標志，機器人革命很可能成為第三次工業革命的切入點和重要增長點，影響全球“智造”業格局。

張新華也拿出了《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》，文件中明確指出：“發展戰略性新興產業已成為世界主要國家搶占新一輪經濟和科技發展制高點的重大戰略”，并將“高端裝備制造產業”列為七大戰略性新型產業之一。

張新華表示，雖然目前工業機器人的應用領域主要集中在汽車制造業、汽車零部件、電力電子工業、金屬加工業、塑料制品、飲料/食品等行業。但隨著智能化水平的提高，智能機器人將成為柔性制造（FMS）、工廠自動化（FA）、計算機集成制造系統（CIMS）等領域的自動工具。

據國際機器人聯合會統計，近年來隨著人口紅利的消失，工業機器人在中國的應用急速攀升。2013年中國市場共銷售工業機器人近37000臺，總銷量已經超過日本，成為全球第一大工業機器人市場。截至2014年9月，國內機器人企業已達420家，各省市在建機器人工業園區超過30個，2014年已經有54家A股上市公司并購或投資了機器人和智能自動化項目。

按照25%的增長速度，到2017年我國的工業機器人市場將有10萬臺的年需求量。但值得注意的是，在2013年銷售的37000臺機器人中，國外企業生產的占75%，大多是技術含量較高的機器人；由中國企業生產的，僅占25%，且大多是對性能要求降低的機器人。加之國外公司在電機、驅動控制器和減速器等核心功能部件方面的壟斷，已經成為制約國內機器人產業健康發展的瓶頸。

航天機器人已走上生產線

此種情況下，33所于2014年獲批成立北京市機器人伺服與控制系統工程技術研究中心。以此為平臺，將聯合政府、高校、企業、研究機構等多方力量共同開展機器人及伺服控制相關技術研究和科技成果的轉化落地工作。研發方向主要包含伺服電機、模塊化驅動器、減速器和控制器等核心功能部件及機器人整機。

經過三年的努力，33所機器人的研發已經涵蓋機器人系統、人工智能、機器人機構、機器人電氣、伺服電機五大專業，初步形成機器人核心功能部件及整機研發、生產和裝配調試的能力，建立了機器人設計開發平臺，完成了包括智能移動機器人、靈巧性機械臂放射源裝卸機器人和系列臺式工業機器人等機器人整機和系統項目研發。

其中，33所于2013年自主研發了我國首臺裝卸放射源的機器人，將工人從放射源裝卸的輻射威脅中解放出來。該型機器人可以實現多種放射源和儀器的靈活作業的要求，采用圖像識別、視覺伺服與末端隨動綜合控制技術，精確完成放射源裝卸。而且，經過精心設計的靈巧末端夾持器可以確保夾持可靠，不會對放射源造成損傷。

除了石油領域，在煤礦、電網等領域，特種機器人也有大顯身手的地方。面向反恐、偵察、排爆、電站巡檢、煤礦巷道探測等方向，33所開發了中、小型通用移動機器人，融合了航跡推算、路徑跟隨、自主避障等多項導航控制技術。

代號為MGT-20K移動機器人就有這個“絕活”，憑借履帶和兩條手臂，可適應樓梯、沙灘、瓦礫、街道等多種路面，具有較強的爬坡、越障能力。上面安裝的航姿系統、GPS、激光雷達等多種傳感器，可用于變電站巡檢、危險環境偵查、搜救和排爆等工作。

除了能跑會動的“活力派”，33所還針對市場需求研發了系列小型臺式工業機器人，這些安靜坐在工作臺上的小家伙們分別將各自拿手的“繞線圈、打螺絲、點膠、焊接、食品裝盒……”動作一氣呵成。據33所技術人員介紹，這十余臺機器人組成了一條流水線，可以完成電路板焊錫、印制板點膠、螺釘裝配和印制板切割等工作，可應于電子部件生產、裝配、包裝等領域。首批40臺產品已經應用在空調、音響控制面板、電子智能鑰匙等汽車零部件的生產領域。

“機器人不需要休息，不要加班費，不會跳槽，更不會跳樓，當很多人抱怨自己每天的工作就像機器人一樣，已經有很多工業機器人可以像人一樣工作了。”當被問到為什么搞小型臺式工業機器人研發時，張新華幽默地說到。

33所的機器人家族雖然小“個子”居多，卻也不乏大“塊頭”，該所為礦泉水生產線訂制自動碼垛機器人，就是一個名副其實的大“塊頭”。它每分鐘可以碼30箱礦泉水，碼垛層數可達5～8層。之前，該公司一直依賴進口，而采用國產化的設備后，除機器人采購成本減半外，日常應用成本降低了60%以上。

在張新華看來，他想要做的不僅僅是那些只能簡單替代部分工作的機器人，而是具有感知能力的智能機器人，他們有著發達的“大腦”，甚至可以模擬人類的思維。“將來的工廠可以通過智能機器人實現真正的‘無人化，多傳感器技術、物聯網、大數據、云制造等都將融合到機器人制造中。只有實現了這些，我們才能說自己真正為國家的智能制造做了點事。”

未來，三院33所牽頭的北京市機器人工程技術中心，將擔負起推進機器人及核心功能部件技術研發和國產化的重任，助力國家智能制造裝備工程化進程。同時，推進智能制造技術和裝備在石油加工、煤炭開采、機械加工、食品加工等典型領域中的示范應用，為國民經濟重點領域和國防建設作出更大貢獻。