工業機器人發展現狀及地方工科院校一體化育人體系建設思路

曲永印，艾學忠，高興泉，劉 麒

(吉林化工學院，吉林 吉林 132022)

制造業是國民經濟的主體，是立國之本，興國之器，強國之基.在《中國制造2025》和德國工業4.0的大力推動下，智能制造無疑是新一輪工業革命的核心，通過信息技術與制造技術的深度交叉融合，才能帶動制造業數字化水平和智能化水平的大幅提升[1].其中工業機器人是智能制造業最具代表性的裝備，其作為智能制造的重要組成部分，是實現產業升級、智慧跨越的關鍵[2].而實現這一目標的關鍵則是掌握工業機器人技術的人才培養地方工科院校，它代表著我國智能制造行業發展的平均水平，同時在科技創新和經濟發展中發揮了不可替代的作用.因此本文從地方工科院校的視角分析當前國內外工業機器人發展現狀，利用工業機器人多學科交叉融合的特點，基于智能制造的產業先驅工業機器人，提出培養寬口徑、高素質、復合型、一體化實踐育人體系的構想，滿足新工科人才培養需求，并逐步落實，適應新一輪工業革命的發展[3].

1 國外工業機器人的發展現狀

由于發達國家的勞動力出現地比較早，環境的因素也促使他們很早就開始發展工業機器人，從而形成了先發的優勢.比如美國，從上世紀50年代已經提出了“工業機器人”的概念；而日本在70年代就已經形成了工業機器人產業化的發展.他們有深厚的技術積累，包括一些關鍵部件的核心技術[4].

1.1 美國工業機器人發展動態

美國是機器人的誕生地.1954年，美國戴沃爾最早提出了工業機器人的概念，并申請了專利.1958年，被譽為“工業機器人之父”的Joseph F.Engel Berger參與設計了第一臺Unimate機器人.1962年，研制出世界上第一臺工業機器人[5].比起號稱機器人王國的日本起步至少要早五、六年.20世紀60年代到70年代期間，美國的工業機器人主要立足于基礎研究，只有幾所大學和少數公司開展了相關的研究工作.隨著日本工業機器人在工業生產中的應用，美國感到形勢緊迫，才開始真正重視機器人.經過40多年的發展，美國現已成為世界上的機器人強國之一，基礎雄厚，技術先進.據統計，截止到2009年底，美國運行的工業機器人大約有19.4萬臺.目前，美國工業機器人供應商有Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation等公司.據聯合國歐洲經濟委員會(UNECE)和國際機器人聯合會(IFR)的統計，美國制造業中，每1萬雇員擁有63個工業機器人.盡管從排名上說，美國已經進入世界前十名，但其與前幾名仍然有著很大的差距，僅相當于德國的43%，意大利的54%，歐盟的68%.與普通的制造業相比，美國汽車工業中每萬個產業工人擁有的工業機器人數量大大提高，達到740個，但仍然遠遠低于日本(1 400個機器人)和德國(1 000個機器人)[6].

近年來，美國針對機器人技術研發，推出了DARPA的自主機器人研究計劃、聯合機器人研究計劃等，大力推動機器人在軍事、工業等各個領域的應用，美國的先進制造伙伴計劃，明確提出建立美國在新一代機器人方面的領先地位，重點研發新一代與人緊密協作的機器人，提升產業工人、健康保健從業者、手術醫生以及宇航員完成困難任務的能力[7].盡管在工業機器人的發展上，美國走了一條重理論研究，輕應用開發的曲折道路，但與其他國家相比，美國機器人的技術更加全面、先進，適應性也很強.此外，美國機器人的智能技術發展也很快，其視覺、觸覺等人工智能技術已在航天、汽車工業中廣泛應用.高智能、高難度的軍用機器人、太空機器人等發展迅速，已實際應用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測等方面[8].

1.2 日本工業機器人發展動態

日本素有“機器人王國”之稱，自1968年從美國引進機器人及其相關技術之后，就開始了自主研發和生產機器人的道路.經過40余年的發展，日本工業機器人領域出現了FANUC、安川、川崎、OTC、松下、不二越等國際知名品牌，技術領先，質量可靠性強.據統計，目前全世界投入使用的機器人大約有95萬臺，其中日本就占了38%，位居各國之首，可以說占據了世界機器人產業的半壁江山[9].日本在2014年《新經濟增長戰略》中把機器人產業作為本國經濟增長的重要支柱，通過擴大機器人應用領域、設立“實現機器人革命會議”、出臺放寬限制的政策等，促進機器人使用.日本制定了到2020年制造業機器人使用量增加2倍、市場規模達到2.85萬億日元的目標.

日本機器人的種類齊全，主要分為兩大類：工業機器人和服務型機器人.工業機器人用于生產工作，日本的工業機器人產品按應用領域劃分為四類，分別是噴涂機器人、原材料運輸機器人、裝配機器人、清潔機器人.按照工業分支應用的比例為：自動化零部件工業占35.1%；電機械制造工業占27.3%；塑料制品工業占9.7%.數據顯示工業機器人在汽車和電子領域的應用比例高達62.4%，這兩類產業是推動日本國內機器人產業增速的引擎.而服務型機器人則幫助人解決生活中的問題[10].近幾年，日本的工業機器人在食品、藥品、化妝品所謂“三品產業”領域的應用有較快的發展.與汽車和電子行業的應用不同，這些產業衛生標準更高，而解決這些衛生標準等諸多問題需要有更先進的技術支持.應用于制造業以外的機器人大多都可歸入服務型機器人范疇.在服務型機器人開發領域，日本同樣領導著世界潮流，索尼、日立等30多家企業和早稻田大學、九州大學等十多所大學，在服務型機器人開發方面取得重要進展.

總體而言，日本機器人位居世界前列得益于其齊全的機器人種類，繁多的知名企業，以及龐大的產業和完整的產業鏈.

1.3 德國工業機器人發展動態

20世紀70年代中后期，德國政府采用的積極行政手段為工業機器人的推廣開辟道路，如在“改善勞動條件計劃”中規定，對于一些危險、有毒、有害的工作崗位，必須由機器人來代替.這個計劃為機器人的應用開拓了廣泛的市場，并推動了工業機器人技術的發展[11].

德國工業4.0的提出極大地鼓舞了德國制造業向著更高、質量更好的方向前進，同時機器人這一工業科技時代“標志性硬件”的普及，使人工勞動力得到了極大的解放.例如，大眾汽車在德國被稱為“國民的汽車”，其受歡迎程度可見一斑.而在位于薩爾茨吉特的大眾汽車發動機制造廠里高低起伏中的工業機械機器人手臂無不展示德國工業的強力實力，透過這些機器的觸角，德國已將“工業4.0”注入制造業的每一方土地.在一條條生產線旁，機器人們在專業而毫無怨言地忙碌著.一眼望去，整個車間只有寥寥數名工人，一個個小型“變形金剛”在富有節奏感的機械聲中大顯身手，恍如未來工廠.機器人的廣泛應用，不僅讓制造成本得到有效降低，平均生產每臺發動機所消耗的能量和污染排放分別降低了67%和70%.因此，在德國“人機協作”早已成為德國現代工廠生產發展的主流，不論是作為“領頭羊”的大型企業，還是甘當“隱形冠軍”的中小企業，都無一例外地乘上了“智能化”這輛超級快車，積極踐行著德國工業的超級版圖“工業4.0”[12].

最近，歐盟啟動了全球最大民用機器人研發計劃——“SPARC”，計劃到2020年投入28億歐元，創造24萬個就業崗位，目標是將歐洲機器人產業占全球總產值比重由2014年的35%提升到2020年的42%.該計劃將有200多家公司、1.2萬研發人員參與，包含機器人在各個領域的應用.而以德國為代表的工業機器人行業顯示，該行業從2010年至2017年期間該行業年平均增長幅度為10%，同期銷售額幾乎翻了一番.預計2018年機器人和自動化設備的銷量將達到158億歐元(約合185億美元)[13].

綜上所述，世界正處于第四次工業革命時期，國際上工業機器人技術在制造業應用范圍越來越廣闊，其標準化、模塊化、智能化和網絡化的程度也越來越高，功能越來越強，正向著成套技術和裝備的方向發展.與此同時，隨著工業機器人向更深更廣的方向發展以及智能化水平的提高，工業機器人的應用已從傳統制造業推廣到其他制造業，進而推廣到諸如采礦、農業、災難救援等非制造行業，而且在國防軍事、醫療衛生、生活服務、教育娛樂等領域，服務機器人也嶄露頭角，有望成為未來服務行業的主流手段與力量.根據全球機器人應用行業的市場份額圖，如圖1所示，更加說明目前工業機器人的當今應用發展的趨勢[14].

圖1 全球機器人應用行業市場份額圖

2 國內工業機器人的發展現狀

相對于工業強國，中國工業機器人的起步比較晚.我國于1972年開始研制自己的工業機器人，先后研制出了裝配、噴漆、切割、包裝、碼垛、搬運、焊接、科研以及教學、機床加工等各種用途的工業機器人，形成了機器人產業化基地并實施了機器人應用工程，為我國工業機器人產業的騰飛莫定了基礎[15].國內很多研究機構和大學開展了大量工作，在機構、驅動和控制等方面取得了豐富成果，為國內工業機器人產業的創新發展奠定了技術基礎.圖2顯示了截止到2016年中國工業機器人的市場銷量及國產機器人的銷量.據估計，工業機器人的數量將從2016年底的180萬增加到2020年的300萬，年均增長率為14%.2016年以來，最大的工業機器人安裝基地在中國.到2020年，中國工業機器人數量將達到近100萬個，預計在亞洲所有地區的機器人數量將達到190萬個，幾乎相當于2016年全球工業機器人的數量[16].然而，作為衡量一個國家自動化水平的重要標準，我國每萬名產業工人所擁有的工業機器人數量仍然遠低于發達國家.以我國1億制造業產業工人總數計算，預計到2020年，達到目前世界發達國家機器人裝機密度中等水平，我國需增加機器人裝機量130萬臺；到2030年，達到目前世界發達國家機器人裝機密度先進水平，我國需增加機器人裝機量250萬臺.各項數據都表明數年以后世界范圍內的機器人需求會保持增長狀態[17].

圖2 中國工業機器人的市場銷量及國產機器人的銷量

據國際機器人聯合會數據顯示，自2013年起，中國已連續兩年成為機器人第一消費大國，并預計2015年增長率30%，2016～2018年預估每年平均增長大于25%．在巨大的市場規模誘惑下，國際機器人巨頭如ABB等將生產研發中心，并大力發展上下游合作伙伴、集成商，帶動了整個產業鏈條上本土機器人生產企業的發展[15].中國制造2025的提出，是新時期我國政府實施制造強國戰略的重要行動綱領，制造業是國民經濟的主體，沒有強大的制造業，就打造不出具有國際競爭力的產品和品牌，是我國技術和產業實現從0到1質變的過程，對技術的需求和要求更高，在加速技術攻關的同時，我國也積極支持機器人產業化基地的建設.沈陽新松、廣州數控、哈爾濱博實等企業在工業機器人本體生產制造和系統集成方面不斷發展壯大，開發出弧焊、點焊、碼垛、裝配、搬運、注塑、沖壓、噴漆等工業機器人.我國也初步形成了工業機器人伺服電機、減速器、伺服驅動器、控制器等核心零部件產業鏈[18].但是，從創新技術角度來看，我國與發達國家之間差距明顯，工業智能化的發展存在諸多不足，在自主創新能力、能源的高效利用、集成智能化等領域較世界先進水平還有很大一段距離.所以需要進一步通過信息技術與制造技術的深度融合，加強新型機器人整機集成技術能力，驅動器、電機、伺服系統、減速器等關鍵部件的發展，要在繼續支持攻關的基礎上，充分利用國際資源，通過并購合作的方式，實現關鍵零部件產品的升級跨越，以支撐機器人整機發展才能帶動制造業數字化水平和智能化水平的提升.同時，應該加大對智能控制、導航定位、移動通訊、大數據、人機交互等核心關鍵技術研究的支持力度，抓住發展機遇，穩固世界制造業大國地位，向世界智能制造強國邁進.

3 工業機器人育人體系建設思路

隨著工業機器人先進技術的不斷發展，工業機器人的智能化程度越來越高.在我國，某些關鍵技術已達到或接近國際先進水平，中國工業機器人在世界領域中已占有一席之地.而對于人才的培養也需要與時俱進，才能適應日新月異的技術需求.因此地方工科院校承擔著為地方經濟建設提供人才支撐的重任，應該緊跟時代需求，制定校企一體化方案來規劃工業機器人的育人體系，總體構想如下：

工業機器人是集電子、機械、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科的先進技術于一體的現代制造業自動化設備.工業機器人應用是典型的多學科交叉融合的行業，所以就需要學校建立仿真實訓系統，自制實驗設備，設計自動化生產線，建設工業實訓基地，創辦工業實訓工廠，保證硬件條件建設.在此基礎上，構建并開設多層次-遞進式理論實踐教學體系，引導和培養學生基本能力、工程能力、創新能力、個性能力.通過與企業協同訂單式的聯合培養及就業，不斷反饋學生與職業的匹配度修正教學體系，使培養工業機器人一體化體系形成閉環反饋系統，促進現代制造業的發展.具體構想如下：

3.1 基本理論與基本實驗一體化

按照“理論適用，能力為重”的原則，合理地設置通識課程和專業基礎課程的內容并對應確定實驗課程比例，搭建基本教學理論及基本實驗平臺.該工業機器人基礎一體化平臺應具有配套課程標準、課程教案、多媒體課件、實訓手冊等完善的教學資源庫，形成了更加集成、高效、系統化的集教學和管理功能為一體的軟硬結合的工業4.0數字教學資源平臺，如圖3所示.目的是掌握工業機器人的基本功能以及涉及到相關學科的基礎知識，同時掌握并強化基本操作的技能，培養學生的動手能力.

圖3 教學資源平臺構架圖

實驗室每個設備應當采用的當下現代化工廠的主流控制器、傳感器、工業執行器，并設有獨立的PLC系統，編程監控電腦，故障設置模塊、故障排除模塊、上件工位、系統操作箱、指示燈等，這些設備可以單獨完成與基本知識相關的基礎實驗.

3.2 綜合理論與工程教育一體化

構建專業基礎綜合知識和專業綜合理論體系，培養工程能力，并與工業機器人應用企業協同共建，側重學生工程研究、設計、應用等內容，強化學生的工程能力，在此基礎上構建工程教育一體化平臺.由于工業機器人實踐教學平臺貫穿應用型工程師整個人才培養過程，實現了由簡單到復雜，由單一到綜合的循序漸進的實驗過程.這就要求高校建立以工業機器人與工業4.0“智能制造”理念和內涵為出發點的工業機器人智能制造實驗室，如圖4所示，實驗室基本組成包括：工業機器人三維仿真與離線編程軟件區、工業機器人教學管理系統及教學資源區、工業機器人裝配與維護3D虛擬仿真區、工業機器人真實器件安裝調試區.在基礎驗證實驗基礎上，以數字化設計為核心，提供現代智能制造及數字化設計的綜合實驗研發平臺，把學生所學的綜合理論知識轉化到實踐應用，就需要到實驗室仿真與軟件編程區進行實際的仿真操作如圖5所示，通過使用軟硬結合的工業機器人仿真技術，即所有分站以及機器人實物單元的3D虛擬仿真模型，教師提供實際案例，學生在虛擬仿真軟件環境中中動手操作，將編寫的程序寫入軟件中的虛擬智能生產系統，測試其工作過程是否與設計目標一致，如一致才會將程序寫入真實硬件系統中(具體流程如圖6所示)，這種方法可以完成模擬工業4.0“智能生產”過程，提供給學生更多實踐實訓的自由學習空間，提高學生綜合實踐能力.

圖4 一體化實驗室仿真圖

圖5 3D虛擬仿真實訓軟件

圖63D虛擬仿真實訓軟件的虛實一體教學實驗平臺

3.3 交叉理論與創新實踐的一體化

針對工業機器人多學科交叉融合的特點，利用跨專業的綜合知識，通過校企聯合的創新實踐基地、企業研究院、企業工作站等多渠道建立工業機器人各類典型應用工作站，推動學生參與實際應用的科研項目、新產品的開發與研制，最終實現研究-設計-組裝-實驗-實踐一體化教學模式.同時根據客戶需求提供電子產品智能制造生產線，可使學生學習智慧工廠等智能制造系統相關知識與技能，提高學生掌握工業機器人在各種行業應用等知識與技能能力，實現學生創新能力的培養，同時也為學生的個性能力奠定了堅實的基礎.

4 加快推進工業機器人教育的舉措

為了盡快將上述工業機器人一體化育人體系構想變為現實，我校積極研究具體落實措施，在成立學術組織、硬件條件建設、加強師資培訓、增加招生方向、構建課程體系等方面做了諸多卓有成效的工作.

4.1 校企聯合成立相關產業研究機構

根據開展科技創新，實現校企聯合、高校強省，產學研一體化建設需求，由吉林市20余家企事業單位聯合發起和申報成立了吉林市人工智能與機器人產業應用技術研究院，我校校長當選首屆理事會理事長，機電工程學院、信息與控制工程學院、航空工程學院等多位教師當選首屆理事會理事.

此前，由吉林市科技局發起，吉林市27家企業負責人和吉林市其他4所高校聯合成立了吉林市智能制造及物聯網產業應用技術研究院，我校副院長當選為研究院理事長，信息與控制工程學院院長當選為執行院長.

這兩個學術機構的成立，為推動工業機器人校企聯合研究與發展機器人技術提供了組織保證，我校作為理事長單位必將加大人財物投入力度，加快跟蹤當前機器人技術發展步伐，積極培育掌握相關技術的應用型人才.

4.2 強化育人硬件條件建設

2017年，我校申報的中央地方共建項目“工業機器人應用技術實訓平臺”獲得400萬元建設經費支持，目前所有設備均已安裝調試完成投入教學使用，該機器人實驗室的建設，為廣大師生及企業提供了一個集科學研究、專業教學、大學生科技創新創業訓練以及新技術新產品的開發、生產等功能于一體的學科研究平臺.經過平臺訓練的學生參加學科競賽，共獲省特等獎1項，省一等獎3項，省二等獎5項.

為了進一步拓展機器人的應用領域，我校與北京大學聯合建設了“仿生機器魚”實驗室，豐富了機器人育人體系.同時，我校積極與達內集團商討共建人工智能學院事宜，現已確認了校企雙方共同努力共建人工智能學院項目的模式，使學校快速響應人工智能相關專業的建設需求，加快培養符合人工智能領域發展需要的創新型應用型人才.

4.3 大力加強軟件相關條件建設

育人大計教師為本，為了盡快培養機器人教育所需師資，學校選派優秀教師分批次到有關高校進行研修，學習機器人相關課程，與導師開展合作研究，提高機器人教育教學水平.

學校領導及時與相關教學院溝通，明確要先在招生計劃中增加機器人方向，搶占育人先機，同時加快申請機器人專業的步伐.

信息與控制工程學院根據機器人方向教學需要，適時修訂了相關專業的培養方案，調整課程體系，以滿足新方向教學需求.

5 結 論

隨著工業化的大力發展，工業機器人技術日趨成熟，李克強總理在2015年提出了實施制造強國戰略的第一個十年計劃—“中國制造2025”.該計劃以創新為基礎，質量為保證，綠色發展為手段，培養知識型、技術型、創新型人才為主要目標，以“政府引導，市場主導”為基本原則，優化產業結構，力爭到2025年達到制造業世界強國水平，基本實現現代化.為了迎接新技術的挑戰，地方院校要緊跟時代步伐，加快育人體系與育人平臺建設，大力培養滿足社會需求的工業機器人技術人才.