工業機器人的現狀及發展趨勢研究

田闖

[摘 要]隨著國家乃至全球范圍內對智能制造的大力推廣，工業機器人成為智能制造執行端的核心產品之一。本文簡要介紹工業機器人的基本概念，詳細分析工業機器人的市場現狀及影響國內機器人發展的主要因素，最后探討工業機器人的發展趨勢，旨在為相關研究提供借鑒。

[關鍵詞]工業機器人;智能制造;發展趨勢

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2019.20.070

[中圖分類號]TP242.2[文獻標識碼]A[文章編號]1673-0194（2019）20-0-02

0 ? ? 引 言

隨著工業生產的發展，產品需求的個性化趨勢越來越明顯，用戶至上成為企業的核心思維，用戶對資源配置、產品設計的影響力不斷上升，未來客戶可以根據自己的要求直接參與產品工程和設計中，產品可以完全按照個人意愿進行生產。為了實現該目標，全球范圍內掀起了智能制造的浪潮，德國、美國、中國先后提出了工業4.0、工業互聯網、中國制造2025，預示著信息技術與傳統制造業融合是傳統制造業發展的必然趨勢，制造業將逐步向定制化、個性化、服務化方向轉型。

1 ? ? 工業機器人概述

機器人是自動執行工作的機器裝置，可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的程序執行工作，還可以根據人工智能技術制定的原則綱領行動。機器人的主要作用是代替人類工作，比如生產、建筑等比較危險的作業崗位。機器人有3個主要特征：①有“大腦”，“大腦”指自動控制的程序;②有“身體”，具有一定的結構形態;③能夠完成一定的動作。按照機器人發展的3個階段，主要可以分為3類：第一階段是再現型機器人，目前的主流機器人大部分都是這種，運動軌跡規劃好后讓機器人重復再執行;第二階段是有感覺機器人，通過集成視覺、觸覺傳感器讓機器人能夠感知周圍環境變化;第三階段是智能機器人，通過云計算、大數據、人工智能等技術，根據算法自動做一些決策和行動指令。

從應用環境來分類，可以分為工業機器人和特種機器人。工業機器人是面向工業領域的多關節機械手或多自由度的機器裝置，主要應用在工業領域，比如移動機器人、焊接機器人、激光加工機器人、真空機器人、潔凈機器人等。特種機器人指工業機器人之外的，應用非制造業并服務于人類的各種機器人，比如服務機器人、水下機器人、軍用機器人、農用機器人、巡檢機器人和空中機器人等。

焊接機器人典型應用在汽車制造業，通過使用焊接機器人實現弧焊和點焊，性能穩定，工作空間足夠大，速度足夠快，負荷能力強，明顯優于人工焊接，大大提高焊接效率和正品率。移動機器人最早應用在電商領域，實現貨物分揀、搬運。巡檢機器人主要用于大型變電站所，這些地方分散在相對比較荒野的地方，輻射較大，不能長期派人駐守，從而使用巡檢機器人完成日常巡檢工作。激光加工機器人，通過高精度工業機器人實現更加柔性的激光加工作業。真空機器人，是一種在真空環境下工作的機器人，有些產品的生產環境需要達到真空環境，比如芯片，這時真空機器人可以派上用場。

2 ? ? 工業機器人的市場分析

2.1 ? 全球范圍工業機器人銷售量分析

根據國際機器人聯合會（IFR）提供的2006-2017年全球范圍工業機器人銷售量的報告可以看出，除了2008年經濟危機導致2009年工業機器人銷售量萎縮，其他年份基本都按照一定比例增長，特別是2017年，增長幅度高達31%，遠遠超過2012-2016年14%的平均增長率。其中，2016-2017年增長幅度較大，主要受到汽車和電子兩大行業的影響。汽車行業，在2017年出現了比較顯著的現象是新能源汽車的開發應用，比如阿里的小鵬等，大量的生產新能源汽車工廠建設導致工業機器人用量激增;電子行業方面，2017年，日常使用的手機發生了很大變化，以蘋果為代表的“劉海屏”出現，以前的智能手機屏幕相對來說只有大小區別，生產工藝變化不大，因此，改造屏幕的生產線也不會太大，而“劉海屏”這類異形屏出現使手機內部電子連線布局，屏幕組裝、測試，攝像頭位置調整等相關手機裝配工藝發生了很大變化，大量傳統手機生產線的改造和更換導致工業機器人的需求量激增。

2.2 ? 我國工業機器人銷售量分析

從中國區來看，同樣在2015-2017年機器人的銷售量穩步增長，2017年比上年增長59%，且國內電子行業首次超過汽車行業，成為了工業機器人第一大銷往的行業。我國工業機器人的保有量和增長量基本都是第一，但是衡量一個國家機器人自動化水平并不單看量，主要看機器人密度（機器人密度指每萬名工人對應的工業機器人數量）。我國通過近年來工業機器人的發展，機器人密度達到97，超過了世界平均水平，但是和新加坡、美國、德國等國家相比，還有一定差距，因此，工業和信息化部、發展改革委、財政部共同印發的《機器人產業發展規劃2016-2020年》提出工業機器人市場應用目標，即集成應用取得顯著成效;完成30個以上典型領域機器人綜合應用解決方案，并形成相應標準和規范，實現機器人在重點行業的規模化應用，機器人密度達到150以上。

3 ? ? 影響我國機器人發展的主要因素

3.1 ? 電機

工業機器人在運行過程中，對電機的快速啟動、快速停止、快速轉向、高精度等性能要求非常高，需要配置專用電機，這類電機區別于市場上普通的自動化電機，自動化電機一般不會突然變向（比如突然正轉變反轉），即使具備突然變向功能，頻率也無法達到工業機器人的性能要求。

3.2 ? 減速箱

減速箱是動力源和執行機構之間的中間裝置，是工業機器人的核心部件。目前，國產工業機器人的減速箱基本上都是外資的，被日本兩家公司壟斷，這兩家公司的減速箱產品分別面向小負載和大負載工業機器人，同時，兩家公司與機器人四大家族（日本的安川電機（YASKAWA）、發那科（FANUC）、德國的庫卡（KUKA）、瑞士ABB）簽署了價格聯盟，因此，國內機器人生產公司購買減速箱的成本會高于價格聯盟中的定價，導致工業機器人的生產成本增加。

3.3 ? 材料

工業機器人的應用場景是大規模重復使用，重復運行精度要求非常高，重復運行會導致材料磨損，磨損會造成定位精度下降，因此，制造機器人的材料需要具有較好的耐磨性，這也是國產機器人大部分都應用大負荷、精度要求不高場合的原因。

3.4 ? 控制軟件

機器人的控制軟件分兩部分：一部分是底層操作系統，比如美國的風河操作系統，Windows系統等;另一部分是機器人的控制算法，又可以叫做工藝包，控制算法可以根據實際生產工藝去編寫，是生產工藝在工業機器人上的具體實現，對產品生產工藝了解比對產品功能了解更重要，直接決定了自動化產線的好壞。進口和國產工業機器人的差別主要在工藝包上，工藝需要不停摸索和積累，是產品生產過程的最佳實踐。

4 ? ? 工業機器人的發展趨勢

4.1 ? 至簡

機器人的制造更簡單，使用傳統制造方式研發一款新機器人大概要用一年半到兩年的時間，對于兩臺不同型號的機器人，各個零件差異很大，在未來，機器人將采用模塊化設計，工業機器人的大部分零部件可以通用，采用類似“樂高積木”模式進行零部件拼接制造，甚至可以實現工業機器人自動化生產。使用和管理方面更簡單，工業機器人的使用通常需要進行培訓，操作有一定的復雜性，在未來，通過APP軟件控制機器人，大大降低硬件投入和維護成本，同時，工業機器人支持聯網功能，加上云服務器，可以實現機器人的遠程管理和維護，實時監控機器人生產運行狀況，及時處理、異常故障快速排除。

4.2 ? 協作

工業機器人的協作通常經歷3個階段，第一階段是工業機器人和人的工作區域完全不重疊，各做各的，機器人的工作區域一般會加個圍欄，防止工作過程中碰到人;第二階段是針對某些特殊的生產流水線，完全靠機器人無法實現自動化生產，需要人工和機器配合完成，但人和機器不能同時進入工作區域，需要相互等著對方完成作業后方可進入工作區域進行作業;第三階段是人和機器人完全共享同一個工位，肩并肩一起工作，不用做圍擋和隔離，這是最理想的人與機器人協作模式，這種協作模式在未來會越來越普遍，這樣的工作模式需要工業機器人更加具有柔性，并集成視覺、壓力等多種高精度智能傳感器。

4.3 ? 數字化技術融合

4.3.1 ? 虛擬仿真技術

機器人虛擬仿真軟件提供了豐富的仿真工具，使工業機器人的自動化流水線設計變得更簡單，通過仿真，在自動化流水線設計初期就能夠完全模擬正式的生產環境和工業機器人的運行態勢，便于修改和調優設計方案。

4.3.2 ? VR技術

通過將仿真軟件與虛擬現實技術相融合，能夠360°體驗虛擬場景，比電腦屏幕去看更加直觀。只要搭好三維場景，帶上VR眼鏡可以在實際生產線上去體檢，實現更多交互，甚至可以在虛擬場景中實際操作工業機器人。

4.3.3 ? AR技術

微軟Hololens能夠把一個全息圖像投影到真實物理環境中，提供了一個看世界的新方式，與機器人仿真軟件相結合，可以在真實世界中看到一臺虛擬機器人，提供機器人項目方案可視化、隨時隨地查到機器人各項數據、遠程操作維護指導等功能。

5 ? ? 結 語

工業機器人的應用越來越廣泛，在工業領域之外，機器人可以化身各種角色，融入各種領域，比如超市售賣、醫療服務、家政服務、舞臺表演等，隨著工業機器人的柔性化程度及人機安全的逐步完善，未來還會有各式各樣的全新領域會出現機器人的身影。