我國工業(yè)機器人的現(xiàn)狀與發(fā)展探究

左俊中

摘要：工業(yè)機器人技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，有利于打造中國制造的新優(yōu)勢，有利于推進我國工業(yè)轉(zhuǎn)型升級，有利于加快我國制造強國建設(shè)，為我國的經(jīng)濟發(fā)展做出重要的貢獻。結(jié)合行業(yè)發(fā)展，文章對我國工業(yè)機器人的現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)研制、未來發(fā)展趨勢等方面進行了敘述。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人;關(guān)鍵技術(shù);發(fā)展趨勢;應(yīng)對措施

0 ?引言

機器人既是先進制造業(yè)的關(guān)鍵支撐裝備，也是改善人類生活方式的重要切入點。機器人的研發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用是衡量一個國家科技創(chuàng)新、高端制造發(fā)展水平的重要標志之一。目前，機器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)已經(jīng)進入了全新的2.0時代，面向工業(yè)領(lǐng)域的工業(yè)機器人已經(jīng)發(fā)展成為一種具備自感知、自決策和自執(zhí)行能力的智能生產(chǎn)機器。工業(yè)機器人在制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，推動社會生產(chǎn)水平的提升，為社會的經(jīng)濟發(fā)展做出重要的貢獻，被譽為“制造業(yè)皇冠上的明珠”。

1 ?我國工業(yè)機器人的現(xiàn)狀

相比于西方發(fā)達國家而言，我國的工業(yè)機器人研究起步較晚，始于20世紀70年代，大致經(jīng)歷了以下5個發(fā)展時期：萌芽期（1970-1985）、技術(shù)研發(fā)期（1986-1990）、原型開發(fā)期（1991-2000）、初步工業(yè)化期（2001-2010）和快速發(fā)展期（2011-至今）。現(xiàn)階段，由于全球經(jīng)濟的快速發(fā)展以及智能制造業(yè)的激烈競爭，我國對工業(yè)機器人的需求和應(yīng)用開始猛增，當前已占全球工業(yè)機器人市場份額約三分之一，成為全球最大的工業(yè)機器人市場。

目前，我國的工業(yè)機器人應(yīng)用領(lǐng)域主要分布于汽車制造行業(yè)、3C電子電氣行業(yè)、金屬加工行業(yè)、塑料及化學制品行業(yè)等眾多領(lǐng)域，其中汽車制造行業(yè)約占33%，3C電子電氣行業(yè)約占27%，兩者約占據(jù)60%的市場份額。

在國家政策的大力扶持之下，經(jīng)過高等院校、科研院所以及企業(yè)的不斷努力，我國的工業(yè)機器人技術(shù)得到不斷地發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷地擴展，國產(chǎn)工業(yè)機器人正逐步獲得市場認可。但是我國的工業(yè)機器人發(fā)展同樣面臨著巨大的挑戰(zhàn)，一方面，我國在工業(yè)機器人控制器、伺服電機、減速機等核心零部件方面缺乏自己的核心技術(shù)，嚴重依賴進口。另一方面，發(fā)那科、安川、庫卡和ABB四大工業(yè)機器人著名國際品牌，占據(jù)了國內(nèi)工業(yè)機器人市場的約70%份額，使得國內(nèi)品牌生存空間小，競爭激烈。

2 ?國外工業(yè)機器人的發(fā)展狀況

世界上第一臺工業(yè)機器人于1962年誕生于美國，經(jīng)過50多年的發(fā)展，美國機器人技術(shù)雄厚，現(xiàn)已成為世界上的機器人強國之一。日本和德國雖然對工業(yè)機器人的研發(fā)晚于美國，但是日本和德國取得的成就不容小覷，在工業(yè)機器人核心技術(shù)方面，日本和德國幾乎包攬了高端工業(yè)機器人領(lǐng)域。日本發(fā)那科（FANUC）、安川電機（YASKAWA）、德國庫卡（KUKA）和瑞士ABB被稱為全球工業(yè)機器人的“四大家族”，占據(jù)約50%的全球市場份額。

德國于2011年率先提出“工業(yè)4.0計劃”，“工業(yè)4.0”時代的機器人不再是獨立的單元，而是與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能緊密關(guān)聯(lián)，需要具備與其他智能設(shè)備高度互聯(lián)與實時交流、快速處理復(fù)雜信息等多種能力，具備柔性、安全、精確、高速、易操作等特點，實現(xiàn)人與機器更協(xié)調(diào)的合作。

日本于2015年1月發(fā)布了《新機器人戰(zhàn)略》，提出了日本機器人包括強化易用性、柔性、簡便性、自主化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化的新發(fā)展方向。為了發(fā)展下一代機器人，日本還在營造創(chuàng)新環(huán)境、加強應(yīng)用型人才建設(shè)、推進技術(shù)和產(chǎn)品國際化等方面制定了一系列的重要舉措。

德國工業(yè)4.0計劃和日本新機器人戰(zhàn)略，對我國工業(yè)機器人的發(fā)展具有十分積極的啟示意義。

3 ?工業(yè)機器人的核心技術(shù)分析

對于工業(yè)機器人而言，減速機、伺服電機和驅(qū)動器、操作系統(tǒng)是工業(yè)機器人的關(guān)鍵零部件，對工業(yè)機器人的性能起著決定作用，也是國內(nèi)外工業(yè)機器人的核心競爭力所在。

3.1 高精度RV減速機

高精度RV減速機具有微進給、零側(cè)隙、高剛性、大扭矩和大減速比的特點，目前國內(nèi)高精度RV減速機產(chǎn)品嚴重依賴進口。高精度RV減速機的主要關(guān)鍵技術(shù)包括：

3.1.1 嚴格的材料成型控制技術(shù)

高精度RV減速機對基本部件的材料有較高的要求，如：減速齒輪需要具備高耐磨性、高剛性和高精度等性能。因此，特別需要對材料的化學元素、元素含量、金相組織以及熱處理工藝等予以嚴格控制，才能保證關(guān)鍵零件之一的減速齒輪具備高性能，滿足使用要求。

3.1.2 精湛的特殊零件加工技術(shù)

非標且結(jié)構(gòu)特殊的軸承是RV減速機不可或缺的組成部分，其間隙需要依據(jù)減速機零部件加工尺寸進行動態(tài)調(diào)整。因此，需要具備精湛的零件加工技術(shù)，能夠?qū)μ厥獾牧悴考龅骄珳实丶庸ぁ?/p>

3.2 高精度電機和驅(qū)動器

工業(yè)機器人的精準控制離不開高精度伺服電機和驅(qū)動器，需要注重以下主要關(guān)鍵技術(shù)：

3.2.1 快速響應(yīng)伺服控制技術(shù)

利用綜合性能指標優(yōu)化的預(yù)測控制方法，建立電機的內(nèi)部預(yù)測模型及其閉環(huán)優(yōu)化設(shè)計，對電機的電流環(huán)直接進行控制，實現(xiàn)快速穩(wěn)定的響應(yīng)控制技術(shù)。

3.2.2 在線參數(shù)自整定技術(shù)

利用在線優(yōu)化算法，辨別系統(tǒng)參數(shù)，在線進行參數(shù)優(yōu)化。另外通過慣量辨識算法，伺服驅(qū)動器可以自動調(diào)整控制參數(shù)以適應(yīng)實際工況的變化，實現(xiàn)參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整功能。

3.3 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)

工業(yè)機器人的運動學控制對系統(tǒng)的實時性要求很高，通用的操作系統(tǒng)消息處理機制會導(dǎo)致實時性難以滿足運動控制的要求。目前，主流的工業(yè)機器人采用專門定制的運動控制卡，配以使用實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時傳輸和運動的精確控制。

4 ?工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢

4.1 智能化程度更高

在信息化時代下，人工智能是大勢所趨，未來工業(yè)機器人將會擁有更高程度的智能化。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，增強了工業(yè)機器人的學習能力和解決問題的能力，促進了工業(yè)機器人視覺、力覺、觸覺等感官功能的提升，使機器人具備了感知環(huán)境變化并作出自主調(diào)整的能力。未來的工業(yè)機器人與人、環(huán)境的關(guān)系能夠更加協(xié)調(diào)。

4.2 整體性能更強，控制系統(tǒng)更完善

計算機技術(shù)水平的不斷提升，使機器人的整體性能不斷增強，控制系統(tǒng)得到不斷地優(yōu)化與完善，作為工業(yè)機器人核心構(gòu)成的控制系統(tǒng)呈現(xiàn)出統(tǒng)一化、標準化和網(wǎng)絡(luò)化的特征。未來工業(yè)機器人的操作使用將更加方便快捷，模塊化功能將更容易調(diào)整和維護。

4.3 應(yīng)用范圍更加廣泛

工業(yè)機器人的應(yīng)用范圍不再局限于工業(yè)領(lǐng)域，會不斷向著服務(wù)領(lǐng)域方向發(fā)展，如清掃機器人、早教機器人、娛樂機器人、引導(dǎo)機器人等。還有一些機器人用于特殊環(huán)境和場合，如救災(zāi)機器人、國防機器人、探測機器人等。另外，仿生類機器人也越來越多的得到研制應(yīng)用，如仿生寵物狗，它不僅可愛會叫，而且會撒嬌，給人們帶來了樂趣還避免了不少的麻煩。

5 ?我國如何應(yīng)對工業(yè)機器人發(fā)展的建議

首先，我們應(yīng)該加快制訂完善工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)各項國家標準和行業(yè)標準，進一步完善我國的標準化體系，積極參與國際交流與合作，實現(xiàn)同國際工業(yè)機器人產(chǎn)品標準的協(xié)調(diào)對接，加強規(guī)范國家對工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)及技術(shù)創(chuàng)新方面的政策扶持。為我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展提供必要的依據(jù)與支持。

其次，對工業(yè)機器人核心技術(shù)進行攻關(guān)，突破原材料、減速機、控制器、伺服電機等技術(shù)瓶頸問題，推進核心零部件國產(chǎn)化，降低產(chǎn)品制造成本。進一步推動機器人市場需求，拓展應(yīng)用領(lǐng)域，目前我國的工業(yè)機器人，在一些危險、有毒等特殊領(lǐng)域的應(yīng)用相對不足。拓展應(yīng)用領(lǐng)域，促進我國工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

最后，注重應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。加強力度培養(yǎng)工業(yè)機器人應(yīng)用型人才不能僅僅依靠職業(yè)院校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的方式，需要鼓勵推進高校、科研院所和企業(yè)之間加強合作，聯(lián)合培養(yǎng)多層次應(yīng)用型人才，實現(xiàn)人才的培養(yǎng)與社會的需求更好地銜接。培養(yǎng)人才，為工業(yè)機器人的健康持續(xù)發(fā)展提供重要的保障。

6 ?結(jié)束語

全球工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，將會帶來一次新的技術(shù)變革。我國應(yīng)該積極抓住機遇，勇于面臨挑戰(zhàn)，推動我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，推進我國由制造大國向制造強國的轉(zhuǎn)變。工業(yè)機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，必將為我國的經(jīng)濟發(fā)展做出巨大的貢獻。然而，我們也不能忽視機器人的發(fā)展可能帶來的負面影響，比如：失業(yè)問題、珍貴資源浪費問題、智能機器人失控問題等不利影響，我們需要做到三思而行、權(quán)衡利弊，做到防患于未然，保證我國經(jīng)濟社會能夠朝著持續(xù)、健康、快速的道路發(fā)展。

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