工业机器人调研报告

一、工业机器人的概念

机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。”工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人，它是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。工业机器人可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。

工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。

二、工业机器人的发展史及优点

工业机器人诞生于20 世纪60 年代,在20 世纪90 年代得到迅速发展,是最先产业化的机器人技术。它是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。自从20世纪60年代初人类制造出第一台工业机器人以后，机器人就显示出了极强的生命力。经过四十年的迅速发展，在工业发达国家中，工业机器人已经广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等诸多领域中。作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段，工业机器人已经成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志。

工业机器人是现代制造业的基础设备，它属于自动化制造系统的物理层次。机器人的过去、现在和未来都与制造业发展密切相关。使用工业机器人可以降低废品率和产品成本,提高了机床的利用率,降低了工人误操作带来的残次零件风险等,其带来的一系列效益也是十分明显的,例如减少人工用量、减少机床损耗、加快技术创新速度、提高企业竞争力等。机器人具有执行各种任务特别是高危任务的能力,平均故障间隔期达60000小时以上,比传统的自动化工艺更加先进。

采用工业机器人有以下优点：

（1）改善劳动条件,逐步提高生产效率；

（2）更强与可控的生产能力,加快产品更新换代；

（3）提高零件的处理能力与产品质量；

（4）消除枯燥无味的工作,节约劳动力；

（5）提供更安全的工作环境,降低工人的劳动强度,减少劳动风险；

（6）减少工艺过程中的工作量及降低停产时间和库存；

（7）提高企业竞争力。

三、工业机器人的分类

工业机器人按臂部的运动形式分为四种。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂部有多个转动关节。

工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。点位型控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。

工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件，通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。

四、工业机器人的特点

20世纪80年代以来，工业机器人技术逐渐成熟，并很快得到推广，目前已经在工业生产的许多领域得到应用。在工业机器人逐渐得到推广和普及的过程中，下面三个方面的技术进步起着非常重要的作用。

（1）驱动方式的改变

采用液压驱动的机器人逐渐被伺服电动机驱动的机器人所取代，其在响应速度、精度、灵活性等方面都有很大提高，成为工业机器人驱动方式的主流。

（2）信息处理速度的提高

随着信息技术的不断发展，CPU的计算能力有了很大提高，机器人控制器的性能也有了很大提高。机器人控制器性能的提高也进一步促进了工业机器人本身性能的提高，并扩大了工业机器人的应用范围。

（3）传感器技术的发展

近年来，随着信息处理技术和传感器技术的迅速发展，触觉、力觉、视觉等外部传感器已经在工业机器人中得到广泛应用。各种新型传感器的使用不但提高了工业机器人的智能程

度，也进一步拓宽了工业机器人的应用范围。

工业机器人最显著的特点有以下几个：

（1）可编程。生产自动化的进一步发展是柔性启动化。工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。

（2）拟人化。工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。此外，智能化工业机器人还有许多类似人类的“生物传感器”，如皮肤型接触传感器、力传感器、负载传感器、视觉传感器、声觉传感器、语言功能等。传感器提高了工业机器人对周围环境的自适应能力。

（3）通用性。除了专门设计的专用的工业机器人外，一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换工业机器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的作业任务。

（4）工业机器技术涉及的学科相当广泛，归纳起来是机械学和微电子学的结合-机电一体化技术。第三代智能机器人不仅具有获取外部环境信息的各种传感器，而且还具有记忆能力、语言理解能力、图像识别能力、推理判断能力等人工智能，这些都是微电子技术的应用，特别是计算机技术的应用密切相关。因此，机器人技术的发展必将带动其他技术的发展，机器人技术的发展和应用水平也可以验证一个国家科学技术和工业技术的发展水平。

五、工业机器人的发展历程

在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。国际上工业机器人产业中，著名的公司有瑞典的ABBRobotics，日本的FANUC、Yaskawa，德国的KUKA Roboter GmbH，美国的Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation ，意大利的COMAU，英国的AutoTech Robotics，加拿大的Jed International Robotics，以色列的RobogroupTek公司，这些公司已经成为其所在地区的支柱性企业。

在国内，工业机器人产业刚刚起步，但增长的势头非常强劲，如中国科学院沈阳自动化所投资组建的新松机器人公司，年利润增长在40％左右。不过相对于全球机器人产业来说，我国机器人产业差距还是非常大的。以2006 年为例：来自我国权威部门的统计数据（参阅表）显示，全年我国进口工业机器人数量超过1 万台，合计3.2 亿美元；其中，外商独资企业，合计进口工业机器人6669 台，近1.6 亿美元，占进口额的50%，这从侧面反映出外资字企业依然处在制造业高端的主力位置。和进口产品相比，我国出口的工业机器人则显

得微弱。2006 年出口460 余台，仅1000 万美元[②]。两组数据比较：数量相差22 倍，销售业绩相差30 倍。

我国的工业机器人研究开始于20世纪70年代，大体可分为4个阶段，即理论研究阶段、样机研发阶段、示范应用阶段和初步产业化阶段。

前期理论研究开始于20世纪70年代至80年代初期，研究单位分布在国内部分高校。这一阶段由于当时国家经济条件等因素的制约，主要从事工业机器人基础理论的研究，在机器人运动学、机构学等方面取得了一定的进展，为后续工业机器人的研究奠定了基础。

进入20世纪80年代中期，随着工业发达国家开始大量应用和普及工业机器人，我国工业机器人的研究得到政府的重视和支持。国家组织了对工业机器人需求行业的调研，投入大量的资金开展工业机器人的研究，进入了样机开发阶段。

20世纪90年代为工业机器人示范应用阶段。为促进高技术发展与国民经济主战场的密切衔接，确定了特种机器人与工业机器人及其应用工程并重、以应用带动关键技术和基础研究的发展方针。这一阶段共研制出平面关节型装配机器人、直角坐标机器人、弧焊机器人、点焊机器人及自动引导车等7种工业机器人系列产品，102种特种机器人，实施了100余项机器人应用工程。其中58项关键技术和应用基础技术研究成果达到国际先进水平，先后获得国家科技进步奖2l项，省部级科技进步奖116项，发明专利38项，实用新型专利125项。同时为了促进国产机器人的产业化，90年代末，建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地，包括沈阳自动化研究所的新松机器人公司、哈尔滨博实自动化设备有限责任公司、北京机械工业自动化研究所机器人开发中心等，为发展我国机器人产业奠定了基础。

进入21世纪，国家中长期科学和技术发展规划纲要突出增强自主创新能力这一条主线，着力营造有利于自主创新的政策环境，加快促进企业成为创新主体，大力倡导企业为主体，产学研紧密结合。国内一大批企业或自主研制或与科研院所合作，进入工业机器人研制和生产行列，我国工业机器人进入了初步产业化阶段。

我国有组织有计划地发展机器人事业，应该说是从“七五”期间的科研攻关及实施“863 计划”开始的，经过十几年来的研制、生产、应用，从纵向看，有了长足的进步。目前在一些机种方面，如喷涂机器人、弧焊机器人、点焊机器人、搬运机器人、装配机器人、特种机器人（水下、爬壁、管道、遥控等机器人），基本掌握了机器人操作机的设计制造技术，解决了控制，驱动系统的设计和配置、软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线(工作站)及其周边配套设备的全线自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机器人焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破；于此同时造就了一支具有一

定水平的技术队伍。无疑，从技术方面来说，我国的机器人技术在世界机器人界已有一席之地，奠定了独立自主发展中国机器人事业的基础。但整体来说，由于我国机器人厂商起步比较晚、研发实力相对落后、规模较小、存在大量低水平的简单重复开发、没有强有力的协调部门，现在国内机器人领域企业还未能形成统一的产业模式和整体规划，不能实现各种功能构件之间的可重用与互置换，没有形成与信息产品相类似的专业化配套与产业链分工，不能实现工业化级别的规模生产，制造成本高昂，很多关键部件都依赖进口，产品整体技术含量较低、价格便宜、利润大多也被国外配件供货厂商所获取。照此发展下去，我们或许会像以往那样依靠廉价的人工成本和极低的利润率，在中低端产品中获取较快的发展和较大的市场份额，但最终还是摆脱不了“世界组装车间”的命运。由于关键技术没有取得突破，国内机器人产业发展抗风险能力极差，从长远来看不利于中国机器人产业的长远发展。

另外，在高端的工业机器人产业产品研发方面，我国相关配套部件相对落后，而零部件进口方面由于受到国外政治因素制约，因高精尖关键部件含有“军事敏感”技术，导致无法引进，我国在高端机器人产品方面的研制和生产遇到极大阻碍。所以，能够形成统一的行业发展的整体思路、产业布局、技术标准，并在此基础上在关键部件和技术方面能够有所突破，成为行业发展的重中之重。

六、工业机器人未来的趋势

从近几年国外知名企业推出和正在研制的产品来看，新一代工业机器人正在向智能化、柔性化、网络化、人性化、编程图形化发展。

（1）结构的模块化、可重构化。

研究机构、控制与感知的可重构技术，通过快速重构生成适应新环境、新任务的机器人系统，体现出良好的作业柔性。

（2）控制系统的开放化、网络化。

研究控制系统的可扩展性、互操作性、可移植性、可裁减性，机器人由独立系统向群体系统发展。

（3）驱动系统的数字化、分散化。

通过分布式控制、远程联网和现场控制，实现机器人驱动系统的数字化和网络化的运动控制。

（4）多传感器融合的实用化。

协同感知系统的实用化及高效可行（特别是针对非线性、非平稳、非正态分布的现实信

息）的多传感器融合算法。

（5）机器人作业的人性化、集成化。

研究以人为核心的作业系统，实现作业过程中机器人群体协调、群智能和人机和谐共存。

（6）人机交互的图形化、三维全息化。

全浸入式图形化环境、三维全息环境建模、真三维虚拟现实装置以及力、温度、振动等多物理作用效应人机交互装置。

美国、欧洲、日本等国分别在未来工业机器人的研发中强调了新型人机合作的重要性。奥巴马宣布美国国家机器人计划：创造可与人类操作员密切配合的下一代机器人，使机器人更聪明、更安全，作为人类合作者（Co-robot），使工厂工人有能力完成难以实现的关键任务。欧洲提出了未来十年建设“欧洲机器人技术平台EUROP”的战略规划，力图构造出产业工人的Co-Worker，以图重振欧洲制造业。实现机器人与人共用工具、设备及工作空间，以助手等更为自然的方式为人类提供服务等功能。达到机器人与人类生活行为环境以及人类自身和谐共处的目标。这需要解决多个关键问题，包括：机器人本质安全问题，保障机器人与人、环境间的绝对安全共处；任务环境的自主适应问题，自主适应个体差异、任务及生产环境；多样化器具的操作问题，灵活使用各种器具完成复杂操作；人-机高效协同问题，准确理解人的需求并主动协助。

七、结语

工业机器人的诞生和机器人学的建立，无疑是21世纪人类科学技术的重大成就。工业机器人市场竞争越来越激烈,中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战,加快工业机器人技术的研究开发与生产是我们抓住这个历史机遇的主要途径。工业机器人技术是我国由制造大国向制造强国转变的主要手段和途径,政府要对国产工业机器人有更多的政策与经济支持,参考国外先进经验,加大技术投入与改造。工业机器人产业和技术的发展必将大大加速我国制造业的崛起。