工业机器人现状及发展趋势

工业机器人现状及发展趋势

一、工业机器人的概念

工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。工业机器人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。它可以接受人类指挥，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。

1920年捷克作家卡雷尔·查培克在其剧本《罗萨姆的万能机器人》中最早使用机器人一词，剧中机器人“Robot”这个词的本意是苦力，即剧作家笔下的一个具有人的外表，特征和功能的机器，是一种人造的劳力。它是最早的工业机器人设想。

50年代以后，美国橡树岭国家实验室开

始研究能搬运核原料的遥控操纵机械手，如

图所示，这是一种主从型控制系统，主机械

手的运动。系统中加入力反馈，可使操作者

获知施加力的大小，主从机械手之间有防护

墙隔开，操作者可通过观察窗或闭路电视对

从机械手操作机进行有效的监视，主从机械

手系统的出现为机器人的产生为近代机器人的设计与制造作了铺垫。

1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。

该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。1959年UNIMATION 公司的第一台工业机器人在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。

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。

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。

当今工业机器人技术正逐渐向着具有行走能力、具有多种感知能力、具有较强的对作业环境的自适应能力的方向发展。

我国工业机器人起步于70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。

70年代是世界科技发展的一个里程碑：人类登上了月球，实现了金星、火星的软着陆。我国也发射了人造卫星。世界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于1972年开始研制自己的工业机器人。

进入80年代后，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划（863计划）开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。

焊接工作站

从90年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实

践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。从市场占有率来说，更无法相提并论。工业机器人很多核心技术，当前我们尚未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。

总的来看，我国的工业机器人及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离。当前我国的工业机器人生产都是应客户的需求，“一客户，一次重新设计”，品种多，规模小，零部件通用化程度低，供货周期长，成本也不低，而且质量也不稳定。因此迫切需要产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推动产业进程。

国际上通常以制造业机器人密度(其指每一万名雇佣工人中所拥有的多功能机器人数量)来衡量一个国家的自动化水平。国际机器人联合会(IFR)的数据显示，中国2011年的这一数字是21，国际平均水平是55，中国与日本的339、韩国的347尚有较大的差距。不过中国的增速非常快，从装机量上看，从1999年到2008年，中国工业机器人的装机量每年都以超过20%的速度增长，从1999年550台发展到2008年超过3万台。甚至在全球经济陷入一片萧条的2009年，中国工业机器人销量却逆势而上。2010年中国的装机量为52290台，2011年上涨到了74317台，实现了42%的年增长。从销售来看，中国的机器人销量从2010年的14978台增加到2011年的22577台，年增长超过50%。业内人士表示，目前，国内工业机器人实际拥有量应该超过10万台。IFR预计，中国将成为全球最大的工业机器人市场。

四、我国工业机器人发展趋势

当前，国外已经研制和生产了各种不同的标准组件，而中国作为未来工业机器人的主要生产国，标准化的过程是发展趋势。

中国制造业面临着向高端转变，承接国际先进制造、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中国抓住这个历

史机遇的主要途径。因此我国工业机器人产业发展要进一步落实：第一，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；第二，在国家的科技发展计划中，应该继续对智能机器人研究开发与应用给予大力支持，形成产品和自动化制造装备同步协调的新局面；第三，部分国产工业机器人质量已经与国外相当，企业采购工业机器人时不要盲目进口，应该综合评估，立足国产。

智能化、仿生化是工业机器人的最高阶段，随着材料、控制等技术不断发展，实验室产品越来越多的产品化，逐步应用于各个场合。伴随移动互联网、物联网的发展，多传感器、分布式控制的精密型工业机器人将会越来越多，逐步渗透制造业的方方面面，并且由制造实施型向服务型转化。

工业机器人最先大规模使用的区域将会出如今发达地区。随着产业转移的进行，发达地区的制造业需要提升。基于工人成本不断增长的现实，工业机器人的应用成为最好替代方式。未来我国工业机器人的大范围应用将会集中在广东、江苏、上海、北京等地，其工业机器人拥有量将占全国一半以上。

日益增长的工业机器人市场以及巨大的市场潜力吸引世界著名机器人生产厂家的目光。当前，我国进口的工业机器人主要来自日本，但是随着诸如“机器人”类似的具有自有知识产权的企业不断出现，越来越多的工业机器人将会由中国制造。

五、国外工业机器人现状及发展趋势

1.国外工业机器人的现状

机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产

业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。国外专家预测，

机器人产业是继汽车、计算机之后出现的新的大型高技术产业。据

国际机器人联合会（IFR）统计，世界机器人市场前景看好，从20

世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。

进入90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10%左右，2000年增长率上升到15%，预计21世纪初，工作在各领域的工业机器人将突破100万台。正如《2l世纪日本创建机器人社会技术发展战略报告》指出，“机器人技术（RT）与信息技术（IT）一样，在强化产业竞争力方面是极为重要的战略高技术领域。培育未来机器人产业是支撑2l世纪日本产业竞争力的产业战略之一，具有非常重要的意义。”

机器人广泛应用于各行各业。主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。目前，全球现役工业机器人103万台。

过去10年，机器人的价格降低约80%，现在继续下降，而欧美劳动力成本上涨了40%。现役机器人的平均寿命在10年以上，可能高达15年，它们还易于重新使用。由于机器人及自动化成套装备对提高制造业自动化水平，提高产品质量和生产效率、增强企业市场竞争力、改善劳动条件等起到了重大的作用，加之成本大幅度降低和性能的迅速提高，其增长速度较快。机器人的应用主要有两种方式，一种是机器人工作单元，另一种是带机器人的生产线，并且后者在国外已经成为机器人应用的主要方式。以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量的柔性生产发展方向，具有广阔的市场发展前景和强劲生命力，已开发出多种面向汽车、电气机械等行业的自动化成套装备和生产线产品。在发达国家，机器人自动化生产线已形成一个巨大的产业，年市场容量约为1000亿美元。

像国际上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是机器人自动化生产线及物流与仓储自动化设备的集成供应商。

2.国外工业机器人的发展趋势

机器人涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。因此它的发展与上述学科发展密切相关。机器人在制造业的应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也

越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展。机

器人应用从传统制造业向非制造业转变，向以人为中心的个人化和

微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。总趋势是从狭

义的机器人概念向广义的机器人技术（RT）概念转移；从工业机器

人产业向解决工程应用方案业务的机器人技术产业发展。机器人技

术（RT）的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有实在动作功

能的智能化系统。”目前，工业机器人技术正在向智能机器和智能

系统的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；

控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散

化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔

性化以及系统的网络化和智能化等方面。

六、工业机器人的发展技术动向

在普及第一代工业机器人的基础上，第二代工业机器人已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机器人已占有一定比重。随着

计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展

和深化以及在系统（FMS、CIMS）中的群体应用，工业机器人也在不

断向智能化方向发展，以适应“敏捷制造”，满足多样化、个性化

的需要，并适应多变的非结构环境作业，向非制造领域进军。

1.感觉功能：

感觉功能方面将实现多传感器信息的融合，以检测多变的外部环境，

做出判断和决策，其实质类似于人的五官和身体的综合感觉功能，

包括视觉、触觉、力觉、滑觉、接近觉、压觉、听觉、味觉、嗅觉、

温觉等。研究包括各类传感信息的采集及融合处理、传感器与驱动

器一体化技术、感觉功能继承模块等。

2.控制智能化:

由引导向NC，离线编程发展，进而发展到进一步应用。随着系统化、

集成化生产的需要，基于PC的开放式控制系统将机器人控制和车间

一级控制的发展方向。

3.移动功能的智能化：

为解决长距离搬运作业、大作业对象、多作业对象及极限作业等问题，需开发自主移动系统（包括滑动、滚动、行走、爬行、跳跃、飞行等）

4.系统应用与集成化：

支持以人为核心的生产系统，实现生产系统中机器人群体协调功能、群智能和多机通讯协议，开发能理解人的意志的“同事机器人”。

5.安全可靠性：

由于大量不确定因素的存在，要实现智能化的安全可靠性，机器人必须对各种意外情况的应变能力，及时采取预防措施和安全对策，包括硬件级、软件级、应用级和人体系统级的自诊断和自修复故障。

6.微型化：

向微型化发展，开发毫米级机器人，由于微加工、医学、宇宙和海洋开发等领域。就使用性和成本来看，毫米级最可行。

7.多传感器信息融合与配置技术：

①由于机器人的传感器配置和融合技术在水泥生产过程中控制和污

水处理自动控制中的应用包括面向工艺过程的多传感器融合和配置技术；采用智能传感器的现场总线技术；面向工艺要求的新型传感器研制。②机电一体化智能传感器：包括具有感知、自主运动、自清污（自调整、自适应）的机电一体化传感器研究；面向工艺要求的运动机构设计，实现检测的清污的自主运动；调节控制系统，机器人机构和控制技术在传感器设计中的应用。

新一代智能机器人

智能机器人具有广阔的发展前景，尽管国内外对智能机器人的研究已经取得了很多成果，但是智能化水平还不是非常的高。因此还必须加快智能机器人的发展机。智能机器人的作业环境是相当复杂的，要想机器人有比较好的发展，解决现在面临的许多问题，那么我们人类应该多向自然界学习，通过对自然界生物的学习、模仿、复制和再造的过程中，发现相关的理论和技术方法，应用到机器人中，使得机器人在功能和技术水平上不断的有所突破。从而生产出更先进，更智能的机器人。

我国的智能机器人发展水平还落后于世界先进水平，所以我国在智能机器人领域要认清当今的情势，明确我们的发展目标，采取与我国的实力相符合的对策，慢慢缩小与发达国家之间的差距，提升我国智能机器人的发展水平。

七、个人感悟

工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。随着我国工业企业自动化水平的不断提高，工业机器人市场也会越来越大，这就给工业机器人研究、开发、生产者带来巨大商机。然而机遇也意味着

挑战，目前全球各大工业机器人供应商都已大力开拓中国市场，依靠自身优势，提高自主创新，寻求发展道路，是中国工业机器人生产企业在激烈市场竞争中需面对的问题。作为一名当代大学生，特别是一名学机械的学生，我们有理由学好各专业课知识，在继承前人对机器人的知识和理论基础上，争取开拓创新，把我们学到的知识运用到实际当中去，即使是一点点机构的小改进，动力学的小改进，成本的控制，对于我们国家的机械制造业来说都是一项伟大的创举。