世界机器人产业市场化应用情况分析

世界机器人产业市场化应用情况分析

Titan是目前世界上最大的工业机器人，它能用一条手臂举起一辆宝马车，在空中转动一圈后再原封不动地把它放回到原来的位置。对Titan机器人来说，搬运轿车是一项非常容易的工作。Titan由德国机器人制造商KUKA公司制造，它是一台负荷量为1000公斤的重型机器人，手臂伸长后能与长颈鹿的高度相媲美。Titan主要工作在建筑行业、铸造行业、玻璃行业和汽车行业。

图1 轿车生产线上工作的机器人

与Titan工业机器人相比，另外一台由丰田公司制造的身高为1.4米的“Partner Robot”机器人则显得非常羸弱，但它的优势并不在力量上，而是其功能的多样化。“Partner Robot”机器人具有人类的许多特点，不像Titan工业机器人的两只脚总是固定在地面上，“Partner Robot”的两腿关节可以活动并且能自由行走。Titan拥有巨大而笨重的两条手臂，而“Partner Robot”是一台非常小巧的机器人，它的每条手臂上都有一只带有四根手指和一根大拇指的手。如果把小提琴架在下颚，“Partner Robot”机器人就能为你演奏一曲英国爱国名曲《Land of Hope and Glory》。如果你推一下它，为了不让自己倒下，“Partner Robot”机器人会面无表情地保持住平衡。

以上介绍的两种机器人在很多方面都不相同，但有一点是相同的，即它们都起源于工业机器人。世界第一台工厂机器人诞生于20世纪60年代，但这种机器人仅能从事一些简单、单调和乏味的工作，例如，把物体从一条生产线上搬到另外一条生产线上，在当时，他们充当的只是苦力的角色。1921年，捷克著名画家与作家卡雷尔·恰佩克（Karel Capek）在其剧本《P．U．R》中将捷克斯洛伐克语中的“Robota”（意为被奴役的劳工）稍作改动，创造了“Robot”一词，即机器人的意思。到了20世纪90年代，工厂机器人可以熟练地从事与切削、碾磨、焊接和仓库搬运有关的工作。这时，与人工相比，工业机器人的价格已出现了大幅下降，使得它们的数量迅速膨胀到了一百万。但它们大多数由欧洲和日本制造，约一半被用在亚洲。

图2 1990～2006年发达国家机器人平均使用成本相对于人工成本指数的变化

注：图2中以1990年为基准年，基数为100点。

如今，凭借不断增长的计算机技术，拥有尖端科技的机器人已经具备了像人类一样的复杂系统，它们拥有了视觉、感知、移动和协同工作的能力，机器人工程师把这种机器人称为“Mechatronics”——“机电一体化”机器人，它是机械学、光学、电子学和计算机软件学融合的产物。现在，一些工作在矿山的机器人已变得非常聪明，它们可以走出它们的安全地与人一起工作。由于这些“机电一体化”机器人既聪明又灵巧，它们已经渐渐从工厂向办公室和家庭发展。

对一台机器人的定义不能因其外表而定义，而应该知道它们是如何被控制的。越是自动化率和自我决定行为较高的机器人，它的行为越复杂，它内部的运算次数也就会越多。这种机器人的典型代表是拥有单一服务功能的家庭型机器人，家庭机器人会使用吸尘器，修剪草坪，当你离开家时，它可以保护你的家庭财产。在一些诊所，运输型机器人正在忙忙碌碌的为医生递送文件和药品，有些还在为诊所办公室擦窗户。在伊拉克和阿富汗，数以千计的武装型机器人被军队使用，它们执行投放炸弹、飞行侦查和攻击任务，有的还游戈于水下。但它们并不都是与人类相像，有时，它们的外形就像汽车轮胎上的斑点，如果把它们空投，它们会像昆虫一样在空中飞行。但不管怎样，他们都是机器人。

人们对“Partner Robot”多功能服务型机器人的应用目前还处于设想阶段，对其制造也暂时处于实验室水平。在这种机器人和其他类人机器人未出现前，人们还有许多工作要做。像本田公司研制的“阿西莫”（A simo）智能机器人，它可以自由外出谋生。尽管如此，类人机器人在人们心中还只是停留在展览会上的欣赏阶段，人们对这种机器人虽充满了好奇，但他们很少为家庭购买和使用机器人。但最终，拥有先进技术的类人机器人将走出实验室。从机器人产业的实际发展情况来看，丰田和本田都希望将来的日本能成为世界最大的机器人市场，让机器人切实成为人们的家庭助手。

在类人机器人大批量生产之前，多手的蜘蛛型机器人将为其发展铺平道路。未来，很多类人机器人将工作在人们的办公室和家庭中，有些还能从事多项工作。近日，从德国慕尼黑两年一度召开的国际机器人和自动化技术贸易博览会（Automatica）上了解到，工厂机器人已在有些工厂中承担了更多的工作，它们可以飞行，绕道而行，搬运，有的甚至还可以谈话和执行外科手术。这次博览会表明了机器人未来发展的四大趋势，即机器人变得更随机应变；价格变得更便宜；程序设计越来越简单；安全性能大幅提高。

既能看又能感知的智能机器人

德国慕尼黑Oktoberfest啤酒节是德国非常重要的节日，德国PAAL包装公司为啤酒节制造了一台名为Roboshaker的服务型机器人，它就像酒吧间的男招待。实际上，Roboshaker机器人主要是根据日本发那科（FANUC）公司生产的小型机器人的基础上而制造。在啤酒节上，Roboshaker能为客人调酒，在客人饮完后还能把桌子收拾干净，有时会向饮料中添加些营养成分，还能为客人打开易拉罐的拉环。但PAA L包装公司明白，Roboshaker机器人并不能取代端着泡沫啤酒的女招待。Roboshaker其实是在展示当它们具有机器视觉功能时，它们的能力有多大。

机器视觉系统不仅为机器人在工厂工作提供了保证，也为其进军其他行业提供了可能，如食品和饮料行业，在这些行业中工作的人，他们的大部分时间是在做重复性的工作。拥有机器视觉系统的机器人能看到饮料瓶或罐中充满饮料的正确位置，灌满后还能盖上盖子并在合适的位置贴上商标。视觉机器人能够极其精确而快速地分辨和挑选任何东西。它们可以把巧克力放入盒子，挑选苹果，搅拌沙拉，还能为寒冷地区屠宰场要宰杀的牲畜剃毛，之后再宰杀牲畜，他们做这些工作不用像人类一样休息和去厕所。视觉机器人也可以在面包店里工作，它们切蛋糕比人切的更精准。

同时，现代机器人的传感性能也在增强。传感器能分析出机器人触摸物体表面的材料，并利用传感器对物体表面的阻力反应作出对物体的解决方案。拥有感知系统的机器人能使其在从事与塑形有关的工作时变得更轻揉和更灵活。一般说来，人们从事不同的工作要使用不同的钳子，但传感机器人能不厌其烦地自动交换手中的钳子。这种机器人还能选择一个合适的托板举起盒子，然后把它放到生产线上，再用带有手指的手捡起一些琐碎的东西放入盒子。

目前，生产经理们要处理好工厂内不相同的生产线日益增多的局面，因而，工厂更需要能适应不同工作的机器人。工厂机器人现在在汽车制造厂的普及率已达到了60%，这些机器人能在相同的汽车装配线上制造出不同的汽车模具。汽车制造商需要根据消费者的订单制造每一辆汽车，因此，他们购买了能够辨认不同汽车模具并能按照订单进行生产的机器人。

有多种方法可以帮助机器人进行导航工作。有时，面对狭小的工作环境，即使工业机器人交叉臂膀或者像杂技演员那样把胳膊放在背后都无法进行工作。例如，当一辆轿车内部需要焊接时，机器人要把带有电极的焊条接触到焊点上，但在狭小而结构复杂的车壳内部，机器人工作起来难度很大。但激光解决了这一难题，机器人可以利用激光在远距离进行焊接作业。意大利机器人专业公司——柯马（Comau）股份有限公司研发出了一种3D激光远程焊接系统，该系统对菲亚特500新型轿车的制造起到了促进作用。3D激光远程焊接系统的工作原理主要是通过光缆传输激光脉冲给机器人，机器人再利用携带的广角镜和臂膀末端的镜头瞄准激光所指向的焊接部位。利用激光，机器人能很精确地进行焊接，且焊接速度比普通的焊接方法要快的多。

马丁·海格勒（Martin Hagele）是负责欧盟SMErobot人机对话解决方案项目的主管，他主张为中小公司生产机器人。他认为，在汽车生产线上使用数量庞大而技术先进的机器人工作能节省数百万美元。但在过去，机器人自动化生产的成本之所以高昂的原因在于，仅对一台机器人的安装和维护费用就占去了生产成本的四分之一。现在，使用机器人的成本正在下降，机器人变得越来越便宜。一台具有能够把货物堆放到货盘功能的中等型号机器人的价格约为5万美元。由于现代机器人的零部件具有简便性的特点，其安装和维护成本也出现了下降。

“很多公司认为有些机器人外形过于庞大且价格昂贵，有的还有噪音。” 海格勒先生表示，“但是，如今制造的机器人具有更灵活、更敏捷和使用程序更简便的特点。”

瑞典ABB公司机器人研究中心的Charlotte Brogren博士认为，计算机价格下降对机器人很多特性的应用更具有实际意义，例如视觉系统、触觉系统和意识系统。机器人生产厂商已开始制造能够在工作台上工作的小型机器人，这项工作也是欧盟SMErobot人机对话解决方案项目的一部分。由于这种小型机器人具有捡拾物体和移动灵活的特点，一旦研发成功，它将成为木匠和小型工程公司的新宠。

世界上也出现了不同种类的低价格机器人，但它们并不像工厂机器人那样是工厂生产的主力军。这种机器人拥有利用直线电机滑行的钢架和导管，它们能够灵活使用工具进行焊接、切削、粘合和安装机器。该种机器人能承担大量琐碎的工作，它可以独立从一座工厂到另外一座工厂开始新的工作。

还有一种机器人能在玻璃厂从事切割和研磨玻璃工作。在有些情况下，有些工作必须由人工完成，主要原因是有些小型玻璃厂认为如果实行机器人自动化生产，产量会很低。由于劳动法对在玻璃厂工作的工人实行长期劳动伤害保护，并且对工人在工厂的劳动时间有明确的限定，因此，玻璃厂的人工成本费用昂贵。但现在出现的新型架构型机器人具有使用灵活和价格便宜的特点，很适合小型玻璃厂使用。但英国咨询机构——Castings Technology International公司研发主管Peter Haigh认为：“当你使用了机器人后，你就会想尽办法再设计它，让它使用起来更有效，这无疑又增添了成本。”

人们正努力使机器人的应用程序变得越来越简单化。德国KUKA机器人制造公司负责人Jürgen Schu lze-Ferebee表示：“如果我们想销售更多机器人，那么我们必须制造出使用起来非常简便的机器人。” KU KA公司是首家在机器人制造中使用计算机程序的公司之一，不像其他机器人制造商那样，仅有几家大公司的工程部了解机器人的使用代码。有些机器人由被称作“吊架”的手动设备装配，这种手动设备程序的运行速度要高于机器人的运行速度。机器人的协同作业能力正变得越来越紧密，例如，在有些轿车厂里，大型机器人会举起小型器人进入汽车内部安装零部件。

机器人也在学习如何理解直接指令。有些机器人能让操作员“牵着鼻子走”，操作员如果把机器人的手臂转动一周，这就表示机器人要开始工作了。机器人所应用的软件都非常直观，如果操作员在空中显示几个点，机器人就能画出一个非常完美的圆环，有些机器人还可以用声音作答。

机器人要遵守机器人三大法律

如果人们在办公室和家庭中广泛使用机器人，那么必须要确保这些机器人是安全的。因此，机器人必须要遵守阿西莫夫（Isaac Asimov）机器人三大定律。第一定律：机器人不得伤害人类，或看到人类受到伤害而袖手旁观。现在，有些人对待机器人就像对待猛兽一样，把它关在安全栏中。人们把机器人的工作地点称为“机器人单间（Robot Cell）”，只有关掉机器人电源后，人们才敢进入这个单间。如果当一台重量超大并且是盲眼的机器人正在挥舞手臂工作时，这时如果有人靠近就会难免受伤。

要让机器人使用起来更安全就要赋予机器人更多适应环境的传感系统。如果机器人在开着门的工作间工作时，有人不巧进入，那么机器人就必须放慢或停止工作。相信不久的将来，随着机器视觉和触觉功能的提高，机器人终将摆脱围栏的束缚。

到那时，机器人就可以帮助木匠或组装工人在生产线上工作。丰田公司的部分汽车厂已使用了自动化机器人，这种机器人能把50公斤重的汽车仪表板放入轿车内，还能指示汽车工人进入正确的位置进行装配作业。丰田公司的Toru Miyagawa表示：“我们的目标之一就是让机器人在没有安全栏的情况下能从工厂回到家中继续工作。”

人类的下一项任务就是编写满足阿西莫夫机器人第二定律的程序，即在不违反第一定律的前提下，机器人必须绝对服从人类给与的任何指令。第三定律要求机器人在不违反第一定律和第二定律的前提下，必须尽力保护自己。当机器人拥有了足够的安全性和对环境能够产生意识时，这说明它们已经具备了进入更高级和更放松的场所去工作的可能，如人类的办公室和住宅。最终，采用先进技术的多用途机器人完全能够遵守阿西莫夫机器人三大定律，这也正实现了科幻小说中的一些构想。

服务型机器人将具有像人类一样更多的特点，因为它们毕竟要在人类所设计的环境中工作。但有些机器人很可能表现出与一般机器人完全不同的特性，即随着工业机器人技术的发展，相信不久就会出现第一台走上生产线的服务型机器人。

现在，人们已经能够坐在一台看起来像轮椅的机器人式座椅上行进，这是一件非常有意义的事。如果人们告诉机器人式座椅要去的地方，那么机器人就会带你去那里。在去往目的地的过程中，机器人式座椅会很灵活地操纵自己以免撞上行人。近年来，丰田公司把研发目光瞄向了两轮自动座椅式机器人，这种座椅式机器人具有很好的平衡性。该公司目前已把这种座椅投放到了一家日本购物中心和丰田所属的医院进行使用，它们看起来就像大型的两轮电车Segway。

目前，已有少数服务型机器人进入了更宽广的领域，它们和人的相似度正在逐渐接近。“细心的欧婆（Care—O—Bot）”是一台利用球形轮子滚动行走的单臂机器人。它就像一个管家，能为主人取送东西和准备餐具，还能帮助主人拨打电话。这种机器人由德国弗劳恩霍夫学院（Fraunhofer Institute）制造，零部件由德国机器人专业公司SCHUNK公司提供，预计将能很快进行批量生产。在慕尼黑Oktoberfest啤酒节上，“细心的欧婆（Care—O—Bot）”能安静地侧身走过宾客，向Roboshaker机器人要一瓶饮料，然后把饮料放在一个银色的托盘上端着。如果你想要愉悦一下自己的耳朵，千万不要错过邀请“细心的欧婆（Care—O—Bot）”架起小提琴为你演奏一曲。

图3 正在演奏小提琴的服务型机器人

(信息来源：中国机电出口指南高洪峰编译)

2008-07-01