1 工业机器人概述

工业机器人的概念最早由美国在1960年提出，可以通过编程序来使机器完成相应工作，也可以改变程序使其完成多种工作。世界上第一台机器人由恩格尔伯格（George Charles Dovel）设计研制。Victor Scheinman 在1969年发明了全电动六轴的铰接式机器人---“斯坦福机械臂”。目前，世界工业机器人四大天王企业分别为KUKA（德国）、ABB（瑞典）、FANUC（日本），安川电机（日本），它们的工业机器人本体销量之和占据整个市场的一半。另外中国的新松机器人自动化股份有限公司也是国际工业机器人的重要供应商。根据IFR在2015年统计报告“World Robotics 2015”中的预测，2016-2018年世界工业机器人的销量增长年均约15%，亚洲18%，预计今年全球销量将达到40.51万台。工业机器人的应用范围不断扩大，完成的工作也日趋复杂。除了可以代替工人进行装配，打磨，焊接、包装等枯燥复杂的工作外，它还主要应用于汽车制造，金属成型，塑料工业，电子电气，化工行业等。

2 主要背景

进入21世纪以来，随着自动化程度的不断提高，机器人成了一个越来越热门的研究方向，随之而来的是更多地应用和未停滞的升级更新。国内外对于机器人技术的发展加以重视，世界各国纷纷提出了自己的发展计划。

2.1 中国计划——中国制造2025

2.1.1 已有条件

2012年，我国制造业占比已与美国相当。我国有巨大的市场，内需是最大的驱动力。我国具有世界上种类最齐全并且独立的制造体系。

2.1.2 战略部署

中国是制造大国而非制造强国。制造业是兴国之本，改变其大而不强的现状，对我国现经济发展不仅重要，而且迫切。李克强总理在政府报告指出，要实施“中国制造2025”加快从制造大国转向制造强国。2015年5月8日，国务院印发"中国制造2025"部署全面推进实施制造强国战略。中国制造业强国进程的三个阶段[1]如附图所示。

2.1.3 指导思想

“中国制造2025”的指导思想是：创新发展，提质增效。

创新，是制造业进步之源，是不断迭代升级的巨大动力。产学研紧密结合是一个有效措施，可以以特定领域创新发展为基点，发展一批创新中心来研究制造基础和关键技术，同时和研究成果产业化、人才培养相互配合。培养人才，以建设精良的制造业研究团体。

质量，可以反映一个国家制造业的水平，要通过提高质量来将低成本竞争转向高质量竞争，减少甚至消除粗制滥造的现象。

2.1.4智能制造

智能制造，加快信息技术与传统制造行业的融合，工业机器人在其中扮演了重要的角色。物联网，云计算，大数据等新信息技术完成突破，使信息传输变得更快更廉价。发展智能设备---智能的工业机器人，使其具有感知能力，联系能力，分析能力等，部分取代人在制造中的脑力劳动，全面提高制造水平。智能工业机器人可借助数字控制与网络信息提高精度，质量，效率。

2.2 外国计划

2.2.1 德国

德国拥有强大的设备和车间，在信息技术领域拥有很高的水准，同时在自动化工程方面也有很强的技术。德国工-4.0旨在打造智能工厂以达到智能生产的目的，然后通过智能物流使供应效率最大化。欲利用CPS（信息物理系统）实现集中控制向分散控制转变以推动现有制造业向智能方向进步，产业链分工也面临重组。CPS是由计算机网络和物理环境多维复杂系统通过3C（--computation，communication，control）技术结合的制造体系。

“国制造2025”和“德国工业4.0”尽管都是为应对新一轮全球竞争而采取的国家战略 ，都把推进信息技术与制造技术的深度融合放在第一位，但二者在产业阶段上有很大的不同。在产业发展所处阶段方面，德国工业4.0是在成功完成“工业1.0”、“工业2.0”，基本完成“工业3.0”之 后，提出的发展战略，是自然的 “串联式”发展。中国制造业尚处于“工业2.0”后期的发展阶段[1]。

2.2.2 美国

2011年，美国总统奥巴马宣布实施包括工业机器人在内的“Advanced Manufacturing Partnership Plan”（先进制造联盟计划），立即得到同日发布的“实现 21 世纪智能制造”新报告的积极响应[2]。2011年美国启动了国家工业机器人计划（National Robotics Initiative, NRI），2016年启动国家工业机器人计划2.0（National Robotics Initiative2.0, NRI-2.0），NRI-2．0强调可扩展性和连接性。

3 工业机器人相关技术

工业机器人由三个主要部件组成，分别为机器人本体、控制器和示教器。典型的工业机器人系统包括四个模块，即机械系统、控制系统、感知系统以及驱动系统。

国际机器人联合会明确指出，要将简化使用技术作为优先重点发展。

直觉示教与快捷编程技术与运动标定与误差补偿技术：工业机器人的编程主要有离线编程和在线编程两种。其中离线编程是基于工件数模生成机器人的运动轨迹和控制程序，效率高却受制于机器人本身误差等因素，使绝对定位精度较差，很难满足所需条件。如果不进行机器人的标定和误差补偿，离线编程方法难以在高精度作业中得到实际的应用。因而必须设法予以补偿。这些年，随着三维数字化扫描技术在机器人领域的应用，研究基于工件几何特征的机器人在线误差补偿方法已经得以开始。误差可以直接用来对机器人系统进行在线误差补偿，从而提高运动控制精度。

力-运动混合控制技术：现有的工业机器人大体为非连续接触式的工作，随着技术的发展，制造业需要工业机器人进行一些连续接触式的表面加工和后处理任务。工业机器人力控制的方法主要有两种，一是通过控制机器人操作臂的驱动关节的力矩实现直接力控制，二是通过控制一个附加的末端力控装置实施的间接力控制，两种方法各有其优缺点。

还有其他关键技术如开放性模块化的控制系统体系结构、模块化层次化的控制器软件系统、网络化机器人控制器技术等。

4 工业机器人的现状

4.1 国内现状

中国工业机器人于上世纪70年代初开始正式研究工作，由于经济的限制初期发展比较缓慢，在“七五”“八五”“九五”等发展计划的政策支持下，工业机器人技术得到较大发展。研究成果得到广泛应用。在工业机器人研究中, 国内很多大学和研究所, 如中国科学院自动化研究所、清华大学、北京航空航天大学、上海 交通大学、华南理工大学、湖南大学等，开展了大量研究工作，在驱动和控制等方面取得成果, 为中国机器人技术研究和产业发展奠定了坚实的基础。国内工业机器人的市场不断扩大, 沈阳新松机器人自动化公司、广州数控设备有限公司等企业在工业机器人产业 方面也取得了不错的成果。中国工业机器人发展进入正轨。我国现如今在基础研究方面，基本掌握关键技术；控制方面，主控计算机在升级。

尽管在国际合作的带动下，我国生业得到发展，但是核心部件依赖程度仍较大。

（1）高精度RV减速机，一种纯机械式精密部件，用于动力传递。生产企业主要是日本公司，占比70%以上。国内虽已推出较成熟产品，但可靠性、精度、效率等方面等有差距，整体开发能力较弱。

（2）电机和高精度伺服驱动器，需要瞬时精度追踪、高瞬时过载能、快速动态响应三大能力，通用性和拓展性要求也较高。而我国市场仍处于较低水平。

（3）控制器，工业机器人的核心，广州数控设备等企业已实现自我研制。技术差异与国际差异不大。

目前，我国很多种类工业机器人实现了小批量生产，其中包含部分国际高水平机器人。但仍处于成长阶段，有两大问题较为突出：（1）基础零部件技术水平较低，核心零部件进口依赖度较大。虽然国内有研究，但是在性能方面与国际水平差距较大。（2）工业机器人整个行业发展处于低水平。虽然有很多企业进军此领域，但大部分技术水平低。唯有对技术和质量进行把关才能解决此问题。对相关政策进行规范化有利于整个行业向高水平迈进。

我国工业机器人发展的目标大体为满足先进制造技术的需求。不断地向着国际前沿的高新技术发展。在高危环境下工作的机器人、仿生机器人等将成为我国工业机器人技术发展的重点。

4.2 国外现状

美国，不必多说，机器人的诞生地，工业机器人技术已形成规模。大范围采购主机以及配套设备再设计、研发、调试。已形成具有国际影响力的公司。

日本，引进美国的技术并进行飞速发展。在1968年研制出第一台日本机械手。80年代中期，拥有的世界高级工业机器人将近世界六成，远超美国，是“机器人王国”。通过产业链分工的方法，日本企业向新型工业机器人研制与生产批量化方向发展。如今日系产品生产、出口、使用方面均占世界首位。

欧洲采用为用户单位提供一揽子的系统集成解决方案的模式，工业机器人制造商承担和完成工业机器人制造商承担和完成工业机器的生产、应用工艺的系统设计与集成。[3]欧洲已实现核心零件的完全自主化，在工业机器人方面处于领先地位。对技术研发、产业升级的重视，结合“德国工业4.0”，工业机器人又迎来发展机遇。

国际范围内将掀起第四次工业革命——“再工业化”的浪潮。

4.3 我国面临的挑战

（1）由于核心零件的限制，国产工业机器人无法大批量生产，对于进口依赖度较大。

（2）基础研究处于较高水平，但是应用端研究较少。

（3）核心技术未突破，受制于人，因而没有自主知识产权，更没有自主品牌。

（4）国内工业机器人市场被外国企业垄断，外企极力在华开拓市场。

5 工业机器人的发展

5.1 工业互联网

工业互联网是全球工业系统与高级计算、分析、感应技术以及互联网连接融合的结果。它通过智能机器间的连接并最终将人机连接，结合软件和大数据分析，重构全球工业、激发生产力。近年来，随着全球经济一体化，世界各国纷纷加强了对高新技术的投入。人工智能等新兴技术的掀起正给产业带来全新的变革。在制造业中，以工业机器人为代表的AI也正逐步发展成为工业互联网的核心运算架构之一。要真正全面实现工业互联网，智能制造是必要环节，而人工智能则是这个环节的先决条件。

研究认为，在工业互联网产业链企业中，解决方案提供、智能制造设备供应等领域均有确定性机会。从我国工业机器人产业发展现状来看，一些著名的龙头企业和多家机器人公司都在积极布局智能制造等领域系统集成业务。

日前某知名机器人公司宣布，将与华为云展开合作，布局工业互联网。以广泛的行业客户和工业现场沉淀的大量设备为基础，并积累了丰富的工艺参数和生产经验，可以通过打造工业互联网平台实现底层数据的汇集和工业知识的复用。

5.2 主要发展方向

工业机器人技术主要朝着智能化方向发展。制造业不断发展和技术上的不断突破，对于工业机器人的期望也越来越高。为达到人机协调配合，工业机器人技术的发展方向主要为：

（1）智能化。对于现实问题进行数学建模和算法优化已不能满足需求。人工智能方兴未已，可将其应用于工业机器人的“智能成长”上。

（2）提高柔性工作能力。工业机器人已能够代替工人从事部分较低水平的工作。但仍不能完成一些复杂且精密的工作。提高负载／自重比、本体材料等能够较好地解决此问题。

（3）人机交互问题。目前，主要通过采用触控板、遥控器等方式实现与工业机器人的交互。研究通过手势、语音等交互方式解决目前友好性低以及智能程度低的交互问题[4]。

智能工业机器人在与人类一起工作时，它不仅了解它应该做什么，而且了解人正在做什么想什么。除此之外，还可以预测人类接下来会做什么，想什么。多机器人之间会有通信，综合感知能力更强。实现共享，互联还可以一起计划并且协调行动。可拓展性，物理安全等技术问题还需突破。

其实商业模式对制造业来说十分重要，在将来，未来制造业的商业模式将是以解决顾客问题为主。所以说，未来制造企业将不仅仅进行硬件的销售---物质上的交易，还通过后续服务，来获取更多的附加价值。而带有信息传递功能的“软物质”成为硬件产品新的核心，意味着个性化需求，私人定制制造将成为潮流。在制造过程中尽可能增加产品附加价值，拓展更多的服务，提出更优越的方案，满足消费者的个性化需求。

虽然我们现在仍很难在生活中见到智能机器人的影子。但在不久的将来，随着智能机器人技术的不断发 展和成熟。随着众多科研人员的不懈努力，智能机器人必将走进千家万户。更好的服务人们的生活，让人们的生活更加舒适和健康[5]。

参考文献

[1]周济,智能制造——“中国制造2025”的主攻方向[J].中国机械工程, 2015(17) :2273-2284.

[2]傅建中,智能制造装备的发展现状与趋势[J].机电工程, 2014(08):959-962.

[3]张逸,潘建龙.浅析日本机器人产业的现状[J].中国新技术新产品,2014(12):162.

[4]孟明辉等,工业机器人的研发及应用综述[J].上海交通大学学报,2016(S1):98-101.

[5]郑卫刚,简述智能机器人及发展趋势展望[J].智能机器人,2016(04)41-43.

[6]李玉珠,郑卫刚.浅谈一流大学工程训练中心软实力及巧实力建设[J].网友世界2012(12):56-58.

通讯作者

郑卫刚 （1967-） 男 技师 大学 研究方向：机电技术