工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)研究

田闖

[摘 要]隨著國(guó)家乃至全球范圍內(nèi)對(duì)智能制造的大力推廣，工業(yè)機(jī)器人成為智能制造執(zhí)行端的核心產(chǎn)品之一。本文簡(jiǎn)要介紹工業(yè)機(jī)器人的基本概念，詳細(xì)分析工業(yè)機(jī)器人的市場(chǎng)現(xiàn)狀及影響國(guó)內(nèi)機(jī)器人發(fā)展的主要因素，最后探討工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)，旨在為相關(guān)研究提供借鑒。

[關(guān)鍵詞]工業(yè)機(jī)器人;智能制造;發(fā)展趨勢(shì)

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2019.20.070

[中圖分類號(hào)]TP242.2[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1673-0194（2019）20-0-02

0 ? ? 引 言

隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，產(chǎn)品需求的個(gè)性化趨勢(shì)越來(lái)越明顯，用戶至上成為企業(yè)的核心思維，用戶對(duì)資源配置、產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響力不斷上升，未來(lái)客戶可以根據(jù)自己的要求直接參與產(chǎn)品工程和設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品可以完全按照個(gè)人意愿進(jìn)行生產(chǎn)。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，全球范圍內(nèi)掀起了智能制造的浪潮，德國(guó)、美國(guó)、中國(guó)先后提出了工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、中國(guó)制造2025，預(yù)示著信息技術(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)融合是傳統(tǒng)制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，制造業(yè)將逐步向定制化、個(gè)性化、服務(wù)化方向轉(zhuǎn)型。

1 ? ? 工業(yè)機(jī)器人概述

機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序執(zhí)行工作，還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。機(jī)器人的主要作用是代替人類工作，比如生產(chǎn)、建筑等比較危險(xiǎn)的作業(yè)崗位。機(jī)器人有3個(gè)主要特征：①有“大腦”，“大腦”指自動(dòng)控制的程序;②有“身體”，具有一定的結(jié)構(gòu)形態(tài);③能夠完成一定的動(dòng)作。按照機(jī)器人發(fā)展的3個(gè)階段，主要可以分為3類：第一階段是再現(xiàn)型機(jī)器人，目前的主流機(jī)器人大部分都是這種，運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃好后讓機(jī)器人重復(fù)再執(zhí)行;第二階段是有感覺(jué)機(jī)器人，通過(guò)集成視覺(jué)、觸覺(jué)傳感器讓機(jī)器人能夠感知周?chē)h(huán)境變化;第三階段是智能機(jī)器人，通過(guò)云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，根據(jù)算法自動(dòng)做一些決策和行動(dòng)指令。

從應(yīng)用環(huán)境來(lái)分類，可以分為工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，主要應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，比如移動(dòng)機(jī)器人、焊接機(jī)器人、激光加工機(jī)器人、真空機(jī)器人、潔凈機(jī)器人等。特種機(jī)器人指工業(yè)機(jī)器人之外的，應(yīng)用非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種機(jī)器人，比如服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)用機(jī)器人、巡檢機(jī)器人和空中機(jī)器人等。

焊接機(jī)器人典型應(yīng)用在汽車(chē)制造業(yè)，通過(guò)使用焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)弧焊和點(diǎn)焊，性能穩(wěn)定，工作空間足夠大，速度足夠快，負(fù)荷能力強(qiáng)，明顯優(yōu)于人工焊接，大大提高焊接效率和正品率。移動(dòng)機(jī)器人最早應(yīng)用在電商領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)貨物分揀、搬運(yùn)。巡檢機(jī)器人主要用于大型變電站所，這些地方分散在相對(duì)比較荒野的地方，輻射較大，不能長(zhǎng)期派人駐守，從而使用巡檢機(jī)器人完成日常巡檢工作。激光加工機(jī)器人，通過(guò)高精度工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)更加柔性的激光加工作業(yè)。真空機(jī)器人，是一種在真空環(huán)境下工作的機(jī)器人，有些產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)境需要達(dá)到真空環(huán)境，比如芯片，這時(shí)真空機(jī)器人可以派上用場(chǎng)。

2 ? ? 工業(yè)機(jī)器人的市場(chǎng)分析

2.1 ? 全球范圍工業(yè)機(jī)器人銷(xiāo)售量分析

根據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（IFR）提供的2006-2017年全球范圍工業(yè)機(jī)器人銷(xiāo)售量的報(bào)告可以看出，除了2008年經(jīng)濟(jì)危機(jī)導(dǎo)致2009年工業(yè)機(jī)器人銷(xiāo)售量萎縮，其他年份基本都按照一定比例增長(zhǎng)，特別是2017年，增長(zhǎng)幅度高達(dá)31%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)2012-2016年14%的平均增長(zhǎng)率。其中，2016-2017年增長(zhǎng)幅度較大，主要受到汽車(chē)和電子兩大行業(yè)的影響。汽車(chē)行業(yè)，在2017年出現(xiàn)了比較顯著的現(xiàn)象是新能源汽車(chē)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，比如阿里的小鵬等，大量的生產(chǎn)新能源汽車(chē)工廠建設(shè)導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人用量激增;電子行業(yè)方面，2017年，日常使用的手機(jī)發(fā)生了很大變化，以蘋(píng)果為代表的“劉海屏”出現(xiàn)，以前的智能手機(jī)屏幕相對(duì)來(lái)說(shuō)只有大小區(qū)別，生產(chǎn)工藝變化不大，因此，改造屏幕的生產(chǎn)線也不會(huì)太大，而“劉海屏”這類異形屏出現(xiàn)使手機(jī)內(nèi)部電子連線布局，屏幕組裝、測(cè)試，攝像頭位置調(diào)整等相關(guān)手機(jī)裝配工藝發(fā)生了很大變化，大量傳統(tǒng)手機(jī)生產(chǎn)線的改造和更換導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人的需求量激增。

2.2 ? 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人銷(xiāo)售量分析

從中國(guó)區(qū)來(lái)看，同樣在2015-2017年機(jī)器人的銷(xiāo)售量穩(wěn)步增長(zhǎng)，2017年比上年增長(zhǎng)59%，且國(guó)內(nèi)電子行業(yè)首次超過(guò)汽車(chē)行業(yè)，成為了工業(yè)機(jī)器人第一大銷(xiāo)往的行業(yè)。我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的保有量和增長(zhǎng)量基本都是第一，但是衡量一個(gè)國(guó)家機(jī)器人自動(dòng)化水平并不單看量，主要看機(jī)器人密度（機(jī)器人密度指每萬(wàn)名工人對(duì)應(yīng)的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量）。我國(guó)通過(guò)近年來(lái)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，機(jī)器人密度達(dá)到97，超過(guò)了世界平均水平，但是和新加坡、美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家相比，還有一定差距，因此，工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、財(cái)政部共同印發(fā)的《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃2016-2020年》提出工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)應(yīng)用目標(biāo)，即集成應(yīng)用取得顯著成效;完成30個(gè)以上典型領(lǐng)域機(jī)器人綜合應(yīng)用解決方案，并形成相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在重點(diǎn)行業(yè)的規(guī)?；瘧?yīng)用，機(jī)器人密度達(dá)到150以上。

3 ? ? 影響我國(guó)機(jī)器人發(fā)展的主要因素

3.1 ? 電機(jī)

工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)電機(jī)的快速啟動(dòng)、快速停止、快速轉(zhuǎn)向、高精度等性能要求非常高，需要配置專用電機(jī)，這類電機(jī)區(qū)別于市場(chǎng)上普通的自動(dòng)化電機(jī)，自動(dòng)化電機(jī)一般不會(huì)突然變向（比如突然正轉(zhuǎn)變反轉(zhuǎn)），即使具備突然變向功能，頻率也無(wú)法達(dá)到工業(yè)機(jī)器人的性能要求。

3.2 ? 減速箱

減速箱是動(dòng)力源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的中間裝置，是工業(yè)機(jī)器人的核心部件。目前，國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的減速箱基本上都是外資的，被日本兩家公司壟斷，這兩家公司的減速箱產(chǎn)品分別面向小負(fù)載和大負(fù)載工業(yè)機(jī)器人，同時(shí)，兩家公司與機(jī)器人四大家族（日本的安川電機(jī)（YASKAWA）、發(fā)那科（FANUC）、德國(guó)的庫(kù)卡（KUKA）、瑞士ABB）簽署了價(jià)格聯(lián)盟，因此，國(guó)內(nèi)機(jī)器人生產(chǎn)公司購(gòu)買(mǎi)減速箱的成本會(huì)高于價(jià)格聯(lián)盟中的定價(jià)，導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)成本增加。

3.3 ? 材料

工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景是大規(guī)模重復(fù)使用，重復(fù)運(yùn)行精度要求非常高，重復(fù)運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致材料磨損，磨損會(huì)造成定位精度下降，因此，制造機(jī)器人的材料需要具有較好的耐磨性，這也是國(guó)產(chǎn)機(jī)器人大部分都應(yīng)用大負(fù)荷、精度要求不高場(chǎng)合的原因。

3.4 ? 控制軟件

機(jī)器人的控制軟件分兩部分：一部分是底層操作系統(tǒng)，比如美國(guó)的風(fēng)河操作系統(tǒng)，Windows系統(tǒng)等;另一部分是機(jī)器人的控制算法，又可以叫做工藝包，控制算法可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝去編寫(xiě)，是生產(chǎn)工藝在工業(yè)機(jī)器人上的具體實(shí)現(xiàn)，對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝了解比對(duì)產(chǎn)品功能了解更重要，直接決定了自動(dòng)化產(chǎn)線的好壞。進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的差別主要在工藝包上，工藝需要不停摸索和積累，是產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的最佳實(shí)踐。

4 ? ? 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 ? 至簡(jiǎn)

機(jī)器人的制造更簡(jiǎn)單，使用傳統(tǒng)制造方式研發(fā)一款新機(jī)器人大概要用一年半到兩年的時(shí)間，對(duì)于兩臺(tái)不同型號(hào)的機(jī)器人，各個(gè)零件差異很大，在未來(lái)，機(jī)器人將采用模塊化設(shè)計(jì)，工業(yè)機(jī)器人的大部分零部件可以通用，采用類似“樂(lè)高積木”模式進(jìn)行零部件拼接制造，甚至可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)。使用和管理方面更簡(jiǎn)單，工業(yè)機(jī)器人的使用通常需要進(jìn)行培訓(xùn)，操作有一定的復(fù)雜性，在未來(lái)，通過(guò)APP軟件控制機(jī)器人，大大降低硬件投入和維護(hù)成本，同時(shí)，工業(yè)機(jī)器人支持聯(lián)網(wǎng)功能，加上云服務(wù)器，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程管理和維護(hù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人生產(chǎn)運(yùn)行狀況，及時(shí)處理、異常故障快速排除。

4.2 ? 協(xié)作

工業(yè)機(jī)器人的協(xié)作通常經(jīng)歷3個(gè)階段，第一階段是工業(yè)機(jī)器人和人的工作區(qū)域完全不重疊，各做各的，機(jī)器人的工作區(qū)域一般會(huì)加個(gè)圍欄，防止工作過(guò)程中碰到人;第二階段是針對(duì)某些特殊的生產(chǎn)流水線，完全靠機(jī)器人無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，需要人工和機(jī)器配合完成，但人和機(jī)器不能同時(shí)進(jìn)入工作區(qū)域，需要相互等著對(duì)方完成作業(yè)后方可進(jìn)入工作區(qū)域進(jìn)行作業(yè);第三階段是人和機(jī)器人完全共享同一個(gè)工位，肩并肩一起工作，不用做圍擋和隔離，這是最理想的人與機(jī)器人協(xié)作模式，這種協(xié)作模式在未來(lái)會(huì)越來(lái)越普遍，這樣的工作模式需要工業(yè)機(jī)器人更加具有柔性，并集成視覺(jué)、壓力等多種高精度智能傳感器。

4.3 ? 數(shù)字化技術(shù)融合

4.3.1 ? 虛擬仿真技術(shù)

機(jī)器人虛擬仿真軟件提供了豐富的仿真工具，使工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化流水線設(shè)計(jì)變得更簡(jiǎn)單，通過(guò)仿真，在自動(dòng)化流水線設(shè)計(jì)初期就能夠完全模擬正式的生產(chǎn)環(huán)境和工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行態(tài)勢(shì)，便于修改和調(diào)優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

4.3.2 ? VR技術(shù)

通過(guò)將仿真軟件與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相融合，能夠360°體驗(yàn)虛擬場(chǎng)景，比電腦屏幕去看更加直觀。只要搭好三維場(chǎng)景，帶上VR眼鏡可以在實(shí)際生產(chǎn)線上去體檢，實(shí)現(xiàn)更多交互，甚至可以在虛擬場(chǎng)景中實(shí)際操作工業(yè)機(jī)器人。

4.3.3 ? AR技術(shù)

微軟Hololens能夠把一個(gè)全息圖像投影到真實(shí)物理環(huán)境中，提供了一個(gè)看世界的新方式，與機(jī)器人仿真軟件相結(jié)合，可以在真實(shí)世界中看到一臺(tái)虛擬機(jī)器人，提供機(jī)器人項(xiàng)目方案可視化、隨時(shí)隨地查到機(jī)器人各項(xiàng)數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程操作維護(hù)指導(dǎo)等功能。

5 ? ? 結(jié) 語(yǔ)

工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在工業(yè)領(lǐng)域之外，機(jī)器人可以化身各種角色，融入各種領(lǐng)域，比如超市售賣(mài)、醫(yī)療服務(wù)、家政服務(wù)、舞臺(tái)表演等，隨著工業(yè)機(jī)器人的柔性化程度及人機(jī)安全的逐步完善，未來(lái)還會(huì)有各式各樣的全新領(lǐng)域會(huì)出現(xiàn)機(jī)器人的身影。