陳堅(jiān)

摘要：工業(yè)機(jī)器人是現(xiàn)代和未來(lái)智能制造支撐性自動(dòng)化設(shè)備，決定著各國(guó)工業(yè)發(fā)展水平。工業(yè)機(jī)器人的研制水平、應(yīng)用能力及規(guī)模代表著所屬國(guó)家或者地區(qū)的科技創(chuàng)新活力和高端制造水平。站在全球科技革新和智能制造升級(jí)的歷史節(jié)點(diǎn)，普及工業(yè)機(jī)器人使之更好服務(wù)于經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展成為各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)角逐的重要科技領(lǐng)域。文章梳理了工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展脈絡(luò)，分析了當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，提出工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；發(fā)展脈絡(luò)；關(guān)鍵技術(shù)；挑戰(zhàn)

中圖分類號(hào)：TP242.2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）06-0025-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人是現(xiàn)代及未來(lái)制造業(yè)支撐性自動(dòng)化設(shè)備，是機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等技術(shù)綜合應(yīng)用的集大成。利用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行焊接、噴涂、裝配、搬運(yùn)等已在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中普及[1]。國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（International Federation of Robotics，IFR）和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）將機(jī)器人定義為一種半自主或全自主工作的機(jī)器，可以做對(duì)人類有益的工作，且是一個(gè)自動(dòng)、位置可控、可編程的多功能機(jī)械手，它具有幾個(gè)軸，可以通過(guò)編程操作來(lái)處理各種材料、零件、工具和專用設(shè)備，執(zhí)行各種任務(wù)。根據(jù) ISO給出的定義，服務(wù)機(jī)器人則是“對(duì)人類或設(shè)備執(zhí)行有用的任務(wù)，不包括工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用設(shè)備”，由該定義知，自動(dòng)引導(dǎo)車輛（Autonomous guided vehicles，AGVs）屬于服務(wù)機(jī)器人的范疇，鑒于AGVs已是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的重要物流工具，故也將其列入工業(yè)機(jī)器人類別。本文分別從世界和我國(guó)兩個(gè)視角概括了工業(yè)機(jī)器人發(fā)展脈絡(luò)，簡(jiǎn)述了現(xiàn)階段工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，并提出工業(yè)機(jī)器人技術(shù)未來(lái)發(fā)展的挑戰(zhàn)。

1 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展階段

1.1 世界工業(yè)機(jī)器人發(fā)展階段

世界工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)歷了起步、發(fā)展和智能化三個(gè)階段[2]。1958年George Devol申請(qǐng)了名為可編程操作設(shè)備的工業(yè)機(jī)器人專利，此后與Joseph F·Engelberger共同制造了首臺(tái)工業(yè)機(jī)器人（Robot），主要用于工業(yè)生產(chǎn)的鑄造、焊接等，自此標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的起步。1970年開(kāi)始經(jīng)過(guò)十幾年的技術(shù)進(jìn)步，機(jī)器人感知增強(qiáng)和離線可編程化，且能較好地支持不同的作業(yè)對(duì)象，至1984工業(yè)機(jī)器人商業(yè)化運(yùn)用領(lǐng)域已經(jīng)形成全球工業(yè)機(jī)器人四大家族格局（KUKA、ABB、YAKAWA、FANUC）。從1985年至今，伴隨著傳感器門類越加豐富，精度更高，以及智能算法的加持，部分工業(yè)機(jī)器人具有自適應(yīng)、自學(xué)功能。以美國(guó)、日本為代表的智能機(jī)器人研究已經(jīng)出現(xiàn)代表性的成果。據(jù)報(bào)道，2022年3月，波士頓動(dòng)力有限公司機(jī)器狗（Bigdog）被紐約消防局“招募”，用于幫助消防員執(zhí)行搜救任務(wù)。2022年由該公司出品并發(fā)布的智能機(jī)器人Atlas測(cè)試情況已經(jīng)展現(xiàn)出令人驚訝的身體協(xié)調(diào)性。

1.2 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展

據(jù)IFR公布：中國(guó)的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)在2021年實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)勁的增長(zhǎng)，該年創(chuàng)造了243300臺(tái)安裝設(shè)備的新紀(jì)錄，同比增長(zhǎng)了44%。我國(guó)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展歷程有別于國(guó)外起步相對(duì)晚，大致亦分為三個(gè)階段。第一階段是理論和樣機(jī)研究階段，20世紀(jì)70～80年代，我國(guó)開(kāi)始著手機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)等方面的研究并奠定了理論基礎(chǔ)。受到經(jīng)濟(jì)全球化和工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域的普及應(yīng)用影響，全國(guó)從上至下包括政府、企業(yè)、高校以及科研機(jī)構(gòu)的共同投入，完成了各類工業(yè)機(jī)器人的樣機(jī)研發(fā)。第二階段是示范應(yīng)用階段，從20世紀(jì)90年代，研制出了平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人、直角坐標(biāo)機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人等系列工業(yè)機(jī)器人，102種特種機(jī)器人，實(shí)施了100余項(xiàng)機(jī)器人應(yīng)用工程。為了促進(jìn)國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化，在90年代末建立了9個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地和7個(gè)科研基地[3]。第三階段是進(jìn)入21世紀(jì)后的產(chǎn)業(yè)化階段，伴隨著國(guó)家對(duì)自主創(chuàng)新的政策引導(dǎo)，促使國(guó)內(nèi)企業(yè)和科研院所進(jìn)行機(jī)器人及其生產(chǎn)線的自主研發(fā)和生產(chǎn)，造就了國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人的蓬勃發(fā)展，并逐步形成產(chǎn)業(yè)，涌現(xiàn)出許多知名國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人企業(yè)，如沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化、江蘇匯博機(jī)器人技術(shù)股份有限公司、南京埃斯頓自動(dòng)化股份有限公司、安徽埃夫特智能裝備有限公司等，他們各自在工業(yè)機(jī)器人整機(jī)方面、系統(tǒng)集成方面、關(guān)鍵零部件方面取得出色的成績(jī)，甚至在部分人工智能應(yīng)用領(lǐng)域趕超發(fā)達(dá)國(guó)家[4]。

2 工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在安全系統(tǒng)、協(xié)作輕量型機(jī)械臂、機(jī)器人抓取、傳感和感知算法、編程和通信接口以及AGVs等方面。

2.1 安全系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人工作過(guò)程可能對(duì)附近的人類構(gòu)成危險(xiǎn)，其安全系統(tǒng)是為確?？拷鼨C(jī)器人的人類不受傷害而進(jìn)行的必要設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)上，機(jī)器人生產(chǎn)單元周圍的圍擋可以確保無(wú)關(guān)人員無(wú)法進(jìn)入該作業(yè)區(qū)域，從而提高安全性，但這也增加了占地空間。新興的安全系統(tǒng)，例如：光幕系統(tǒng)，可警示無(wú)關(guān)人員進(jìn)入生產(chǎn)區(qū)域，取代了圍擋隔離。無(wú)論傳統(tǒng)還是新興安全系統(tǒng)，從技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度可分為兩類：被動(dòng)安全系統(tǒng)和主動(dòng)安全系統(tǒng)。被動(dòng)安全系統(tǒng)，不主動(dòng)檢測(cè)人類的存在，可以通過(guò)傳感器在機(jī)器人與環(huán)境中的人或物體碰撞時(shí)觸發(fā)停止（例如限制機(jī)器人可施加的力）。主動(dòng)安全系統(tǒng)主要依靠傳感器的集成，傳感器分為兩類：標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)傳感器和機(jī)器人本身的主動(dòng)傳感器，前者如：光幕警示，后者如：電容式機(jī)器人皮膚，用感官薄膜包裹機(jī)器人，識(shí)別機(jī)器人周圍小范圍（0～20cm）內(nèi)的電場(chǎng)變化檢測(cè)人的存在[5]。

2.2 協(xié)作輕量型機(jī)械臂

協(xié)作輕量型機(jī)械臂是有效載荷有限的機(jī)械臂，具有較強(qiáng)的獨(dú)立性和靈活性。協(xié)作輕量型機(jī)械臂技術(shù)專注于減少有效載荷，所形成的協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)允許人類近距離安全進(jìn)入機(jī)器人工作區(qū)域。這種機(jī)器人具有低成本的特點(diǎn)，正成為機(jī)器人市場(chǎng)的新生力量。協(xié)作輕量型機(jī)器人促進(jìn)了機(jī)器人平民化，由于其相對(duì)安全，可以避免工程師與傳統(tǒng)大型工業(yè)機(jī)器人一起工作的危險(xiǎn)性。除此之外，因其易于編程和利用集成扭矩傳感器來(lái)改進(jìn)交互能力，協(xié)作輕量型機(jī)械臂協(xié)作性能和柔性化更優(yōu)。

2.3 機(jī)器人抓取

機(jī)器人抓取涉及生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)工件的物理操作和抓取?？烧{(diào)節(jié)、便于更換的夾具可用來(lái)提高機(jī)器人的靈活性和健壯性，還可采用深度學(xué)習(xí)作為提高工業(yè)環(huán)境中機(jī)器人抓握能力的手段[6]。對(duì)特定行業(yè)中相對(duì)較輕的有效載荷場(chǎng)合，可以利用低成本的增材制造3D打印技術(shù)，快速和廉價(jià)地定制零件和工具，從而有效降低零件和工具的生產(chǎn)成本。

2.4 傳感和感知算法

傳感通常指硬件傳感器，而感知?jiǎng)t指從這些硬件傳感器中提取可用信息的算法，即感知算法。傳感器由來(lái)已久，現(xiàn)有市場(chǎng)上的傳感器成千上萬(wàn)，是工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)鍵感知器件；深度學(xué)習(xí)為代表的感知算法已經(jīng)能夠使機(jī)器人自主控制并獨(dú)立運(yùn)行，但對(duì)于高速工業(yè)機(jī)器人而言，所能夠提供的魯棒性和姿態(tài)識(shí)別方面還不夠理想。傳感和智能感知技術(shù)的進(jìn)步也推動(dòng)了智能制造能力的提升，例如：即時(shí)定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）技術(shù)。感知算法的改進(jìn)有助于通過(guò)條件監(jiān)測(cè)、關(guān)鍵性能變量和特征識(shí)別來(lái)實(shí)現(xiàn)工作對(duì)象的預(yù)測(cè)性維護(hù)。

2.5 編程和通信接口

工業(yè)機(jī)器人編程和通信接口包括控制機(jī)器人并使它們能夠執(zhí)行各種任務(wù)的高級(jí)編程接口，以及允許機(jī)器人通信并與其他硬件和軟件集成的底層通信接口。目前機(jī)器人的硬件基本行業(yè)通用，界面則是不同工業(yè)機(jī)器人的主要區(qū)別，也是機(jī)器人各大公司持續(xù)關(guān)注的焦點(diǎn)。作為新興技術(shù)代表的協(xié)作機(jī)器人，可以使用圖形語(yǔ)言，而不是Java或C++等語(yǔ)言進(jìn)行編程，在特定環(huán)境的編程上具有簡(jiǎn)單、更易上手的優(yōu)勢(shì)。通信接口，包括機(jī)器人編程語(yǔ)言和用于將機(jī)器人與其他硬件和軟件集成的通信協(xié)議。當(dāng)前使用的機(jī)器人編程語(yǔ)言種類多達(dá)20種，每個(gè)機(jī)器人都有自己的編程語(yǔ)言和通信協(xié)議，其中大部分是專有的，并不通用。機(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS）作為學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域的通用編程框架，相信未來(lái)也將延伸為工業(yè)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)編程框架。

2.6 AGVs

AGVs通常有輪子和傳感器，可以讓它們?cè)诠S車間里導(dǎo)航，是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)相關(guān)的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。目前，工廠中的AGVs主要用于勞動(dòng)密集型領(lǐng)域，如物流或在工廠車間的車間之間移動(dòng)、運(yùn)送物品或者材料。有賴于SLAM技術(shù)的逐步成熟，新的傳感器和感知算法使得當(dāng)前的AGVs技術(shù)比10年前強(qiáng)大許多。就目前的發(fā)展態(tài)勢(shì)，AGVs技術(shù)的推進(jìn)將大概率由現(xiàn)代物流車間和汽車行業(yè)驅(qū)動(dòng)，因?yàn)檫@兩大行業(yè)的技術(shù)發(fā)展對(duì)這類系統(tǒng)有著強(qiáng)烈的渴求和期待。

3 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

隨著工業(yè)機(jī)器人發(fā)展，其技術(shù)將面臨集成化、標(biāo)準(zhǔn)制定、柔性化、人才儲(chǔ)備以及技術(shù)瓶頸等方面的挑戰(zhàn)。

3.1 集成化

工業(yè)機(jī)器人集成到生產(chǎn)線的成本較機(jī)器人自身成本要高得多，前者往往是后者的4～5倍，工業(yè)機(jī)器人制造商要投入額外的精力和成本進(jìn)行現(xiàn)有生產(chǎn)線的調(diào)整和維護(hù)。針對(duì)生產(chǎn)線的局部改動(dòng)和工作組件的損壞維修都必須結(jié)合現(xiàn)有機(jī)器人集成的系統(tǒng)進(jìn)行，因此系統(tǒng)的柔性化設(shè)計(jì)和可延展性格外重要。工業(yè)機(jī)器人面臨集成方面的挑戰(zhàn)，即需要工業(yè)機(jī)器人制造商和系統(tǒng)集成商共同維護(hù)、升級(jí)機(jī)器人工業(yè)生產(chǎn)線。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)制定

關(guān)于硬件、軟件、通信和安全等許多類型的標(biāo)準(zhǔn)仍在開(kāi)發(fā)制定中，一定程度上限制了工業(yè)機(jī)器人新技術(shù)的推廣應(yīng)用。缺乏標(biāo)準(zhǔn)增加了集成時(shí)間和成本，并降低了用于制造多種類型產(chǎn)品或用于新裝配線的機(jī)器人系統(tǒng)的可重用性。例如：由于現(xiàn)有機(jī)器人的價(jià)格相對(duì)便宜，所以很多工業(yè)機(jī)器人制造商會(huì)直接舍棄它們，而不是在一條生產(chǎn)線完成后重復(fù)使用它們。最終發(fā)展出的工業(yè)機(jī)器人行業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)將有效提高靈活性和系統(tǒng)模塊化，反過(guò)來(lái)又可以促進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的加速進(jìn)步。這些標(biāo)準(zhǔn)的挑戰(zhàn)主要包括：安全標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、接口和機(jī)器人編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)、硬件標(biāo)準(zhǔn)以及機(jī)器人規(guī)格和技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等。

3.3 柔性化

由于工業(yè)機(jī)器人在不同生產(chǎn)場(chǎng)景數(shù)量的需求差異以及重新投入新任務(wù)上的困難，迫使未來(lái)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)具有柔性化，以適應(yīng)并動(dòng)態(tài)解決各種生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題。這些柔性化具體包括：提高機(jī)器人技術(shù)在高混合、低產(chǎn)量生產(chǎn)中的適用性，更快集成和縮短重新集成的時(shí)間，可重構(gòu)的工作生產(chǎn)線，允許同一條生產(chǎn)線生產(chǎn)多個(gè)產(chǎn)品，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)復(fù)用性等，中小企業(yè)在這部分的技術(shù)革新中起到重要的推手作用。在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，增加柔性化的關(guān)鍵因素主要包括：易用性、易編程性、直觀的界面、系統(tǒng)模塊化和仿真等。

3.4 人才儲(chǔ)備

創(chuàng)新和創(chuàng)造是科技的推動(dòng)力，工業(yè)機(jī)器人新興技術(shù)的產(chǎn)生離不開(kāi)大量的專業(yè)技術(shù)人才，創(chuàng)造力是專業(yè)人才和工人們的專屬，因?yàn)闄C(jī)器人是無(wú)法提供創(chuàng)造技能的，因此技術(shù)的革新和普及需要技術(shù)技能人才的儲(chǔ)備。新技術(shù)的引入和普及就要求在制造業(yè)內(nèi)部開(kāi)展如何更好地使用新技術(shù)的教育和培訓(xùn)。例如：隨著輕型機(jī)器人產(chǎn)品越來(lái)越多走向普通大眾，那么就要相應(yīng)地開(kāi)展關(guān)于輕型機(jī)器人的銷售人員和客戶對(duì)產(chǎn)品使用的培訓(xùn)。

3.5 技術(shù)瓶頸

（1）視覺(jué)、傳感和感知

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)已初步在各個(gè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用，包括提高產(chǎn)品檢測(cè)速度，降低產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)成本，確保協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)的安全性，以及實(shí)現(xiàn)通用零件選擇等。然而，視覺(jué)技術(shù)達(dá)到如人眼般的智能程度仍然是亟待解決的一個(gè)瓶頸問(wèn)題。在使用視覺(jué)技術(shù)之前，主要采用觸覺(jué)感知來(lái)解決問(wèn)題，因?yàn)榛谝曈X(jué)的解決方案，圍繞數(shù)據(jù)檢測(cè)的魯棒性仍然存在許多挑戰(zhàn)，例如在對(duì)生產(chǎn)線上的部件進(jìn)行微小的改動(dòng)，或者工廠內(nèi)部的照明發(fā)生微弱的變化，常常導(dǎo)致視覺(jué)系統(tǒng)無(wú)法正常辨識(shí)或者系統(tǒng)崩潰。此外，采用深度學(xué)習(xí)的視覺(jué)應(yīng)用，相機(jī)系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)目前需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，由于無(wú)法提供工業(yè)環(huán)境所需的可靠性和魯棒性，基于深度學(xué)習(xí)的解決方案仍然是不通用的。

（2）機(jī)器人抓握

機(jī)器人抓握仍然是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人解決方案的另一個(gè)技術(shù)瓶頸。目前，機(jī)器人的抓握能力與人類相比還差距甚遠(yuǎn)，因此物理抓握物件仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。大多數(shù)機(jī)器人操縱器仍然不靈活，機(jī)器人的抓握能力仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上人類的抓握能力。目前的機(jī)器人抓手很難操縱靈活、可變形的物體，這就限制了機(jī)器人抓手在制造中的大量應(yīng)用，因此工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中需要更靈活和智能的抓握技術(shù)。

（3）新技術(shù)的魯棒性和可靠性

將新技術(shù)引入生產(chǎn)線時(shí)，需要廣泛的魯棒性和可靠性。制造過(guò)程中的異?；蜃兓赡艽硪粋€(gè)障礙，例如：照明變化會(huì)影響感知算法，而零件方向或尺寸的異常會(huì)限制夾緊能力；兩者都可能使生產(chǎn)線停滯。制造過(guò)程中任何形式的停機(jī)時(shí)間都將造成損失，這時(shí)引入人工智能（Architecture Intelligence，AI）算法是值得考慮的一條解決方案，雖然AI本身具有智能、精準(zhǔn)等可取之處，但其魯棒性和可靠性有待進(jìn)一步探索和驗(yàn)證。

4 總結(jié)和展望

通過(guò)梳理工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展脈絡(luò)和我國(guó)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展和現(xiàn)狀，有助于看清工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展方向。正值全球各國(guó)競(jìng)相開(kāi)展新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，以德國(guó)工業(yè)4.0、美國(guó)先進(jìn)制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃、中國(guó)制造2025、日本機(jī)器人新戰(zhàn)略等為代表的各國(guó)戰(zhàn)略計(jì)劃相繼出臺(tái)，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)將與人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等形成跨學(xué)科融合，不斷沉淀現(xiàn)有的關(guān)鍵技術(shù)使之趨于成熟，進(jìn)而突破未來(lái)的技術(shù)挑戰(zhàn)。作為未來(lái)智能制造核心，工業(yè)機(jī)器人正朝著重載荷或輕量化兩極、高精度、高速度、智能化、數(shù)字化等方向發(fā)展，為完成人類賦予的各項(xiàng)工作任務(wù)，機(jī)器人之間、機(jī)器人與人之間的協(xié)作也將更加開(kāi)放，安全和協(xié)作問(wèn)題也將成為未來(lái)研究熱點(diǎn)。

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【通聯(lián)編輯：李雅琪】