工業機器人的研究現狀與發展趨勢

田 濤，鄧雙城，楊朝嵐，張 澤，鄭海洋，王福利，周唐愷

(1.北京工業大學，北京 100124；2.北京石油化工學院，北京 102617；3.北京化工大學，北京 100029)

工業機器人的研究現狀與發展趨勢

田 濤1，鄧雙城2，楊朝嵐2，張 澤1，鄭海洋3，王福利2，周唐愷2

(1.北京工業大學，北京 100124；2.北京石油化工學院，北京 102617；3.北京化工大學，北京 100029)

工業機器人為多種科學技術綜合運用，自動化技術高度發展的產物，其是繼汽車和計算機之后新的高新技術產業，對生產和社會的發展都起著至關重要的推動作用。首先，介紹了工業機器人的組成，并按不同標準進行了分類；然后，對國內外研究現狀進行了對比分析，明確了國內外的巨大差距；最后，預言了工業機器人的發展趨勢。

工業機器人；自動化；高新技術產業；研究現狀；發展趨勢

Beijing 102617，China； 3. Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029，China)

工業機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器和人工智能等多學科先進技術于一體的重要現代制造業自動化裝備[1]。美國于1962年研制出世界上第1臺示教型工業機器人，從此引領了機器人技術及相關產品的飛速發展。經過多年發展，國外工業機器人技術日趨成熟，而國內由于相關研究展開得比較晚，雖然取得了一定的成績，但技術基礎仍然很薄弱。

工業機器人的產生引起了生產和生活方式的劇變，帶來了巨大的便利，如提高了勞動生產率及加工精度，降低了工作人員的工作強度，可以在工人難以適應的環境下工作等。隨著近些年機器人研究廣泛而又深入的開展，工業機器人不再僅僅局限于制造業，還被推廣到采礦、救援和水電系統維修等非制造業領域。工業機器人及其成套產品成為自動化產業的主要方向，逐漸構成國家產業的重要組成部分，不斷推動其他支柱產業的升級，成為推動國家社會和經濟發展的重要力量。

1 工業機器人的組成及分類

1.1 工業機器人的組成

工業機器人一般由人機界面、運動控制器、驅動器和機械本體等部分組成(見圖1)，各部分功能緊密聯系，構成一個閉環系統。人機界面是操控人員向機器人發送指令的窗口；運動控制器是各關節的位姿運算單元，使機器人按照規定的要求工作，控制機器人的起動及停止；驅動器是為執行機構提供動力及運動的裝置；機械本體即操作機，是完成各種動作的最直接部件，包括各種動作執行機構，如機械手。另外，還有一些輔助裝置，如傳感器，可以輔助機械本體進行位置和力等信息的檢測。

圖1 工業機器人系統基本構成

1.2 工業機器人的分類

在科技迅猛發展的今天，工業機器人的更新換代非常快，種類也越來越多,可以依據不同的標準對其進行劃分，如采用的關鍵技術、應用領域、動力源、承載能力和順序信息等；然而也存在一些機器人，很難用具體的標準對其進行劃分。按照關鍵技術的發展，工業機器人可以分為3代：第1代是示教再現工業機器人，采用示教盒在線示教編程并保存示教信息，當機器人工作時，運動控制器解析并執行示教指令，該類機器人控制簡單，容易實現，因而在工業上被廣泛采用；第2代是離線編程機器人，其采用了離線計算機模型仿真技術，先對實體模型進行運動仿真，然后將驗證過的編程以代碼的形式傳遞給機器人控制柜，從而控制機器人的運動，并且使其具有一些簡單智能(如視覺、觸覺和力感覺等)；第3代是智能機器人，即機器人具有自主控制能力的裝置，可以通過所帶有的各種傳感器感應周圍復雜的動態環境信息，然后做出自主判斷，進而自行發出正確指令，完成預期工作[2]。

工業機器人廣泛應用于諸多領域，如工業、醫療、軍事、搶險和家政服務等，包括廣泛應用于汽車行業等制造業的點、弧焊機器人，噴涂機器人，搬運機器人；廣泛應用于通信和遠距離控制的網絡機器人；廣泛應用于其他非制造業的機器人，如救援機器人、軍用機器人和服務機器人等。

工業機器人想要實現運動，需要對其提供動力，按照動力源的方式可分為液動、氣動和電動機器人。3種驅動方式各有利弊：液動機器人提供的動力比較大，適合于搬運重載的物體，而且反應速度比較快，但是容易產生泄漏，且油液容易被污染；氣動機器人由于氣體的可壓縮性，很難保證運動過程的平穩性以及工作的精度；電動機器人不需要泵或空氣壓縮機，結構設計較簡單，而且工作精度較高，是當前工業機器人大多采用的驅動方式。

任何一款工業機器人都只能承載一定范圍的負荷，否則就會失效，而承載能力是表示機器人工作“力量強度”的指標。根據承載能力可以將工業機器人劃分為超大型機器人(>1 t)、大型機器人(100 kg～1 t)、中型機器人(10～100 kg)、小型機器人(0.1～10 kg)和超小型機器人(<0.1 kg)。明確了各種類型機器人的承載能力后，就可以根據實際工作需要選擇合適的類型[3]。

順序信息即機器人軟件程序的機能，是衡量機器人智能水平的1個指標，據此可以分為操縱機械手機器人、單機能機器人、反復作業機器人和智能機器人。操縱機械手沒有記憶功能，只能夠直接進行操作；單機能機器人僅具有固定記憶功能，無法進行多種反復作業；大部分反復作業機器人的作業程序可以變更，能夠實現多種反復作業；智能機器人能夠自行處理和決定行動。

2 國內外發展現狀

2.1 國外發展現狀

1962年，美國通用汽車公司將第1臺示教工業機器人投入使用，標志著工業機器人的誕生，之后經過數十年的發展，美國已經成為最頂尖的機器人強國之一。起步晚于美國5年的日本在這一領域得到了更為快速的發展，無論在機器人擁有數目還是密度上都在世界處于領先地位，成為名副其實的機器人王國。20世紀90年代中期開始，歐洲和北美的工業機器人產業在日本機器人發展的短暫低潮期強大了起來。隨著機器人技術的日趨成熟，其標準化、模塊化和智能化程度越來越高，工業機器人自動化成套裝備已經成為自動化作業的主流方向，工業機器人的裝機數和銷售營業額都有了極大的提升；同時，工業機器人被推廣到了建筑、采礦和救援等非制造領域。當前，國際上知名的工業機器人公司有日系的安川、OTC、FANUC、松下和川崎等，以及歐系中瑞典的ABB，德國的KUKA、CLOOS，意大利的COMAU及奧地利的IGM公司等[4]。日本安川電機公司于1977年研制出了第1臺全電動工業機器人，公司的核心產品還包括半導體晶片傳輸機器人，其最早將工業機器人應用到半導體領域。日本FANUC公司成立于1972年，致力于工業機器人與工廠自動化的研究。公司所研制的R-2000iA系列多功能智能機器人上安裝有視覺傳感器和壓力傳感器，能夠將無序放置的工件撿起并正確裝配起來。瑞典ABB公司于1974年研制的用于搬送物料的工業機器人IRB6是世界上第1臺能夠實現全電控的機器人。德國KUKA公司生產的機器人種類繁多，負荷為5～1 300 kg，工作領域可小到部件檢測、小部件裝配或打磨等作業，大到汽車車身側面加工或貨盤堆垛等較重的作業。

2.2 國內發展現狀

工業機器人可以降低制造成本，減輕勞動強度，同時我國又是世界制造業大國，因此對工業機器人的研究與推廣顯得十分迫切。在此背景下，我國于20世紀70年代對工業機器人開始展開研究，“七五”期間，我國對基礎技術、基礎元器件、幾類工業機器人整機及應用工程進行了開發研究，實現了我國機器人產業從無到有的跨越。經過“八五”和“九五”科技攻關，我國工業機器人開始進入實際應用階段，而且，“九五”期間在國家“863”項目的支持下，建立了沈陽新松機器人自動化股份有限公司、上海機電一體化工程公司和北京機械工業自動化所等9個智能機器人主題產業基地和7個科研基地。90年代后期，我國實現了機器人的商品化，為工業機器人產業化發展奠定了基礎。“十五”期間國內工業機器人的需求以每年15%～20%的速度增長，應用領域也不斷擴大。

國內知名機器人企業與科研機構取得了突出的研究成果，例如沈陽新松作為國內知名的機器人產業基地，研制出了RH6弧焊機器人、RD120點焊機器人等工業機器人及特種機器人。首鋼莫托曼機器人有限公司作為國內最主要的機器人生產基地，引進安川UP系列機器人生產技術生產了“SG-MOTOMAN”機器人，并且研制出適用于工業領域的焊接、裝配、搬運等機器人和機器人工作站。

目前，我國工業機器人主要是滿足國內市場，只有小部分用于出口，并且機器人主要應用于國內汽車行業，包括弧焊、點焊、檢測、搬運、研磨拋光和裝配等復雜作業，在其他領域仍有廣闊的發展空間與市場前景。雖然我國發展水平跟國外仍有一定差距，但是總體而言已經基本掌握了工業機器人設計、制造及應用中的多項關鍵技術，工業機器人產業得到了長足發展，在世界工業機器人領域占有了一席之地。

3 工業機器人的發展方向

為了推動工業機器人的進一步發展，適應新時代的產業化需求，提出了“敏捷制造”策略。“敏捷制造”的基本思想是企業能迅速以多種形式實現競爭環境下的敏捷性,主要包括個性化需求滿足、快速反應性、低成本、生產系統重組與資源重用等[5]。為此，工業機器人的發展呈現出3個方向，即模塊化、結構創新和智能化。

1) 模塊化。所謂模塊化就是為實現產品(系統)的總功能，在功能分析的基礎上，將整個產品分解為若干特定模塊，然后通過模塊的不同組合得到不同品種、不同功能的產品，以滿足市場的各種需求[6]。模塊化設計具有下述幾個優點：能夠使機器人便于拆卸，減小安裝空間，方便組件的運送；便于組件的替換，方便維修；通過組件的不同搭配，既可以滿足不同用戶群體的諸多需求，又可以降低制造成本。

2) 結構創新。隨著工業機器人技術的日益成熟，機器人不再僅被應用于制造業領域，其也被廣泛地應用于非制造業的各個領域。由于工作環境復雜多變，因此對機器人的環境適應性提出了更高的要求，為了適應各種惡劣的作業環境，需要對機器人的結構進行改進和創新，例如為了服務于搶險救援場所，仿生足式機器人等新型行走機構成為機器人研究的熱點。固定作業機器人中，為了提高動作靈活度，多關節、多自由度的機械臂等直桿機構開始出現。

3)智能化。在柔性制造自動化及特殊作業中，要求機器人要有一定的智能，即檢測功能和判斷功能。為了實現該功能要求，需要大力發展多傳感器信息融合技術，通過傳感器獲取的信息與信息庫中存儲的信息進行對照分析，完成檢測識別，進而通過智能系統進行判斷分析，例如在地震救災機器人的研制中，為了實現對未知災難現場環境信息的獲取，需要安裝視覺傳感器；為了實現機器人行進中的自主避障，需要安裝紅外測距傳感器等。

4 結語

工業機器人的出現是人類科技史上的一個重大成就，如美國和日本等資本主義國家都在工業機器人領域取得了突出的成績，從而帶動了本國自動化產業經濟的發展，而我國在這一領域尚處于劣勢地位。為了盡快縮短與國外的差距，需要政府大力扶植，發揮人才優勢，在吸取國外先進理論的基礎之上走出一條適合于我國的自主研發道路，推動我國工業機器人技術的飛速發展，帶動我國經濟的發展。

[1] 孫志杰,王善軍,張雪鑫.工業機器人發展現狀與趨勢[J].吉林工程技術師范學院學報，2011, 27(7):61-62.

[2] 曹文祥,馮雪梅.工業機器人研究現狀及發展趨勢[J].機械制造，2011,(2):41-43.

[3] 余達太.工業機器人技術的現狀及其展望[J].自動化學報,1987,13(2):1.

[4] 徐方.工業機器人產業現狀與發展[J].機器人技術與應用,2007(5):2-3.

[5] 真彤,祈國寧,吳昭同，等.敏捷制造的總體技術研究[J].計算機集成制造系統,1999,5(3)：1-10.

[6] 單以才.機器人機械操作臂的模塊化設計及其控制的研究[D].揚州:揚州大學，2003.

責任編輯李思文

ResearchStatusandDevelopmentTrendofIndustrialRobot

TIAN Tao1,DENG Shuangcheng2,YANG Zhaolan2,ZHANG Ze1,ZHENG Haiyang3,WANG Fuli2, ZHOU Tangkai2

(1.Beijing University of Technology, Beijing 100124，China; 2. Beijing Institute of Petro-chemical Technology,

Industrial robot is integrated usage of a variety of science and technology, and it′s also the product of highly developed automation technology. Industrial robot is the new high-tech industry after automobile and computer. Industrial robot plays a vital role in promoting the development of production and society. First，the paper introduced the composition of industrial robot, and classified it according to different criteria, second, the research status were compared, and a huge gap between domestic and foreign was presented, last, the paper forecasted its development trend.

industrial robot, automation, high-tech industry, research status, development trend

TP 24

：A

田濤(1988-)，男，碩士研究生，主要從事機器人結構設計與控制算法等方面的研究。

2014-08-18