工業機器人的原理、發展現狀及趨勢

湖北省黃石市第二中學 許 昌

1.引言

在經歷了三次工業革命后，人類開始邁入以智能制造為主導的第四次工業革命。在這一次工業革命浪潮中，工業機器人便是其重要特征之一。隨著勞動力成本的不斷提高，各國也逐漸開始重視工業機器人。因為工業機器人的興盛，不僅解決了勞動力成本問題，將人們從繁重、枯燥的重復勞動中解放出來，同時，一些危險系數高、對人體有害的工作也將交與工業機器人來完成[1]。

據統計，截至2017年，全世界大約有100萬機器人在工作。實施“中國制造2025”這一背景下，我國已成立了多處機器人產業，在一些關鍵技術方面也有重大的突破，在國際上占有了一席之地。但就某些核心技術來說，我國技術基礎仍很薄弱[2]。

2.工業機器人原理

2.1 工業機器人的組成及分類

工業機器人一般由檢測控制系統、執行機構和驅動機構組成。工業機器人種類繁多，按系統功能可分為[3]：

(1)專用機器人：其控制系統和程序都是固定的不可更改的，通過固定的程序，在固定的地點，完成單一、機械的工作。其特點是應用場景單一，結構簡單，制造成本低。

(2)通用機器人：其控制系統是獨立的，可以根據不同工作需要，對其程序進行修改，滿足不同的生產需求。該類機器人的特點是結構復雜，工作領域大，通用性強。

(3)示教再現式機器人：該類機器人的控制系統具有記憶功能，可以對操作者的示范操作進行記憶和復現操作，按示教所給予的信息完成示教作用。

(4)智能機器人：該類機器人具有多類傳感器，可以對溫度、聲音、光照等進行感知和識別，具備自主學習能力，能夠從外部搜集信息，進行決策和實施，完成預定任務。

按驅動方式分類：

(1)氣壓傳動機器人：驅動動力來源為壓縮空氣，該類機器人的特點是動作迅速，結構簡單，成本低。

(2)液壓傳動機器人：驅動動力來源為液壓元件，該類機器人的特點是負載能力高，響應時間短，結構比較緊密。

(3)電氣傳動機器人：驅動動力來源為交流或直流伺服電動機，該類機器人精度高，響應快，結構簡單，成本較高。

2.2 工業機器人關鍵技術

工業機器人涉及領域繁多，所要求的技術能力高，而其關鍵技術有以下幾種：

(1)驅動技術

包括液壓、氣動、電動三大系統，而目前AC伺服電動機驅動已成為應用于工業機器人的主流技術。新一代伺服電動機與微處理器、伺服電動機控制器相結合的技術也已開始應用于工業機器人中。

(2)控制技術

多數采用的是32位CPU，其控制軸達到27軸，大量采用NC技術、離線編程技術。

(3)智能化傳感器

智能機器人數量逐漸增多，通過給機器人加裝各類傳感器，實現對外部溫度、濕度、聲音和圖像等信息的采集，從而為機器人的反饋行為提供參考。

(4)集成化、系統化

當前的工業生產中，對于多臺機器人配合完成工作的需求越來越迫切，因此多臺機器人通過集成和整合組成一個有機的整體，從而更好地完成復雜的生產任務。數十乃至上百臺機器人相互連接，與微機以及智能系統和操作人形成一個整體。

3.發展現狀

3.1 國際上

1962年，第一臺示教工業機器人在美國投入使用。此后，美國工業機器人技術方面也是位居世界前列。其所制造的工業機器人性能優異，功能全面，與之相匹配的智能技術也發展迅速，并被大量應用于汽車制造、機械加工、橡膠及塑料工業、電子電氣行業等眾多領域。同時，美國的特種機器人也十分先進，目前大量應用于航天、軍事領域。

1967年，日本引入第一臺工業機器人，由于人口不足而造成的勞動力短缺，以及微電子技術發展的多重原因，使得工業機器人在日本得到了快速發展。如今，全世界大約有三分之一的工業機器人在日本。日本具有眾多有影響力的工業機器人品牌，例如FANUC、安川、那智不二越等。當前，在全球工業機器人市場中日本所占份額超過50%。

2014年6月，歐盟啟動了《歐盟機器人研究計劃》，目標是設計生產適應于多領域和場景的各類機器人。在歐洲，工業機器人方面尤為突出的是德國。德國擁有眾多工業機器人企業，如庫卡、萊斯機器人和克魯斯。如今德國工業機器人總數位居世界第二，僅次于日本[4]。

3.2 國內

20世紀70年代我國開始了對工業機器人的研發。目前，我國工業機器人絕大多數都是面向國內市場需求，而這些機器人的投入滿足了國內發展迅速的制造業，而其最主要的應用在汽車行業中的弧焊、點焊、檢測、搬運、裝配等高難度復雜工作，同時在其他領域和市場有著巨大的前景。

目前我國的工業機器人技術較國際上一些發達國家相比還有所不足，但通過近幾年的快速發展，我國對于一些關鍵技術已基本掌握，在國際上也有較強的競爭力。目前，我國的工業機器人數量已達到四萬以上，而我國企業具備了機器人設計以及制造能力，同時所生產機器人的整體性能位居世界前列，且具有成本優勢。

中國機器人產業在近些年快速發展，尤其是機器人產業迅速發展的常州，現已成為全國機器人制造的先進城市。據規劃，常州將建設全國重要的智能制造裝備基地。目前，常州已集納了國內外眾多機器人企業如泉工、快克、安川、銘賽、金石等[5]。

4.發展趨勢

由機器人所帶來的便利以及市場的需求，在未來工業機器人必將進一步發展。而現今機器人的發展主要有以下幾個方面[6，7]：

4.1 智能化

在面對情況復雜、自主能力高的任務，智能化高低是決定機器人能否完成任務的重要因素之一。目前，機器人的智能化程度可以分為兩類，一是通過模糊控制、神經網絡控制等多種方式，提高機器人自主性，從而減少程序的依賴性，這是較低層次的智能。另一種更高級的智能，是讓機器人具有與人類似的邏輯推理能力，面對問題時，機器人能夠自行尋找解決方案并加以施行。

4.2 多機協調化

在許多大型生產線中，同一個生產過程往往需要多個機器人的協同工作完成。而如今，生產規模的不斷擴大，多機協調共同工作的要求十分迫切。隨著相關技術的發展，在現代加工制造系統中，每一個機器人不再是一個單獨的個體，而是通過智能設備相連的一個大整體，進行相互配合的協同工作。

4.3 標準化

如今，世界有著大大小小眾多的工業機器人生產廠家，而不同的廠家生產和制造遵循不同的標準，這造成不同廠家的機器人更換零部件的不便。但推行同一的標準，使工業機器人的生產標準化這一有利于推進制造業發展的措施，并非為技術層面問題，而是因牽扯到各企業間的利益、關系等問題而難以實現。

4.4 微型化

隨著大型工業機器人的逐漸普及，微型機器人也開始成為機器人未來的發展方向之一。目前，已經開發出了手指大小的微型機器人，而未來將會生產出毫米、微米，甚至納米級的機器人，而其將被應用于軍事、醫療、精密加工、微型集成電路制造等眾多領域中。

5.總結展望

自第一個工業機器人的出現，經過幾十年的飛速發展，許多工業生產的環節已由工業機器人代替完成。作為高級制造設備的重要組成部分，工業機器人無疑成為未來制造業的重要特征。無論是社會生產，還是醫療、軍事，都具有極大的意義。在工業4.0的需求推動下，工業機器人也將取得更大的發展。

[1]袁小鳴.“無人工廠”:智能制造一道亮麗風景線[N].人民郵電,2017-10-23(005).

[2]路甬祥.中國智造與中國創造[J].全球化,2016,(09):5-13+133.

[3]熊楚良.工業機器人若干關鍵技術研究[D].西南交通大學,2016.

[4]呂鐵,韓娜.智能制造:全球趨勢與中國戰略[J].人民論壇·學術前沿,2015,(11):6-17.

[5]田濤,鄧雙城,楊朝嵐,張澤,鄭海洋,王福利,周唐愷.工業機器人的研究現狀與發展趨勢[J].新技術新工藝,2015,(03):92-94.

[6]王田苗,陶永.我國工業機器人技術現狀與產業化發展戰略[J].機械工程學報,2014,50(09):1-13.

[7]劉永安,余天榮.工業機器人的應用研究[J].機電工程技術,2014,43(02):52-53+104.