工業機器人發展綜述

馮旭 宋明星 倪笑宇 馬立勇 王少雷

摘? 要：工業機器人起源于美國能源實驗室研制的遙操作機械手，之后第一代示教再現型工業機器人，第二代具有基本感知功能工業機器人，第三代智能機器人，相繼誕生。隨著工業生產向著自動化、集成化、柔性化的方向發展，工業機器人已然成為高端制造裝備的重要組成部分，其智能化水平也在不斷提高。我國在制造業轉型升級、人口老齡化的雙重壓力下，積極發展工業機器人，并已進入產業化初期階段。當下，科學理論和工程技術的發展，作業性能不斷提升及向新領域推廣應用的需求，引領著機器人在新時代里發展的新方向、新趨勢。

關鍵詞：工業機器人;發展歷程;發展現狀;發展趨勢

中圖分類號：TP242? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）24-0052-03

Abstract： The industrial robot originated from the teleoperation manipulator developed by the American Energy Laboratory. After that， the first generation of teaching and reappearance industrial robot， the second generation of industrial robot with basic perceptual function and the third generation of intelligent robot were born one after another. With the development of industrial production in the direction of automation， integration and flexibility， industrial robot has become an important part of high-end manufacturing equipment， and its intelligent level is also improving. Under the dual pressure of the transformation and upgrading of the manufacturing industry and the aging population， China has actively developed industrial robots and has entered the initial stage of industrialization. At present， the development of scientific theory and engineering technology， the continuous improvement of operational performance and the demand for popularization and application to new fields lead the new direction and new trend of robot development in the new era.

Keywords： industrial robot; development process; development status; development trend

1 機器人的起源和發展歷程

機器人的研究始于20世紀中期。最早在第二次世界大戰之后，美國阿貢國家能源實驗室為了解決核污染機械操作問題，首先研制出遙操作機械手用于處理放射性物質[1]。緊接著于第二年，又開發出一種電氣驅動的主從式機械手臂[2]。五十年代中期，美國的一位多產的發明家喬治·德沃爾開發出世界上第一臺裝有可編程控制器的極坐標式機械手臂，并發表了該機器人的專利[3]。1959年，德沃爾與美國發明家約瑟夫·英格伯格聯手制造出第一臺工業機器人樣機Unimate（意為“萬能自動”）并定型生產，由此成立了世界上第一家工業機器人制造工廠Unimation公司[4]。之后于1962年，美國通用汽車（GM）公司安裝了Unimation公司的第一臺Unimate工業機器人，標志著第一代示教再現型機器人的誕生。此后60年代后期到70年代，工業機器人商品化程度逐步提高，并漸漸走向產業化，繼而在以汽車制造業為代表的規模化生產中的各個工藝環節推廣使用，如搬運、噴漆、弧焊等機器人的開發應用，使得二戰之后一直困擾著世界多個地區的勞動力嚴重短缺問題得到極大緩解。而且對于那些單調重復以及體力消耗較大的生產作業，使用工業機器人在代替人類不僅可以提高生產效率，還可以完全避免因為工人的疲勞而導致的質量問題。1978年Unimation公司推出一種全電動驅動、關節式結構的通用工業機器人PUMA系列，次年適用于裝配作業中的平面關節型SCARA機器人出現在人們的視野中，自此第一代工業機器人形成了完整且成熟的技術體系[5]。

值得一提的是，60年代末日本從美國引進工業機器人技術，此后，研究和制造機器人的熱潮席卷日本全國[6]。雖然日本研制機器人的起步時間比美國晚，但由于日本國內青壯年勞力極其匱乏，日本政府為了解決這一尖銳的社會問題，對機器人在日本的發展采取積極的扶植政策，例如對工業機器人一類的新制造設備實行財政補貼政策，聘請專家為推廣使用機器人的企業提供專業技術指導，通過各種渠道為社會提供低息資金或者鼓勵民間集資成立機器人租賃公司[6]。到上世紀80年代中期，日本擁有完整的工業機器人產業鏈系統，且規模龐大，一躍成為“機器人王國”，成為了世界上應用和生產機器人最多的國家。

隨著生產技術從大批量生產自動化向小批量多品種生產自動化的轉變，提高生產柔性的需求進一步推動著工業機器人技術的發展。美國麻省理工學院率先開始研究感知機器人技術，并于1965年開發出可以感知識別方塊、自動堆積方塊不需人干預的早期第二代機器人[1]。80年代初，美國通用公司為汽車裝配生產線上的工業機器人裝備了視覺系統，于是具有基本感知功能的第二代工業機器人誕生了。與第一代機器人相比，第二代機器人不僅在作業效率、保證產品的一致性和互換性等方面性能更加突出優異，而且具有更強的外界環境感知能力和環境適應性，能完成更復雜的工作任務，因此不再局限于傳統重復簡單動作的有限工種作業[1，7，8]。到了世紀末的90年代，計算機技術和人工智能技術的初步發展，讓機器人模仿人進行邏輯推理的第三代智能機器人研究也逐步開展起來。它應用人工智能、模糊控制、神經網絡等先進控制方法，在智能計算機控制下，通過多傳感器感知機器人本體狀態和作業環境狀態，在知識庫支持下進行推理作出決斷，并對機器人作多變量實時智能控制。

2 國內外機器人的發展現狀

2.1 國外機器人發展現狀

在國外，經過半個多世紀的發展，工業機器人在提高產品加工精度和產品質量、生產自動化水平和生產效率，改善工作環境，在關鍵工藝生產環節、高危、有毒等惡劣條件替代工人完成作業任務，擴大就業機會，提高技術創新能力等方面的作用日益突出。工業機器人在全球的廣泛應用催生了一批具有國際影響力、世界聞名的工業機器人公司[1]，包括瑞士的Staubli（史陶比爾），德國的KUKA Roboter，瑞典的ABB Robotics，意大利的COMAU（柯馬），英國的AutoTech Robotics，美國的Adept Technology（愛德普）、American Robot、Emerson Industrial Automation（艾默生）、S-T Robotics，加拿大的Jcd International Robotics，以色列的Robogroup Tek公司，日本的FANUC、Yaskawa（安川）、Epson（愛普生）、Kawasaki（川崎），這些公司已經成為其所在地區的支柱性產業。ABB的機器人以運動控制技術獨具特色，Staubli公司則是在驅動和傳動部件的優化整合方面走在了前沿;日本的工業機器人生產規模和應用領域在全球范圍內是最大最廣的;美國雖然最先開發出工業機器人，但是卻沒有致力于工業機器人的產業化發展，而是在軍事、太空和深海探測等智能機器人方面獨樹一幟。

2.2 國內機器人發展現狀

我國的機器人研究和開發起步較晚且投入少。70年代中期，在國外的工業機器人已經廣泛應用并形成產業化體系的時候，同時期的國內還沒有一臺示教再現型關節機器人，大多數的高校和科研院所還仍舊停留在程控機械手的重復研究上。直到80年代中后期863計劃開始實施，國內的各大高校和科研院所才有計劃地開展機器人技術的理論研究和科學實驗。但是從80年代到新世紀初，我國一直處于人口紅利時期，青壯勞動力充足，勞動力價格低廉，而且我國當時沒有加入世貿組織，進口的機器人價格偏高，國內生產的機器人技術不夠成熟，再加之國內當時的生產技術水平相對落后，對工業機器人的需求很低，所以工業機器人的應用受到了很大的限制。進入21世紀后，隨著我國生產力水平的提高、勞動力成本的逐年增加、人口老齡化趨勢的顯現，工業機器人開始在國內制造業的各個領域推廣應用。特別是近五年，國內制造業面臨著由粗放型發展模式向精細式發展模式轉型升級的重重壓力，使得我國工業機器人的需求量呈現爆發式的增長，一躍成為世界最大的機器人市場[9]。近年來，德國庫卡機器人、日本川崎機器人等世界500強的機器人制造公司，都已將市場重點轉到中國，ABB公司甚至把全球總部搬到中國。而國內企業，在政府的扶持和市場的驅動下，經過技術引進和自我研發，在工業機器人的設計、研發、制造等方面也都有了長足的進步，并已經進入了產業化初期階段，涌現了一批優秀的機器人制造公司。

但是，總的來看，與工業發達國家相比，國內當下的工業機器人技術在理論研究和工程應用水平等方面都存在著相當大的差距[10]。其一，整體核心技術有待突破，機器人機構設計、運動優化、控制策略及工程開發水平低，諸多技術停留在仿制層面，創新能力不足;其二，高性能的伺服電機及驅動系統、高精密高速高效減速器、控制器等關鍵部件依賴進口，而核心部件的成本在工業機器人整機成本中占大頭，造成了國產機器人成本高、利潤薄的困境。其三，國產機器人生產批量小，可靠性差故障率高，用戶使用感覺差。因此，雖然我國當前是世界上最大的機器人市場，但是中高端工業機器人幾乎被國際巨頭如ABB、KUKA等公司壟斷，因此國內機器人的發展前景依然任重而道遠。

3 機器人的發展趨勢

進入21世紀以來，隨著計算機技術、光機電一體化技術、網絡技術、自動控制理論及人工智能等的迅猛發展，機器人從傳統的工業制造領域迅速向醫療服務[11]、家庭服務、教育娛樂、勘探勘測、生物工程、救災救援、深空深海探測、智能交通等領域擴展[12]。傳統工業領域工業機器人作業性能提升的需求，以及其他領域推廣應用機器人的需求，引領著機器人在新時代里發展的新方向、新趨勢[13]。

在傳統的工業領域，隨著生產完全自動化、無人化的推進，對于復雜作業，機器人的智能化、群體協調作業成為關鍵問題;而在物流、碼垛、食品和藥品等領域，要讓機器人代替人工從事繁重枯燥的包裝、碼垛、搬運作業，就需要對機器人的定位、運動規劃、自主控制、服務作業等技術和方法進行重點研究;此外，由于工業機器人是一個非線性、多變量的控制對象，對于高速度、高精度、重載荷的作業，工業機器人的運動學、動力學、力控制還有待深入研究。

在醫療服務、救災救援、深空深海探測等領域，機器人需要在動態、未知、非結構化的復雜環境中完成不同類型的作業任務，這就對機器人的環境適應性、環境感知、自主控制、人機交互提出了更高的要求。

參考文獻：

[1]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（9）：1-13.

[2]Hitachi L.Master slave manipulator system：German，EP20080001129[P].2008-09-24.

[3]蔡自興，郭璠.中國工業機器人發展的若干問題[J].機器人技術與應用，2013，3（5）：8-12.

[4]程永倫.錢江一號焊接機器人運動學研究及仿真分析[D].杭州：浙江大學，2008.

[5]陳懇，楊向東，劉莉，等.機器人技術與應用[M].北京：清華大學出版社，2006.

[6]劉松國.六自由度串聯機器人運動優化與軌跡跟蹤控制研究[D].杭州：浙江大學，2009.

[7]徐揚生，閻鏡予.機器人技術的新進展[J].集成技術，2012（1）：8-12.

[8]劉斐，王偉，王雷，等.接觸輪變形對機器人砂帶磨削深度的影響[J].機械工程學報，2017，53（5）：86-91.

[9]高峰，郭為忠.中國機器人的發展戰略思考[J].機械工程學報，2016，52（7）：1-5.

[10]孟明輝，周傳德，陳禮彬，等.工業機器人的研發及應用綜述[J].上海交通大學學報，2016，50（增刊）：98-101.

[11]左國玉，于雙悅，龔道雄.遙操作護理機器人系統的操作者姿態解算方法研究[J].自動化學報，2016，42（12）：1839-1848.

[12]Stephan K D，Michael K，Michael M G，et al.Social implications of technology：the past，the present，and the future[J].Proceedings of the IEEE，2012，100（Special Centennial Issue）：1752-1781.

[13]譚民，王碩.機器人技術研究進展[J].自動化學報，2013，39（7）：963-972.