淺談工業機器人的發展及應用

楊濤 米君昊

摘 要：在2015年國家提出“中國制造2025”這個戰略計劃，在步入“中國制造2025”中，工業機器人是關鍵的一部分，實現工業智能化，工業機器人是必不可少的，本文主要針對工業機器人的發展歷史、趨勢以及應用做探討，為進一步設計出相關工業或者其他方面可減輕勞動力、提升工作效率的機器人做理論參考。

關鍵詞：工業機器人 發展歷史 發展現狀 應用范圍

1 引言

“機器人”一詞主要產生于捷克劇作家卡雷爾·凱培克，而阿西莫夫在1940年提出了“機器人三守則”，進一步拉近了機器人與人之間的距離。在20世紀50年代，提出了人工智能的概念，而作為人工智能最重要的技術應用之一，就是工業機器人。根據國際機器人聯盟 （ International Federation of Robotics，以下簡稱IFR） 定義，工業機器人是“在工業自動化中使用的、可重復編程的、多用途自動控制操作機”，并可依靠人工智能技術進行編程從而實現各種制造功能的機器設備，也是工業4.0的重要代表[1]。2015年國家提出“中國制造2025”，工業機器人的需求量也逐漸擴大，利用智能化代替人力，從而提高效率。隨著技術的發展，我國的工業機器人的需求占到全球總量的三分之一，工業機器人的發展和應用也成為關鍵[2]。

2 工業機器人的發展歷史

2.1 國外工業機器人的發展歷史

在20世紀50年代，約瑟夫·恩格爾貝格利用伺服系統的靈感于喬治·德沃爾發明了第一臺工業機器人并在通用汽車的生產車間使用。20世紀60年代開始，工業機器人進一步發展，機器人傳感器的應用提高了機器人的可操作性，包括恩斯特采用的觸覺傳感器等。緊接著，美國、英國等知名大學陸續成立了機器人實驗室[3]。70年代以后，機器人和以機器人為核心的自動化設備在工業發達國家應用非常活躍[4]。當前工業機器人最大的生產商為日本，它占據著整個世界40%左右的生產力，由于日本政府大力支持以及一定的專業基礎，日本已經成為世界上最先進的工業機器人生產國家。

2.2 國內工業機器人的發展歷史

20世紀70年代，我國的工業機器人技術才開始起步，1986年，國家高技術研究發展計劃（863計劃）開始實施，經過幾年的努力，成功研制了特種機器人。中國科學院沈陽自動化研究所研制了6000m水下機器人并在1995年9月完成了6000m深海實驗，這使我國跨入世界機器人先進行列。我國工業機器人的潛在市場比較大，所以有著充足的研發動力。

3 工業機器人發展現狀

3.1 國外工業機器人發展現狀

工業機器人在全球范圍的應用規模增長迅猛，根據IFR（國際機器人聯合會）發布的最新報告，全球工業機器人銷量在2019年時已達近40萬臺，同比增長2%左右。日本、德國的工業機器人水平全球領先，四大家族的機器人依舊為全球主要的工業機器人供應商，德國工業機器人在原材料、本體零部件和系統集成方面有一定優勢。

3.2 國內工業機器人發展現狀

從2013年以來，我國工業機器人市場開始迅速增長，成為全球最大的市場，根據IFR統計，2018年，我國工業機器人市場累計銷售工業機器人15.6萬臺，占全球的比重達到36%，年銷量連續第六年位居世界首位[5]。在國家、地方政策的引導下，到2020年，我國機器人的市場規模預計突破100億美元，其中工業機器人的比重占到60%左右[6]。

4 工業機器人的發展趨勢

4.1 技術發展趨勢

4.1.1 人機協作

傳統的機器人必須遠離人類，在保護圍欄或者其他屏障之后，以免人類受到傷害，這限制了工業機器人的應用效果，人機協作將人的認知能力與機器人的效率結合在一起，從而使人可以安全、簡便的進行使用，這樣也使編程更簡單，同時降低了對操作人員的要求。

4.1.2 自主化

現在的機器人主要是依靠預編程、示教再現控制等操作模式進行控制，后期機器人的發展逐漸向自主學習、自主作業等方向發展，工業機器人可以根據實際的工作環境、工作內容，自動設定和優化軌跡路徑，進行檢測，避開障礙等功能。

4.2 產業發展趨勢

隨著各工業大國提出機器人產業政策，比如說德國的工業4.0、日本機器人新戰略，美國先進制造伙伴計劃、中國十三五規劃與《中國制造2025》等國家級政策，促使工業機器人市場持續發展，IFR預計到2024年全球工業機器人產量銷售額達到355.0億美元。

5 工業機器人的應用

隨著機器人應用范圍的擴大，工業機器人的應用范圍也逐漸擴大，市場需求主要在汽車、電子設備以及金屬制造等領域。

5.1 汽車行業的應用

汽車車身的制造分為四大工藝，沖壓、焊裝、涂裝、總裝，工業機器人在這些工藝中，主要承擔上下料、焊接、噴漆涂裝、碼垛搬運等工作。在沖壓環節，工業主要用于沖壓零件的上下料搬運工作，為打造輕量化車身，大負載機器人就可承擔很多工作，可以完成很多大重量的零件。為完成一個漂亮的車身，機器人與整個產線的夾具協作配合，將每塊鐵皮鏈接，完成車身的制造。最后利用工業機器人完成整車噴涂、涂膠、玻璃安裝等工作，在減少人力的同時，還保證了安裝效果，減少了工作時間，提高了工作效率。

5.2 電子行業的應用

人們對電子產品的要求越來越高，而電子產品的價格卻逐漸降低，現在一部低端的智能手機的價格在1000元左右，然而，如果使用工人來完成手機的組裝，不僅耗費高人力，組裝的效果還不能滿足生產要求。工業機器人的引入，解決了這些問題，在手機生產領域，更是解決將流程做到了自動化。

5.3 制造業的應用

工業機器人在數控機床領域應用較多，比如參與加工制造，在生產過程中，用機器人代替人工，完成上下料、零部件搬運等工作，可完成批量生產，提高工作效率。工業機器人還可輔助數控折彎機工作，在定位臺和翻轉架領域實現自動化生產，機器人在折彎施教的耗費時間較少，在防盜門、電梯等加工生產中，應用廣泛。

工業機器人還可在數控機床沖壓集成功能中發揮巨大作用，它的使用，能夠增強數控生產線的柔性，確保生產效率的同時，還能確保機器人實現自我保護。在熱模鍛領域，工業機器人可以代替數控機床完成操作，節省了時間[7]。

5.4 食品行業的應用

機器人的運用范圍越來越廣泛，很多傳統工業領域人們也逐漸用及其來代替人類工作，比如食品工業。目前，人們已經開發制造出包裝罐頭機器人、自動午餐機器人、切割牛肉機器人等。

例如切割牛肉機器人，雖然牛的身體結構差不多，但還是有很多不同的地方，為最大限度的保證牛肉的使用率，機器人要選擇每頭牛的最佳切割方法，機器人系統會模擬技術純熟的屠宰工人的動作，完成牛肉的切割。

5.5 其他行業的應用

工業機器人不僅僅用在上述幾個行業，隨著逐漸的機器化，越來越多的行業對機器人的需求量增加。

比如化工行業，在產品生產中要保證一個潔凈的化境，潔凈度的高低還直接影響產品的質量，工業機器人可以嚴格按照產品生產要求完成生產。

比如玻璃行業，現在的絕大多數玻璃制造廠，主要依靠人力制造、搬運，而隨著科技的發展，對于玻璃的潔凈度要求越來越高，有些潔凈度要求非常高的玻璃，人工是無法完成的，這個時候工業機器人可以代替人力完成，而且在搬運過程中，工業機器人可以更好的代替人力，完成搬運，還保證了潔凈度。

比如家用電器行業，家用電器的大型設備領域對經濟性和生產率的要求也越來越高，降低工藝成本，提高生產效率成為重中之重，使用機器人可以更經濟有效的完成生產、加工、搬運、測量和檢驗工作，由此可以確保生產流水線的物料流通順暢，同時始終保持恒定高產量。工業機器人可以運用到家用電器生產工藝流程的所有方面。

6 結語

機器人從示教再現等原有操作模式逐漸向自主學習、自主作業的方向發展。未來，工業機器人將更小，更輕，更靈活，為了確保國家經濟發展的速率和質量，就必須不斷創新發展生產技術，打破傳統人工生產，通過發展工業機器人技術，提高我國制造業乃至整個工業的裝備技術水平，以增強我國的國家安全與綜合國力。

參考文獻：

[1]閆雪凌，朱博楷，馬超.工業機器人使用與制造業就業：來自中國的證據[J].統計研究，2020，37（01）：74-87.

[2]李肇惠，郝昭.工業機器人的技術發展及其應用分析[J].內燃機與配件，2020（01）：249-250.

[3]楊正澤 .中國制造2025 高檔數控機床和機器人[M].濟南：山東科學技術出版社，2018.05：91-92.

[4]張福學 . 機器人技術及其應用[M]. 北京：電子工業出版社，2000.01：1-6.

[5].工業機器人發展現狀及分析[J].電器工業，2020（04）：22-30.

[6]周浩，熊君尹，邵寧.我國工業機器人產業發展現狀及思考[J].科技風，2020（11）：1-2.

[7]陶婕.工業機器人在數控機床中的運用實踐研究[J].科技風，2020（07）：165.