淺談工業機器人技術的發展與現狀

曾棋俊 安鵬芳 陶泉兆

摘 要：工業機器人是集各種技術于一身的先進產物，相比以往，在工業、醫療、生活、教育等諸多方面，工業機器人帶來的改變無疑是顛覆性的。在第一臺工業機器人誕生時，就足以看出這是具有劃時代性的。全球主要機器人品牌競爭激烈，工業機器人的功能、性能不斷更新，市場規模的年均增長率持續提升。本文以國內外的工業機器人的發展，以及工業機器人的技術革新與各項技術融合作為研究對象，將國內外機器人應用技術進行了對比，研究了我國機器人使用總占比率、國內行業分布近況，并對下一代機器人的發展做了推測。

關鍵詞：工業機器人技術融合技術運用未來發展前景分析

我國是制造大國，同時也是人口大國，在工業方面，不僅種類眾多，崗位也是數不勝數，自我國擁有工業機器人后，制造面貌逐年發生變化，尤其在近年，工業機器人在我國得到飛速發展，代替人工的優勢被逐漸擴大，同時也帶來了一大批新興崗位，而許多院校設有工業機器人專業，這為我國培養了一大批新型技術人才，更為我國實現制造強國的目標奠定了一定基礎。高新技術的大步邁進，全球逐步踏入智能化、數字化、信息化時代，近年來各項前沿技術在工業機器人領域正逐漸呈現出蓬勃的景象。工業機器人應用面較廣，不僅可減少人口勞動力，還能有效地控制成本，尤其在工業方面已然具有不可或缺的作用。同時，智能時代的到來標志著工業機器人的功能將更加人性化，其應用將給人們的生活和工作帶來更大的價值。

我國工業機器人在2015—2019年期間，總體取得了很好的銷售情況，市場銷售額度超過363億人民幣，發展上升態勢逐年增高，其帶來的技術改革深遠影響具有核心優勢。本文以我國工業機器人技術的成長態勢、發展空間與機會為主要研究出發點，對未來的市場趨勢和機遇提出了新看法。同時，基于我國工業機器人的運用領域及狀態，結合國外工業機器人制造商的主要品牌進行了對比分析，并對我國工業機器人未來發展機會、運用空間進行了大致趨勢的判斷。

1國內外發展現狀

工業機器人主要為模仿人的工作行為，代替人的工作而設計制造，因其具有智能化及先進性等特點，也象征了一個國家所具有的科技發展水平與科技力量國際地位[1-2]。

在智能化、數據化、自動化的背景下，全球各國家積極推動本國工業機器人技術的發展。目前，由于工業機器人的全球市場逐年穩定增長，工業機器人的成品數量再創新高。工業機器人在全球各區域取得了大量應用，代表了一個國家的自動化平，同時也是一個國家是否具有長期投入研發能力的體現。工業機器人近年來高速發展，其展現出的各項優勢引起了全球各制造大國及制造廠商的廣泛關注。

工業機器人不僅具有更高的連續工作效率與更長的工作時間，可減少人力成本而增加產品效益與質量，更重要的是適應時代的發展，幫助人類邁步進入“工業4.0”，打造智能時代?，F階段，大量制造企業迫切想要進行轉型，跟上時代步伐，因此在原有的基礎上做出改變。而絕大部分企業首選應用工業機器人替換掉人工[3]。

越來越集中的工業機器人市場逐漸由世界各個強國占領，美國、韓國、中國、日本、德國和其他國家占全球銷量的73%。中國是工業機器人領域的后來者，也正因如此，我國擁有龐大的銷售市場，在《中國智造2025》的背景下，我國在工業機器人領域的發展前景無疑是潛力巨大。

國外知名工業機器人制造商有日本FANUC、那知Syusuke Fuji、川崎重工、愛普生安川電機、瑞士ABB、德國KUKA、瑞士Stabile、意大利Coma等。目前，國內在工業機器人領域較具備實力的工業機器人公司有江蘇哈工智能機器人、埃斯頓自動化、廣州昊志機電、上海新時達電氣、廣州數控設備、沈陽新松機器人自動化、埃夫特智能裝備、深圳匯川技術、上海節卡機器人、江蘇北人機器人系統、廣東拓斯達等。其中，匯川技術的經營業務在六自由度機器人等核心部件;哈工智能對應智能制造業;江蘇北人在焊接機器人的系統集成領域有一定建樹;拓斯達主要面向于工業機器人及自動化應用系統;新時達面向機器人及運動控制類型產品。目前，我國各大工業機器人公司的發展態勢呈上升趨勢，由此可見，我國的工業機器人制造已形成良好的制造體系，為工業機器人領域技術的提升奠定了基礎、創造了機會。

我國工業機器人在各領域的應用市場已居世界第一位，其產量也在逐年增加。然而，在主要部件方面仍與其他強國存在一定差距，特別是在控制器、減速器、伺服電機3個方面。而在工業機器人產業規模方面，產業基礎相對薄弱，尚未形成能夠支撐長期面對波動市場的發展體系。發展工業機器人核心高端技術，需要很長的時間去探索、試錯。國外主要大型工業機器人廠商擁有許多核心技術，其大量地應用于高精制造與裝配、汽車的大批量焊接與部件搬運、冶金、芯片制造等。我國工業機器人在上述領域也均有應用，但不少還處于碼垛、搬運等較為中低端的領域。此外，其長時間使用質量、壽命、精度不高，缺乏高精技術人員，受到國外關鍵零部件的壟斷，也是阻礙我國工業機器人發展的部分原因。

截至2020年，我國長期占據工業機器人市場的大部分，在2019年，全球工業機器人銷售額中我國就占據了其中的43.81%。而緊跟其后的日本，銷量為4.99萬臺，占全球銷量的15.56%;美國銷量為3.33萬臺，占全球銷量的10.38%;韓國銷量為2.79萬臺，占全球銷量的8.70%;德國銷量為2.05萬臺，占全球銷量的6.39%;意大利銷量為1.11萬臺，占全球銷量的3.46 %。目前，我國工業機器人增速為全球最快，剩余各國工業機器人銷量都較為低迷。面對新冠疫情，我國因實施了有效手段，疫情得以快速控制，經濟也得以快速恢復，而其他各國受疫情影響，不得不長時間關閉制造企業，這對正飛速發展中的工業機器人或多或少都會產生負面影響。

我國目前相對具有實力的工業機器人企業大多分布于中長三角與西部地區，以及環渤海、珠三角地區[4]。其各有各的優缺點，例如：中西部地區能提供的科技、資源不足;其中珠三角地區的應用市場相對較大，且在控制系統方面具有一定優勢;環渤海地區以AGV技術、焊接機器人為主要方向，在科研方面具有優勢;長三角與珠三角同樣具有較大的工業機器人應用市場，尤其是與國外的企業合作較多，經驗、技術更為扎實，同時有可能成為我國最大的工業機器人研發、應用基地。

近年來，隨著我國工業機器人技術的蓬勃發展，應用的行業更加廣泛，越來越多的企業對工業機器人的需求在逐漸增加，這也積極推動了工業機器人技術向更好的方向發展。現代工業機器人的發展很有可能在未來工業領域中做出重要貢獻，特別是在《中國制造2025》規劃中，將機器人作為十大重點發展方向之一。

我國許多大型汽車制造企業逐漸引用工業機器人代替人工，在汽車領域的工業機器人使用率達到了38%。其余占比較大的3C、金屬加工、家用電器行業分別為23%、13%、10%。后續衍生出的芯片封裝機器人、激光打標機器人在元器件、芯片、電子零件生產組裝與包裝產業中的應用也相當普遍。由于工業機器人的工作環境廣泛，以及工業機器人具有的高效率、高精度、高穩定的工作特點，其還應用到了鋼鐵鑄造、食品加工包裝、玻璃制造行業，例有專門用于焊接的機器人、對整體外形進行切割分離的機器人、產品封裝的機器人等。這些占比大的行業也是我國主要的機器人應用市場，同時，也迫切需要更高標準的工業機器人給企業帶來更高的經濟效益，帶動我國工業機器人在這些領域的發展。

20世紀70年代，工業機器人技術得以快速發展，此階段工業機器人逐漸擁有更多功能，開始能夠進行離線編程等操作。而工業機器人的應用在此時期也逐漸踏入商業化，出現了以ABB、安川、庫卡、發那科為代表的工業機器人品牌。

從20世紀80年代開始，逐漸走向智能化，開始步入各領域。在商業化規模擴大的同時，工業上的應用密度更是顯著提高。全球走向智能化，許多國家對工業機器人的需求日益增長，這也進一步擴大了工業機器人的市場，給各個國家帶來了一定的經濟效益。

我國在工業機器人技術領域相對國外起步較晚，缺乏關鍵技術，在后續發展中多次受到制約。我國在20世紀70年代陸續開始相關的技術研究，受國家當時的經濟、技術、人才等條件約束，主要的研究實施方向在工業機器人的理論方面。20世紀90年代，由于國外工業機器人的蓬勃發展，我國越來越重視工業機器人的發展。在此期間，大量資金投入到工業機器人的研究中，工業機器人在我國逐漸穩定下來。與此同時，研發出的新類型工業機器人，為我國的技術實踐提供了很大幫助。同時，使得我國擁有一批專業化的機器人產業化基地，這宣告著我國工業機器人的產業發展得到了進一步提高[5]。21世紀，國內出現了一大批國產企業，在自主研發與國家科研院合作的同時，收購了國外知名企業達98%的股份，為我國進一步提升相關技術能力、加快我國工業機器人的發展、提高我國工業機器人市場經濟做出了碩大貢獻。

2工業機器人基本構成

工業機器人主體可分為機械部分、傳感部分和控制部分。其機械部分主要由手部、手腕、手臂、機身四部分構成[6]。工業機器人的關鍵技術就在于：交互系統、網絡通信、示教編程、控制系統、傳感檢測。其核心技術目前都主要由世界主要發達國家掌握，其蘊含的先進技術成為一個國家的智能智造水平高度體現，因此工業機器人的相關核心技術在自動化、智能化、數字化制造領域極具代表性、前沿性、先進性。

交互系統主要分為人機交互與環境交互。人機交互決定了人類是否能通過交互來獲得工業機器人系統信息來進行下一步操作。通過交互系統，可以實現人類與工業機器人更加高效率的協同工作。環境交互不僅可以應用在單臺工業機器人上，還能在多臺設備、多臺工業機器人、多個存儲裝置中集成為一個具有執行復雜的工作任務的生產單元。環境交互的意義在于，通過實現工業機器人與周圍工作環境的協作、協調系統，避免工業機器人與周圍設備發生沖突。工業機器人無論運行、維修、調試還是編程，都需要進行網絡通信，其中最常見的莫過于ProfiNet（工業以太網），有利于構建基礎的控制網絡。

離線編程和示教編程是工業機器人常用的編程方式[7]。示教器編程時，工業機器人處于停機狀態，在工業機器人的實際系統上進行編程操作、試驗程序，示教編程方式總的可以分為集中示教方式和分離示教方式。離線編程通過允許的仿真軟件完成，可以實現復雜環境、復雜動作軌跡的編程，并且編程時不影響工業機器人的運行。

工業機器人控制器主要為控制系統提供一個穩定的物理平臺，其重要性著重體現在對控制系統的性能和可擴展性，是工業機器人系統中重要性極高的部分。其控制器對于工業機器人主要實現的功能為坐標設定與伺服驅動。工業機器人控制器的功能包括多任務功能、網絡功能、操作歷史記錄功能、海量存儲、用戶接口豐富。機器人控制系統按其控制方式可分為集中控制系統、主從控制系統、分散控制系統，其主要負責系統的運行狀態，負責控制示教位置、運動軌跡、邏輯動作順序、工作速度，以及工業機器人運行中的許多其他關鍵因素。

傳感系統包含內部與外部之分，執行機構包含驅動裝置、傳動裝置、執行構件三部分，控制系統包含控制柜與示教器。

工業機器人的傳感與感知通過合理利用對應傳感器，去感知環境條件與內部部件的信息。內部傳感器一般情況下安裝在機器人本體內或者控制系統內，是工業機器人完成運動控制的傳感器，進行采集信息的功能占主要部分。外部傳感器對工業機器人在工作環境所處位置、與工件之間的接觸距離、機器人與抓握對象間滑移程度、作用在末端執行器上的各向力和力矩、夾持物體時的受力情況進行檢測。其中，大致種類有接近度傳感器、觸覺傳感器、電磁傳感器、仿生傳感器、壓力傳感器、滑覺傳感器、傾角傳感器、力矩傳感器、紅外傳感器、碰撞傳感器、加速度傳感器、角度傳感器等。

機械手主要由機械臂、傳感器、驅動裝置和傳動裝置組成，其中機械臂是工業機器人的主要載體和動作執行機構。工業機器人的驅動機構是重要組成部分，其中以氣壓方式和液壓方式為大部分機器人的驅動類型。工業機器人的動力連接、運動連接則由傳PLC在工業機器人中的應用主要體現在以下6點：運動控制、信息控制、開關量控制、聯網與通信、模擬量控制、信號監控。如果需要PLC去處理模擬量就需要將模擬量離散化、數字化轉換，再進行存儲，最后進行模擬輸出。信息控制包含了數據存儲、數據采集、變換、處理數表、傳輸等功能，對工業機器人的內外部分的數據進行采集處理。

自動化程序的控制基本都由PLC來實現，工業機器人獲得的各種信息由PLC處理后提供給工業機器人，因此在工業機器人系統集成方面也是作為重點突破點之一。

我國工業機器人正朝向更加智能化的關鍵點邁進，突破核心技術，應用于更加廣泛工業領域，相信技術發展空間會進一步擴大[8]。

3未來發展機會與趨勢

一個國家科技水平、制造水平可以從工業機器人的應用率中得出部分結論，因此工業機器人對一個國家而言具有很強的代表性。我國擁有全球最大的制造體系，隨著國內相關政策紅利不斷出臺，國內工業機器人行業產量不斷上升。

2020年，新冠肺炎疫情爆發，在短短幾個月內的時間里遍布全球，這導致全球工業機器人市場規?？s小。然而，由于我國及時采取了有效的措施，新冠疫情很快得到控制，因此，對我國的工業機器人影響不大。在2020年，我國工業機器人行業整體市場銷售額突破了400億人民幣，結合我國工業機器人發展現狀，加上不久前在減速機領域取得的成就，預計，未來的市場銷量將保持增長態勢，在2025年達到接近900億人民幣的整體市場容量。我國的工業機器人市場在汽車制造、3C、機加工、電子電氣方面的應用體現最多，目前仍然在逐步增長。隨著我國智能化水平的提高，工業機器人的技術水平更加成熟，有望在醫藥、化學、服裝等行業中獲得更廣泛的應用。

提高我國工業機器人的關鍵技術，同時也代表著我國在智能制造領域的技術增長。在我國應用市場中，工業機器人多樣化的發展與需求將會有更加廣闊的空間。國家越來越重視人才的創新能力、技術能力，通過各類競賽選拔出了一批又一批的技能人才。許多高校響應國家政策，陸續開設了智能控制、工業機器人等諸多智能化方向專業，開展面向工業機器人技術專業的現場編程、離線編程、離線仿真等多方位一體教學[9]。這為我國未來的智能人才培養創造了良好的條件，為我國工業機器人領域在未來的深入研發能力和持續創新能力提供了持續的動力。

目前，我國工業機器人企業整體規模不大，相比國外已經擁有長期經驗、深厚技術的企業，仍然存在一定差距。國內中小型企業技術水平不高，大量偏于低端產業，相比國外品牌競爭力差距明顯。但是，未來我國長期存在的優勢在于擁有全球最大的應用市場，因此，具有較大的試錯空間。同時，要加大研發力度，突破壁壘，引進國外先進技術，在現有基礎上學習具有良好效果的制造體系，后期演化成符合自身國情的制造體系。

我國工業機器人在自主研發的同時，也在不斷追求智能化、人性化、標準化、仿生化、系統化，在現有的基礎上，國家相關政策給予了有力支持，在與國外企業合作的同時，也創造了有利的發展條件。隨著我國工業機器人的性價比的提高，其也逐漸走向國外，占據國外一部分市場，同時擁有了更多的發展空間及學習機會。

在軍事與基建等方面，也同樣立足于當下國家經濟發展的巨大需要，專門打造了屬于本國的工業機器人，并同樣以這些工業機器人為原型加以推廣升級，是中國特色的工業機器人的主要發展升級路線[10]。我國的工業機器人已經經歷了30年的研發，現已達到了一定的技術水平。目前我國正著重突破諸多關鍵技術，隨著我國由制造大國向制造強國的轉換，相信國內越來越多的工業機器人的關鍵技術會實現國產化、自主化。

4 結論與展望

4.1 結論

如今是趨向智能化、萬物互聯的時代，工業機器人作為我國重要發展方向之一，其未來發展空間會是廣闊的，成長過程中會充滿挑戰與機遇。其發展過程及成果將使我國相關技術的工作狀態發生巨大改變，為全球工業經濟產生更大的推動力，隨著更多更加先進的工業機器人的應用，全球經濟的發展又將向新階段邁進。（1）根據國內外工業機器人的目前發展水平進行比較分析，結合我國現階段發展情況，闡述了國內外工業機器人的主要生產廠商的行業使用分布。（2）淺析了我國在全球工業機器人總體銷售空間中的占比及我國在所應用的領域中的分別與占比。（3）闡述了工業機器人的發展歷程及工業機器人基本構成及關鍵技術的運用。（4）對我國工業機器人未來發展機會、運用空間進行大致趨勢判斷。（5）結合我國教育、企業合作等方面對國內工業機器人的技術發展做出前景分析。

4.2 ?展望

由于學術水平有限，在工業機器人的技術應用分類、技術態勢分析等方面沒有進行更加深層次的研究，如果能完成其更多相關技術知識內容的研究，相信在整體發展分析方面會具有更加詳細、針對性的內容，各個學者對此的參考性會更加深入、透徹，從而發揮更大作用。

參考文獻

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