我國工業(yè)機器人現(xiàn)狀與發(fā)展

本刊編輯部

工業(yè)機器人是先進制造業(yè)中不可替代的重要裝備和手段，是衡量制造品質(zhì)和科技水平的重要標志。在工業(yè)發(fā)達國家中，工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線成套裝備己成為自動化裝備的主流及未來的發(fā)展方向，工業(yè)機器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車及汽車零部件制造業(yè)、機械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、物流、制造業(yè)等諸多領(lǐng)域中。

一、背景

先進機器人是集材料、機械、控制、信息、生物、醫(yī)學等多學科交叉為一體的智能機器。世界各國紛紛將突破機器人技術(shù)、發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)擺在本國科技發(fā)展的重要戰(zhàn)略地位。美、日、韓、歐等國家和地區(qū)都非常重視機器人技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將機器人產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，紛紛制定各自的機器人國家發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃。

自從20 世紀60 年代初人類制造了第一臺工業(yè)機器人以后，機器人就顯示出了極強的生命力。經(jīng)過50 年的迅速發(fā)展，隨著各應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品加工精度要求的提高，焊接、切割等生產(chǎn)環(huán)節(jié)逐步由機器人代替手工操作，再加上人們對工作環(huán)境要求的提高，高危、有毒等惡劣條件的工作需要由機器人逐步替代，增加了對機器人產(chǎn)品的市場需求。

長期以來，由于我國人口眾多、勞動力價格低廉、生產(chǎn)技術(shù)水平又相對落后，工業(yè)機器人的應(yīng)用受到了很大限制。但是，隨著工業(yè)機器人價格的不斷降低和性能的不斷提高，以及人工成本的上漲、工作環(huán)境的改變和多元化的市場競爭，各企業(yè)面臨著重重壓力。金融危機以來，依靠傳統(tǒng)勞動密集型來維系的生產(chǎn)模式已難以為繼；而工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)是一個快速成長中的新興產(chǎn)業(yè)，將對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展起越來越重要的作用。

從制造業(yè)的發(fā)展歷程看，我國正處于工業(yè)化過程中，生產(chǎn)手段必然要經(jīng)歷機械化、自動化、智能化、信息化的變革，工業(yè)制成品也將經(jīng)歷數(shù)量、質(zhì)量、柔性低成本的發(fā)展階段，目前制造業(yè)普遍需要技術(shù)和設(shè)備升級改造，以增強競爭力，提高經(jīng)濟效益，因此，我國機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展空間很大。

二、發(fā)展歷程

我國工業(yè)機器人研究開始于20 世紀70 年代。由于當時經(jīng)濟體制等因素的制約，發(fā)展比較緩慢，研究和應(yīng)用水平也比較低。1985 年，隨著工業(yè)發(fā)達國家已開始大量應(yīng)用工業(yè)機器人，我國在“七五”科技攻關(guān)計劃中將工業(yè)機器人列入了發(fā)展計劃，由當時的機械工業(yè)部牽頭組織了點焊、弧焊、噴漆、搬運等型號的機器人的攻關(guān)，其他各部門也積極立項支持，形成了中國工業(yè)機器人第一次高潮。1986 年，我國再次將智能機器人列入了高技術(shù)研究發(fā)展計劃，并成立了專家組，規(guī)劃和領(lǐng)導(dǎo)機器人先進技術(shù)研究與應(yīng)用工作。

政府非常重視機器人技術(shù)的發(fā)展，從“七五”科技攻關(guān)及實施863 計劃開始，國家一直有計劃地組織和發(fā)展工業(yè)機器人事業(yè)。經(jīng)過“七五”攻關(guān)和“八五”、“九五”、國家863 計劃支持的應(yīng)用工程開發(fā)，我國第一代工業(yè)機器人設(shè)計、制造和應(yīng)用技術(shù)已趨于成熟。目前在工業(yè)機器人的一些機種方面，如噴漆機器人、焊接機器人、搬運機器人、裝配機器人和特種機器人都有了長足的進步，基本掌握了工業(yè)機器人的設(shè)計制造技術(shù)和機器人應(yīng)用中單元和生產(chǎn)線的設(shè)計、制造技術(shù)，有了一支具有一定水平的技術(shù)隊伍，奠定了我國獨立自主發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。但綜合來看，我國工業(yè)機器人在總體技術(shù)上與國外先進水平相比還有很大差距。工業(yè)機器人制造企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模一直不大，多數(shù)是單件小批生產(chǎn)，關(guān)鍵配套的單元部件和器件始終處于進口狀態(tài)，工業(yè)機器人的性價比較低。整體裝備制造水平不高，制約了我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的形成和規(guī)?；陌l(fā)展。

進入上世紀90 年代后，為了實現(xiàn)高技術(shù)發(fā)展與國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場的密切銜接，863 計劃確定了特種機器人與工業(yè)機器人及其應(yīng)用工程并重、以應(yīng)用帶動關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)研究的發(fā)展方針。經(jīng)過廣大科技工作者的辛勤努力，在2001 年舉辦的863 計劃15 年成果展上，863 計劃機器主題有58 頂關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)研究成果達到國際先進水平，先后獲得國家科技進步獎2l 項，省部級科技進步獎116 項，發(fā)明專利38 項，實用新型專利125 項，發(fā)表學術(shù)論文5725篇。開發(fā)了7 種工業(yè)機器人系列產(chǎn)品，102 種特種機器人，實施了100 余項機器人應(yīng)用工程。同時為了促進國產(chǎn)機器人的產(chǎn)業(yè)化。在20 世紀90 年代末期，我國還建立了9 個機器人產(chǎn)業(yè)化基地和7 個科研基地，包括沈陽自動化研究所的新松機器人公司、哈爾濱博實自動化設(shè)備有限責任公司、北京機械工業(yè)自動化研究所機器人開發(fā)中心等。

產(chǎn)業(yè)化基地的建設(shè)推動了產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，為形成我國機器人產(chǎn)業(yè)奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過廣大科技人員的不懈努力，目前我國已經(jīng)能夠生產(chǎn)具有國際先進水平的平面關(guān)節(jié)型裝配機器人、直角坐標機器人、弧焊機器人、點焊機器人及自動引導(dǎo)車等一系列產(chǎn)品，不少品種實現(xiàn)了小批量生產(chǎn)。值得自豪的是，國產(chǎn)自動引導(dǎo)車已經(jīng)占領(lǐng)了國內(nèi)大部分市場。進入21 世紀，隨著國內(nèi)機器人需求的迅猛增長及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，先后涌現(xiàn)出奇瑞裝備、巨一焊接、廣州數(shù)控、沃迪、青島軟控等數(shù)十家從事工業(yè)機器人生產(chǎn)的企業(yè)，形成了我國工業(yè)機器人發(fā)展的新局面。

理論研究是工業(yè)機器人研制和應(yīng)用的基礎(chǔ)，關(guān)鍵元器件則是事關(guān)產(chǎn)業(yè)化成敗與否的首要因素。在機器人技術(shù)基礎(chǔ)方面，我國開展了工業(yè)機器人運動學、動力學與構(gòu)型綜合、機器人運動控制算法及機器人編程語言、機器人傳感器、多傳感器控制系統(tǒng)、離線編程技術(shù)、自診斷、安全保護技術(shù)等方面的研究與開發(fā)，基本掌握了工業(yè)機器人的關(guān)鍵技術(shù)。在機器人單元技術(shù)和基礎(chǔ)元器件研究開發(fā)方面，我國研制出了交、直流伺服系統(tǒng)電機及其驅(qū)動系統(tǒng)、測速發(fā)電機、光電編碼器、液壓元部件、滾珠絲杠、直線滾動導(dǎo)軌、諧波減速器、RV 減速器、十字交叉滾子軸承、薄壁軸承等，并涌現(xiàn)了一批具有較強實力的專業(yè)廠家。

總之，經(jīng)過20 多年的發(fā)展，我國在工業(yè)機器人基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵元器件開發(fā)、機器人整機設(shè)計、周邊設(shè)備開發(fā)以及工業(yè)機器人應(yīng)用等方面取得了不少令人鼓舞的成績，形成了一支有相當戰(zhàn)斗力的隊伍；但是與國外著名機器人廠家相比，國內(nèi)企業(yè)在整體實力、品牌知名度、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品性能、售后服務(wù)等方面尚存在不小差距。此外，我國擁有的機器人專利數(shù)目不多，不少關(guān)鍵元器件至今尚不能自主生產(chǎn)或者性能偏低等，這已經(jīng)開始嚴重影響國產(chǎn)工業(yè)機器人做大做強的步伐。

三、核心技術(shù)突破

在“十五”、“十一五”攻關(guān)計劃和863 計劃等科技計劃的支持下，我國有組織、有計劃地發(fā)展工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)，通過研制、生產(chǎn)、應(yīng)用等多個層面的不斷探索，在技術(shù)攻關(guān)和設(shè)計水平上有了長足的進步。總的來看，已經(jīng)掌握了工業(yè)機器人的設(shè)計、制造、應(yīng)用過程中的多項關(guān)鍵技術(shù)，能夠生產(chǎn)出部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出弧焊、點焊、碼垛、裝配、搬運、注塑、沖壓、噴漆等工業(yè)機器人。一些相關(guān)科研機構(gòu)和企業(yè)已掌握了工業(yè)機器人操作機的優(yōu)化設(shè)計制造技術(shù)，工業(yè)機器人控制技術(shù)，驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設(shè)計技術(shù)，機器人軟件的設(shè)計和編程技術(shù)、運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù)，弧焊、點焊及大型機器人自動生產(chǎn)線(工作站)與周邊配套設(shè)備的開發(fā)和制備技術(shù)等，某些關(guān)鍵技術(shù)已達到或接近了國際先進水平，中國工業(yè)機器人在世界工業(yè)機器人領(lǐng)域已占有一席之地。

新一代工業(yè)機器人的核心技術(shù)主要包括：

（1）模塊化、可重構(gòu)的工業(yè)機器人新型操作機構(gòu)設(shè)計；

（2）柔性、高加速度、大負載的工業(yè)機器人動態(tài)設(shè)計與優(yōu)化；

（3）基于實時系統(tǒng)和高速通訊總線的高性能開放式控制系統(tǒng)；

（4）高性能工業(yè)機器人運動規(guī)劃和伺服控制方法；

（5）基于三維虛擬仿真和工業(yè)以太網(wǎng)的工業(yè)機器人成線技術(shù)；

（6）工業(yè)機器人關(guān)鍵部件批量制造專用化及性能測試標準化；

（7）非結(jié)構(gòu)化工業(yè)現(xiàn)場的工業(yè)機器人局部自主與智能決策；

（8）基于外部傳感技術(shù)的工業(yè)機器人運動控制技術(shù)；

（9）工業(yè)機器人故障遠程診斷與修復(fù)技術(shù)；

（10）工業(yè)機器人與成套裝備協(xié)調(diào)作業(yè)技術(shù)。

近十年，工業(yè)機器人研發(fā)所取得的主要成績可以總結(jié)為：

（1）基礎(chǔ)理論研究方面

較深入地開展了機器人運動學、動力學與構(gòu)型研究，機器人運動控制算法及機器人編程語言的研究，機器人內(nèi)、外部傳感器的研究與開發(fā)，多傳感器控制系統(tǒng)的研究，離線編程技術(shù)、自診斷、安全保護技術(shù)等方面有所突破，基本掌握了工業(yè)機器人所需的基礎(chǔ)理論。

（2）關(guān)鍵零部件的研發(fā)方面

在機器人單元技術(shù)和基礎(chǔ)元器件研究開發(fā)方面取得了一些成績，我國研制出了交、直流伺服電機及其驅(qū)動系統(tǒng)、測速發(fā)電機、光電編碼器、液壓（氣動）元部件、滾珠絲杠、直線滾動導(dǎo)軌、諧波減速器、RV 減速器、十字交叉滾子軸承、薄壁軸承等，并涌現(xiàn)出了一批具有較強實力的專業(yè)廠家。但就總體而言，我國機器人關(guān)鍵零部件的研發(fā)與制造能力還比較薄弱、技術(shù)水平較低、性能質(zhì)量不高，是目前制約我國工業(yè)機器人發(fā)展的主要瓶頸。

（3）系統(tǒng)設(shè)計與控制技術(shù)方面

基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)，解決了多項控制、驅(qū)動、傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。我國已經(jīng)能夠設(shè)計和生產(chǎn)包括直角坐標式、平面多關(guān)節(jié)型、空間多關(guān)節(jié)型等各類構(gòu)型工業(yè)機器人，不少機器人擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。在機器人控制裝置研制方面，我國已經(jīng)開發(fā)出了雙CPU、多CPU 和分級分層控制裝置、模塊化機器人控制器及相應(yīng)控制單元等。但在開放式、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化的軟伺服和全數(shù)字控制器開發(fā)方面與國際先進水平仍有差距。

（4）行業(yè)技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用方面

目前取得較大進展的行業(yè)領(lǐng)域包括數(shù)控機床關(guān)鍵技術(shù)與裝備、隧道掘進機器人相關(guān)技術(shù)、工程機械智能化機器人相關(guān)技術(shù)、裝配自動化機器人相關(guān)技術(shù)等。現(xiàn)已開發(fā)出金屬焊接、噴涂、澆鑄、裝配、搬運、包裝、激光加工、檢驗、真空、自動導(dǎo)引車等的工業(yè)機器人產(chǎn)品，已經(jīng)逐步走向?qū)嵱谩?/p>

同全球主要機器人大國相比，目前我國機器人技術(shù)仍存在較大差距，真正大規(guī)模進入商用僅是在近幾年。盡管在某些關(guān)鍵技術(shù)上有所突破，但還缺乏整體核心技術(shù)的突破，具有中國知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機器人則很少，特別是在制造工藝與裝備方面，高精密、高速與高效的關(guān)鍵部件仍依賴進口。為了更好地參與未來的國際競爭，需要集中力量在亟待掌握的多項核心技術(shù)方面繼續(xù)加大投入和研發(fā)力度，以期盡快實現(xiàn)突破。

四、未來發(fā)展

我國作為世界公認的制造業(yè)大國，隨著制造水平的不斷提高以及勞動力成本的不斷增加，經(jīng)濟發(fā)展模式必將進行調(diào)整，發(fā)展高科技產(chǎn)業(yè)、實現(xiàn)生產(chǎn)自動化成為必由之路。國務(wù)院在相關(guān)決定中指出：“發(fā)展戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)已成為世界主要國家搶占新一輪經(jīng)濟和科技發(fā)展制高點的重大戰(zhàn)略”，包括“高端裝備制造產(chǎn)業(yè)”、“新材料產(chǎn)業(yè)”等。工業(yè)機器人行業(yè)作為高端裝備制造產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，必將在此期間得到更多的政策扶持，實現(xiàn)進一步增長。

在前沿技術(shù)發(fā)展方面，智能機器人技術(shù)是多學科交叉最復(fù)雜、最具挑戰(zhàn)性的技術(shù)領(lǐng)域之一，根據(jù)國外技術(shù)發(fā)展規(guī)律以及國內(nèi)工業(yè)基礎(chǔ)與應(yīng)用現(xiàn)狀，一方面從國家經(jīng)濟與安全戰(zhàn)略需求的角度，需要加大工程化產(chǎn)品與應(yīng)用示范；其次從工業(yè)應(yīng)用環(huán)境與工藝需求出發(fā)，大力發(fā)展機器人集成應(yīng)用，與此同時應(yīng)該注重核心部件攻關(guān)與成套應(yīng)用示范；另外，瞄準世界前沿發(fā)展趨勢，研發(fā)高端科技集成平臺，注重未來戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的培育，搶占世界科技的制高點。

在技術(shù)研發(fā)體制創(chuàng)新方面，圍繞智能機器人產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，應(yīng)該進一步突出企業(yè)投入為主體，產(chǎn)學研聯(lián)合為技術(shù)支撐，積極探索商務(wù)模式的創(chuàng)新、市場融資、保險支持等發(fā)展。

在組織實施方面，國家應(yīng)注重把研究任務(wù)落實到確有優(yōu)勢的單位和團隊，集中優(yōu)勢力量組織研究隊伍，特別是領(lǐng)軍帶頭人，形成若干具有特色的技術(shù)平臺和研發(fā)基地。

在項目管理方面，落實責任，引入競爭，滾動支持。采取定期、不定期、集中和現(xiàn)場檢查等多種方式加強課題的過程管理，及時發(fā)現(xiàn)和糾正問題。引入競爭機制，采取前期支持與滾動支持結(jié)合的管理方式，實行優(yōu)勝劣汰、動態(tài)管理的研究隊伍，保證項目如期高質(zhì)量完成。

盡管中國工業(yè)機器人的需求在逐年增加，但要能為用戶提供高質(zhì)價廉的工業(yè)機器人產(chǎn)品，我國尚有較長的路程。首先為了促進中國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，必須在以市場需求為主的前提下，國家在政策上鼓勵企業(yè)在技術(shù)投入和技術(shù)改造方面應(yīng)用國產(chǎn)工業(yè)機器人；同時轉(zhuǎn)變現(xiàn)有機制，建立以適應(yīng)市場經(jīng)濟所需的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)基地；其次，在國家的科技發(fā)展規(guī)劃中，繼續(xù)對工業(yè)機器人的研究開發(fā)和關(guān)鍵、基礎(chǔ)部件的研究和產(chǎn)品化給予支持，形成產(chǎn)品和自動化制造裝備同步協(xié)調(diào)發(fā)展的新局面；最后，結(jié)合我國的國情，加強我國工業(yè)機器人應(yīng)用工程的開發(fā)，使之與國民經(jīng)濟的發(fā)展密切相結(jié)合。

科學技術(shù)部.這十年——先進制造領(lǐng)域科技發(fā)展報告.北京:科學技術(shù)文獻出版社,2012.