工業(yè)機(jī)器人：引領(lǐng)智能制造支撐轉(zhuǎn)型升級(jí)

黃忠魁

當(dāng)今時(shí)代，隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)制造逐步向智能制造發(fā)展，傳統(tǒng)企業(yè)逐步向智慧企業(yè)發(fā)展。發(fā)展智能制造，構(gòu)建智慧企業(yè)，是推動(dòng)信息化與工業(yè)化深度融合（簡(jiǎn)稱“兩化深度融合”），促進(jìn)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要途徑之一。對(duì)于軍工企業(yè)來(lái)說(shuō)，智能制造首當(dāng)其沖。

智能制造是指制造的過(guò)程和制造的產(chǎn)品智能化程度較高。從制造的過(guò)程來(lái)看，在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工、經(jīng)營(yíng)管理等關(guān)鍵環(huán)節(jié)都采用智能工具，各個(gè)流程的自動(dòng)化、智能化水平較高。從制造的產(chǎn)品來(lái)看，在產(chǎn)品中嵌入了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)，提高了產(chǎn)品的信息技術(shù)含量和附加值。近年來(lái)，兩院院士們多次指出：“柔性制造、網(wǎng)絡(luò)制造、綠色制造、智能制造、全球制造日益成為生產(chǎn)方式變革的方向?！敝悄苤圃焓侵圃鞓I(yè)發(fā)展的高級(jí)階段，是先進(jìn)制造業(yè)的重要內(nèi)容，是兩化深度融合的具體體現(xiàn)。中國(guó)制造業(yè)要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)，從“中國(guó)制造”走向“中國(guó)智造”，必須大力發(fā)展智能制造。在工業(yè)領(lǐng)域，尤其是在航天領(lǐng)域，智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)正方興未艾。

作為國(guó)家核心和重點(diǎn)的航天企業(yè)，航天三院始終以服務(wù)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略安全為己任。依托國(guó)家對(duì)航天企業(yè)在人力、政策、資金、稅收和貸款等方面的大力扶持，憑借在傳感器技術(shù)、控制技術(shù)、移動(dòng)技術(shù)、信息處理、人工智能、控制工程等多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，航天三院主動(dòng)投身于國(guó)家智能制造，積極搭建起智能機(jī)器人研發(fā)需要的以市場(chǎng)和項(xiàng)目為牽引的快速研發(fā)平臺(tái)和市場(chǎng)反應(yīng)機(jī)制，逐步摸索出具有航天特色的轉(zhuǎn)型升級(jí)和智能制造之路。

數(shù)一數(shù)工業(yè)路上的機(jī)器人

上世紀(jì)60年代，美國(guó)發(fā)明了現(xiàn)實(shí)中的機(jī)器人；此后，日本引進(jìn)了美國(guó)機(jī)器人技術(shù)，并很快將其應(yīng)用到汽車(chē)產(chǎn)業(yè)；上世紀(jì)80年代，德國(guó)將工業(yè)機(jī)器人引入到紡織業(yè)中；上世紀(jì)90年代后期，工業(yè)機(jī)器人逐步擴(kuò)展到制造、安裝、檢測(cè)、物流等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、電子電器、電力、航天航空、冶金、家電、通訊等行業(yè)。

如今，工業(yè)機(jī)器人正向著更深、更廣的方向發(fā)展，智能化水平持續(xù)提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。機(jī)器人早已不是人們簡(jiǎn)單理解的一種產(chǎn)品和技術(shù)工具，機(jī)器人改變的生產(chǎn)方式，不是單一的效率提高，而是帶來(lái)制造業(yè)在制造模式、理念、技術(shù)多個(gè)層面的深層次變革。所以，由機(jī)器人技術(shù)、信息技術(shù)和數(shù)字制造帶來(lái)的新工業(yè)革命正快步走來(lái)，它將改變?nèi)蛑圃鞓I(yè)格局，產(chǎn)業(yè)重新定位，企業(yè)必須轉(zhuǎn)型升級(jí)。

據(jù)相關(guān)專(zhuān)家介紹，從技術(shù)發(fā)展過(guò)程來(lái)看，工業(yè)機(jī)器人可分為三代：第一代是示教再現(xiàn)機(jī)器人，其主要特點(diǎn)是使用示教盒在線示教編程，并保存示教信息，當(dāng)機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，由運(yùn)動(dòng)控制器解析并執(zhí)行存儲(chǔ)的示教程序，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)預(yù)定動(dòng)作；第二代是離線編程機(jī)器人，此類(lèi)機(jī)器人采用了計(jì)算機(jī)實(shí)體模型仿真技術(shù)，先建立起機(jī)器人及其工作環(huán)境的實(shí)體模型，采用相關(guān)算法對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行路徑規(guī)劃，然后通過(guò)編程對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行三維動(dòng)畫(huà)仿真，最后將代碼傳遞給機(jī)器人控制部件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制；第三代就是出現(xiàn)在各類(lèi)電影大片中的智能機(jī)器人，在第一代和第二代的基礎(chǔ)上集成了各種傳感器，通過(guò)傳感器獲得外部信息，并進(jìn)行信息反饋，然后靈活調(diào)整工作狀態(tài)，保證在適應(yīng)環(huán)境的情況下完成各類(lèi)工作。目前主流機(jī)器人是第二代工業(yè)機(jī)器人，第三代智能機(jī)器人在發(fā)達(dá)國(guó)家也占了相當(dāng)比例。

工業(yè)機(jī)器人未來(lái)的發(fā)展方向，主要體現(xiàn)在新型機(jī)器人的創(chuàng)新以及機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的豐富和發(fā)展：不同構(gòu)型和負(fù)載的各系列機(jī)器人產(chǎn)品研發(fā)，向模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展；傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，應(yīng)用視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器的多信息融合的機(jī)器人系統(tǒng)也開(kāi)始在裝配等領(lǐng)域發(fā)揮作用；具有更強(qiáng)的自適應(yīng)性和復(fù)雜工藝能力的機(jī)器人控制技術(shù)、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)、離線編程技術(shù)、自診斷和自修復(fù)等技術(shù)也是未來(lái)的主要研究方向?？傊磥?lái)工業(yè)機(jī)器人朝著標(biāo)準(zhǔn)化、輕巧型、柔性化、智能化等方向快速發(fā)展。

走向生活、安全可靠、操作簡(jiǎn)單是未來(lái)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。

同時(shí)，工業(yè)機(jī)器人在航天領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)隨著“再工業(yè)化”的產(chǎn)生與發(fā)展日益增多和加強(qiáng)，終將以驚人的速度發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高適應(yīng)性、智能化、多功能化。

看一看機(jī)器人與中國(guó)“智造”

在機(jī)器人與中國(guó)“智造”的道路上，航天三院33所智能機(jī)器人研究室的主任張新華和他的團(tuán)隊(duì)始終在奔跑。從在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)裝卸源機(jī)器人的工程應(yīng)用，到主持成立北京市機(jī)器人工程技術(shù)研究中心，在推進(jìn)國(guó)家智能制造裝備工程化的進(jìn)程中，他們始終走在前列。

在2014年全國(guó)工業(yè)和信息化工作會(huì)上，工業(yè)和信息化部部長(zhǎng)苗圩指出，要選擇鋼鐵、石化、紡織、輕工、電子信息等領(lǐng)域開(kāi)展智能工廠應(yīng)用示范。有行業(yè)分析師表示，此舉意味著我國(guó)部分工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒓铀偻七M(jìn)工業(yè)4.0 建設(shè)，迎來(lái)“智造”的春天。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)作為高端裝備制造產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，其研發(fā)、制造和應(yīng)用將成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)重心和高端制造業(yè)的重要標(biāo)志，機(jī)器人革命很可能成為第三次工業(yè)革命的切入點(diǎn)和重要增長(zhǎng)點(diǎn)，影響全球“智造”業(yè)格局。

張新華也拿出了《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》，文件中明確指出：“發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)已成為世界主要國(guó)家搶占新一輪經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展制高點(diǎn)的重大戰(zhàn)略”，并將“高端裝備制造產(chǎn)業(yè)”列為七大戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)之一。

張新華表示，雖然目前工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在汽車(chē)制造業(yè)、汽車(chē)零部件、電力電子工業(yè)、金屬加工業(yè)、塑料制品、飲料/食品等行業(yè)。但隨著智能化水平的提高，智能機(jī)器人將成為柔性制造（FMS）、工廠自動(dòng)化（FA）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）等領(lǐng)域的自動(dòng)工具。

據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)隨著人口紅利的消失，工業(yè)機(jī)器人在中國(guó)的應(yīng)用急速攀升。2013年中國(guó)市場(chǎng)共銷(xiāo)售工業(yè)機(jī)器人近37000臺(tái)，總銷(xiāo)量已經(jīng)超過(guò)日本，成為全球第一大工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)。截至2014年9月，國(guó)內(nèi)機(jī)器人企業(yè)已達(dá)420家，各省市在建機(jī)器人工業(yè)園區(qū)超過(guò)30個(gè)，2014年已經(jīng)有54家A股上市公司并購(gòu)或投資了機(jī)器人和智能自動(dòng)化項(xiàng)目。

按照25%的增長(zhǎng)速度，到2017年我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)將有10萬(wàn)臺(tái)的年需求量。但值得注意的是，在2013年銷(xiāo)售的37000臺(tái)機(jī)器人中，國(guó)外企業(yè)生產(chǎn)的占75%，大多是技術(shù)含量較高的機(jī)器人；由中國(guó)企業(yè)生產(chǎn)的，僅占25%，且大多是對(duì)性能要求降低的機(jī)器人。加之國(guó)外公司在電機(jī)、驅(qū)動(dòng)控制器和減速器等核心功能部件方面的壟斷，已經(jīng)成為制約國(guó)內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的瓶頸。

航天機(jī)器人已走上生產(chǎn)線

此種情況下，33所于2014年獲批成立北京市機(jī)器人伺服與控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心。以此為平臺(tái)，將聯(lián)合政府、高校、企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)等多方力量共同開(kāi)展機(jī)器人及伺服控制相關(guān)技術(shù)研究和科技成果的轉(zhuǎn)化落地工作。研發(fā)方向主要包含伺服電機(jī)、模塊化驅(qū)動(dòng)器、減速器和控制器等核心功能部件及機(jī)器人整機(jī)。

經(jīng)過(guò)三年的努力，33所機(jī)器人的研發(fā)已經(jīng)涵蓋機(jī)器人系統(tǒng)、人工智能、機(jī)器人機(jī)構(gòu)、機(jī)器人電氣、伺服電機(jī)五大專(zhuān)業(yè)，初步形成機(jī)器人核心功能部件及整機(jī)研發(fā)、生產(chǎn)和裝配調(diào)試的能力，建立了機(jī)器人設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，完成了包括智能移動(dòng)機(jī)器人、靈巧性機(jī)械臂放射源裝卸機(jī)器人和系列臺(tái)式工業(yè)機(jī)器人等機(jī)器人整機(jī)和系統(tǒng)項(xiàng)目研發(fā)。

其中，33所于2013年自主研發(fā)了我國(guó)首臺(tái)裝卸放射源的機(jī)器人，將工人從放射源裝卸的輻射威脅中解放出來(lái)。該型機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)多種放射源和儀器的靈活作業(yè)的要求，采用圖像識(shí)別、視覺(jué)伺服與末端隨動(dòng)綜合控制技術(shù)，精確完成放射源裝卸。而且，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的靈巧末端夾持器可以確保夾持可靠，不會(huì)對(duì)放射源造成損傷。

除了石油領(lǐng)域，在煤礦、電網(wǎng)等領(lǐng)域，特種機(jī)器人也有大顯身手的地方。面向反恐、偵察、排爆、電站巡檢、煤礦巷道探測(cè)等方向，33所開(kāi)發(fā)了中、小型通用移動(dòng)機(jī)器人，融合了航跡推算、路徑跟隨、自主避障等多項(xiàng)導(dǎo)航控制技術(shù)。

代號(hào)為MGT-20K移動(dòng)機(jī)器人就有這個(gè)“絕活”，憑借履帶和兩條手臂，可適應(yīng)樓梯、沙灘、瓦礫、街道等多種路面，具有較強(qiáng)的爬坡、越障能力。上面安裝的航姿系統(tǒng)、GPS、激光雷達(dá)等多種傳感器，可用于變電站巡檢、危險(xiǎn)環(huán)境偵查、搜救和排爆等工作。

除了能跑會(huì)動(dòng)的“活力派”，33所還針對(duì)市場(chǎng)需求研發(fā)了系列小型臺(tái)式工業(yè)機(jī)器人，這些安靜坐在工作臺(tái)上的小家伙們分別將各自拿手的“繞線圈、打螺絲、點(diǎn)膠、焊接、食品裝盒……”動(dòng)作一氣呵成。據(jù)33所技術(shù)人員介紹，這十余臺(tái)機(jī)器人組成了一條流水線，可以完成電路板焊錫、印制板點(diǎn)膠、螺釘裝配和印制板切割等工作，可應(yīng)于電子部件生產(chǎn)、裝配、包裝等領(lǐng)域。首批40臺(tái)產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用在空調(diào)、音響控制面板、電子智能鑰匙等汽車(chē)零部件的生產(chǎn)領(lǐng)域。

“機(jī)器人不需要休息，不要加班費(fèi)，不會(huì)跳槽，更不會(huì)跳樓，當(dāng)很多人抱怨自己每天的工作就像機(jī)器人一樣，已經(jīng)有很多工業(yè)機(jī)器人可以像人一樣工作了?！碑?dāng)被問(wèn)到為什么搞小型臺(tái)式工業(yè)機(jī)器人研發(fā)時(shí)，張新華幽默地說(shuō)到。

33所的機(jī)器人家族雖然小“個(gè)子”居多，卻也不乏大“塊頭”，該所為礦泉水生產(chǎn)線訂制自動(dòng)碼垛機(jī)器人，就是一個(gè)名副其實(shí)的大“塊頭”。它每分鐘可以碼30箱礦泉水，碼垛層數(shù)可達(dá)5～8層。之前，該公司一直依賴進(jìn)口，而采用國(guó)產(chǎn)化的設(shè)備后，除機(jī)器人采購(gòu)成本減半外，日常應(yīng)用成本降低了60%以上。

在張新華看來(lái)，他想要做的不僅僅是那些只能簡(jiǎn)單替代部分工作的機(jī)器人，而是具有感知能力的智能機(jī)器人，他們有著發(fā)達(dá)的“大腦”，甚至可以模擬人類(lèi)的思維?！皩?lái)的工廠可以通過(guò)智能機(jī)器人實(shí)現(xiàn)真正的‘無(wú)人化，多傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云制造等都將融合到機(jī)器人制造中。只有實(shí)現(xiàn)了這些，我們才能說(shuō)自己真正為國(guó)家的智能制造做了點(diǎn)事?！?/p>

未來(lái)，三院33所牽頭的北京市機(jī)器人工程技術(shù)中心，將擔(dān)負(fù)起推進(jìn)機(jī)器人及核心功能部件技術(shù)研發(fā)和國(guó)產(chǎn)化的重任，助力國(guó)家智能制造裝備工程化進(jìn)程。同時(shí)，推進(jìn)智能制造技術(shù)和裝備在石油加工、煤炭開(kāi)采、機(jī)械加工、食品加工等典型領(lǐng)域中的示范應(yīng)用，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)領(lǐng)域和國(guó)防建設(shè)作出更大貢獻(xiàn)。