工業(yè)機(jī)器人重新定義工廠

王公博

工業(yè)機(jī)器人是應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器人，自1958年誕生以來(lái)發(fā)展迅猛。使用工業(yè)機(jī)器人是生產(chǎn)力進(jìn)步的具體體現(xiàn)，因?yàn)槠鋵?shí)質(zhì)是用機(jī)器勞動(dòng)代替原有的人力勞動(dòng)，但這也可能對(duì)就業(yè)帶來(lái)沖擊。面對(duì)這一可能存在的沖擊，應(yīng)該以積極的心態(tài)加以接受，并學(xué)習(xí)和提升利用工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)技能。

工業(yè)機(jī)器人的概念和分類

根據(jù)ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）8373的定義，工業(yè)機(jī)器人指的是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器人，它可以自動(dòng)執(zhí)行工作，靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能，既可以接受人類指揮，也可以按照預(yù)先編排的程序運(yùn)行，現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)器人還可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。工業(yè)機(jī)器人一般由兩大部分組成：一部分是機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般稱作機(jī)器人操作機(jī)，負(fù)責(zé)完成機(jī)器人的操作和作業(yè);另一部分是機(jī)器人控制系統(tǒng)，主要完成信息的獲取、處理、作業(yè)編程、規(guī)劃、控制以及整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的管理等功能。國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)認(rèn)為工業(yè)機(jī)器人有四個(gè)特點(diǎn)：第一，可重新編程，工業(yè)機(jī)器人被設(shè)計(jì)為在不進(jìn)行物理改動(dòng)的情況下更改編程的運(yùn)動(dòng)或輔助功能;第二，具有多種用途，可以適應(yīng)不同的環(huán)境變化;第三，可以進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的改變;第四，具有用于指定線性或旋轉(zhuǎn)模式下的控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向的軸設(shè)計(jì)。

根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)機(jī)器人有多種不同的分類方式。例如，以機(jī)械結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)機(jī)器人可分為串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人：串聯(lián)機(jī)器人指的是一個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)會(huì)改變另一個(gè)軸的坐標(biāo)原點(diǎn)，如六關(guān)節(jié)機(jī)器人;并聯(lián)機(jī)器人指的是一個(gè)軸運(yùn)動(dòng)不影響另一個(gè)軸的坐標(biāo)原點(diǎn)，如蜘蛛機(jī)器人。以操作機(jī)坐標(biāo)形式為標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)機(jī)器人可分為圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人、球坐標(biāo)型機(jī)器人、多關(guān)節(jié)型機(jī)器人、平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人、直角坐標(biāo)型機(jī)器人，它們的區(qū)別在于：圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人的臂部可作升降、回轉(zhuǎn)和伸縮動(dòng)作;球坐標(biāo)型機(jī)器人的臂部能回轉(zhuǎn)、俯仰和伸縮;多關(guān)節(jié)型機(jī)器人的臂部有多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié);平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人的軸線相互平行，實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)定位和定向;直角坐標(biāo)型機(jī)器人的臂部可沿三個(gè)直角坐標(biāo)移動(dòng)。

最常見且利于加深對(duì)工業(yè)機(jī)器人理解的分類標(biāo)準(zhǔn)是其功能作用，現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人主要可分為八類：焊接機(jī)器人、碼垛機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、裝配機(jī)器人、激光加工機(jī)器人、真空機(jī)器人、潔凈機(jī)器人。焊接機(jī)器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機(jī)器人，主要包括機(jī)器人和焊接設(shè)備兩部分。目前已廣泛應(yīng)用在汽車制造業(yè)，并尤其在汽車底盤焊接生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的桑塔納、帕薩特、別克、賽歐、波羅等后橋、副車架、搖臂、懸架、減振器等轎車底盤零件大都是以工業(yè)機(jī)器人焊接為主的受力安全零件，焊接主要以搭接、角接接頭形式為主，焊接質(zhì)量要求相當(dāng)高，其質(zhì)量的好壞直接影響到轎車的安全性能。碼垛機(jī)器人是從事碼垛的工業(yè)機(jī)器人，將已裝入容器的物體，按一定順序碼放在托盤、棧板（木質(zhì)、塑膠）上，進(jìn)行自動(dòng)堆碼。目前已廣泛應(yīng)用于紙箱、塑料箱、瓶類、袋類、桶裝、膜包產(chǎn)品及灌裝產(chǎn)品等。搬運(yùn)機(jī)器人是可以進(jìn)行自動(dòng)化搬運(yùn)作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人，目前世界上使用的搬運(yùn)機(jī)器人逾10萬(wàn)臺(tái)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)床上下料、沖壓機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線、自動(dòng)裝配流水線、碼垛搬運(yùn)、集裝箱等的自動(dòng)搬運(yùn)。部分發(fā)達(dá)國(guó)家甚至已制定出人工搬運(yùn)的最大限度，超過限度的必須由搬運(yùn)機(jī)器人來(lái)完成。噴涂機(jī)器人是可進(jìn)行自動(dòng)噴漆或噴涂其他涂料的工業(yè)機(jī)器人，主要由機(jī)器人本體、計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，液壓驅(qū)動(dòng)的噴涂機(jī)器人還包括液壓油源，如油泵、油箱和電機(jī)等。目前已廣泛用于汽車、儀表、電器、搪瓷等工藝生產(chǎn)部門。裝配機(jī)器人是為完成裝配作業(yè)而設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人，由機(jī)器人操作機(jī)、控制器、末端執(zhí)行器和傳感系統(tǒng)組成。目前主要用于各種電器制造（電視機(jī)、錄音機(jī)、洗衣機(jī)、電冰箱、吸塵器）、小型電機(jī)、汽車及其部件、計(jì)算機(jī)、玩具、機(jī)電產(chǎn)品及其組件的裝配等方面。激光加工機(jī)器人是將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于激光加工中，通過高精度工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)更加柔性的激光加工作業(yè)。系統(tǒng)通過示教盒進(jìn)行在線操作，也可通過離線方式進(jìn)行編程。真空機(jī)器人是一種在真空環(huán)境下工作的機(jī)器人，主要應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)中，實(shí)現(xiàn)晶圓在真空腔室內(nèi)的傳輸。但真空機(jī)械手難進(jìn)口、受限制、用量大、通用性強(qiáng)，這成為制約我國(guó)半導(dǎo)體裝備整機(jī)的研發(fā)進(jìn)度和整機(jī)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵部件。潔凈機(jī)器人是在潔凈環(huán)境中使用的工業(yè)機(jī)器人。隨著生產(chǎn)技術(shù)水平不斷提高，很多現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)都要求在潔凈環(huán)境進(jìn)行，潔凈機(jī)器人因而成為潔凈環(huán)境下進(jìn)行生產(chǎn)所需要的關(guān)鍵設(shè)備。

工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷程

從國(guó)外的技術(shù)發(fā)展歷程來(lái)看，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段。

產(chǎn)生和初步發(fā)展階段：1958年-1970年。工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的第一件專利由喬治·德沃爾在1958年申請(qǐng)，名為可編程的操作裝置。約瑟夫·恩格爾伯格對(duì)此專利很感興趣，聯(lián)合德沃爾在1959年共同制造了世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，稱之為Robot，其含義是“人手把著機(jī)械手，把應(yīng)當(dāng)完成的任務(wù)做一遍，機(jī)器人再按照事先教給它們的程序進(jìn)行重復(fù)工作”，并主要用于工業(yè)生產(chǎn)的鑄造、鍛造、沖壓、焊接等生產(chǎn)領(lǐng)域，特稱為工業(yè)機(jī)器人。

技術(shù)快速進(jìn)步與商業(yè)化規(guī)模運(yùn)用階段：1970年—1984年。這一時(shí)期的技術(shù)相較于此前有很大進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人開始進(jìn)行具有一定的感知功能和自適應(yīng)能力的離線編程，可以根據(jù)作業(yè)對(duì)象的狀況改變作業(yè)內(nèi)容。伴隨著技術(shù)的快速進(jìn)步發(fā)展，這一時(shí)期的工業(yè)機(jī)器人還突出表現(xiàn)為商業(yè)化運(yùn)用迅猛發(fā)展的特點(diǎn)，工業(yè)機(jī)器人的“四大家族”——庫(kù)卡、ABB、安川、FANUC公司分別在1974年、1976年、1978年和1979年開始了全球?qū)＠牟季帧?/p>

智能機(jī)器人階段：1985年至今。智能機(jī)器人帶有多種傳感器，可以將傳感器得到的信息進(jìn)行融合，有效地適應(yīng)變化的環(huán)境，因而具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力、學(xué)習(xí)能力和自治功能。在2000年以后，美國(guó)、日本等國(guó)都開始了智能軍用機(jī)器人研究，并在2002年由美國(guó)波士頓公司和日本公司共同申請(qǐng)了第一件“機(jī)械狗”（Boston Dynamics Big Dog）智能軍用機(jī)器人專利，2004年在美國(guó)政府DARPA/SPAWAR計(jì)劃支持下申請(qǐng)了智能軍用機(jī)器人專利。

我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人發(fā)展歷程具有不同于國(guó)外的特點(diǎn)，起步相對(duì)較晚，大致可分為4個(gè)階段。

理論研究階段：20世紀(jì)70年代到80年代初。由于當(dāng)時(shí)國(guó)家經(jīng)濟(jì)條件等因素的制約，我國(guó)主要從事工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)理論的研究，在機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)等方面取得了一定的進(jìn)展，為后續(xù)工業(yè)機(jī)器人的研究奠定了基礎(chǔ)。

樣機(jī)研發(fā)階段：20世紀(jì)80年代中后期。隨著工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家開始大量應(yīng)用和普及工業(yè)機(jī)器人，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人研究得到政府的重視和支持，國(guó)家組織了對(duì)工業(yè)機(jī)器人需求行業(yè)的調(diào)研，投入大量的資金開展工業(yè)機(jī)器人的研究，進(jìn)入了樣機(jī)開發(fā)階段。

示范應(yīng)用階段：20世紀(jì)90年代。我國(guó)在這一階段研制出平面關(guān)節(jié)型統(tǒng)配機(jī)器人、直角坐標(biāo)機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人等7種工業(yè)機(jī)器人系列產(chǎn)品，102種特種機(jī)器人，實(shí)施了100余項(xiàng)機(jī)器人應(yīng)用工程。為了促進(jìn)國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化，在90年代末建立了9個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地和7個(gè)科研基地。

初步產(chǎn)業(yè)化階段：21世紀(jì)以來(lái)?！秶?guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》突出增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力這一條主線，著力營(yíng)造有利于自主創(chuàng)新的政策環(huán)境，加快促進(jìn)企業(yè)成為創(chuàng)新主體，大力倡導(dǎo)企業(yè)為主體，產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合，國(guó)內(nèi)一大批企業(yè)或自主研制或與科研院所合作，加入工業(yè)機(jī)器人研制和生產(chǎn)行列，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入初步產(chǎn)業(yè)化階段。

經(jīng)過上述四個(gè)階段的發(fā)展，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人得到一定程度的普及。數(shù)據(jù)顯示，到2016年，中國(guó)工業(yè)機(jī)器人的保有量達(dá)到30萬(wàn)臺(tái)。但是，與先進(jìn)的制造業(yè)國(guó)家相比，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人使用密度仍有不少差距，工業(yè)機(jī)器人的保有量仍有巨大上升空間。

工業(yè)機(jī)器人的作用和前景

在具體探討工業(yè)機(jī)器人的作用和前景之前，一系列相關(guān)數(shù)據(jù)可以讓我們清楚了解到其近年來(lái)的發(fā)展勢(shì)頭。國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)發(fā)布的《2018年世界機(jī)器人報(bào)告》顯示，2017年全球的工業(yè)機(jī)器人銷量高達(dá)38.1萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)29%。在2012年-2017年間，全球的工業(yè)機(jī)器人銷量以年均19%的增速迅猛增長(zhǎng)。中國(guó)自2013年以來(lái)就成為全球工業(yè)機(jī)器人的最大買家，并在2017年買下13.8萬(wàn)臺(tái)設(shè)備，占全球總銷量的36%，較2016年購(gòu)買的數(shù)量增加了59%。除中國(guó)外，其他主要買家分別為日本、韓國(guó)、美國(guó)和德國(guó)，以上5個(gè)國(guó)家在2017年所購(gòu)買的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量占全球總銷量的73%。據(jù)估計(jì)，從2018年到2021年，全球?qū)⑿略?10萬(wàn)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。

銷量的迅猛增加意味著更大的需求，更多的工業(yè)機(jī)器人被投放到工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域之中。出現(xiàn)這一趨勢(shì)的原因在于使用工業(yè)機(jī)器人的實(shí)質(zhì)是用機(jī)器生產(chǎn)代替人力生產(chǎn)，是生產(chǎn)力的進(jìn)步，這一進(jìn)步至少會(huì)帶來(lái)以下三方面的優(yōu)勢(shì)：提供更安全的工作環(huán)境，減少勞動(dòng)風(fēng)險(xiǎn);減少生產(chǎn)成本，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，提高生產(chǎn)效率;增強(qiáng)生產(chǎn)的可控性，加快產(chǎn)品更新?lián)Q代。例如，一臺(tái)搬運(yùn)機(jī)器人的成本相當(dāng)于3年的工人工資，壽命卻達(dá)到10年以上，企業(yè)出于成本考慮，選擇用機(jī)器替代部分工人。此外，一些在危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境中如沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機(jī)械加工以及對(duì)于人體有害物料進(jìn)行的作業(yè)，使用工業(yè)機(jī)器人可以避免危險(xiǎn)環(huán)境對(duì)人體造成的傷害。

綜合工業(yè)機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)和當(dāng)下技術(shù)特點(diǎn)，可以預(yù)見到工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展會(huì)呈現(xiàn)出四大趨勢(shì)。第一，機(jī)器人與信息技術(shù)深度融合。大數(shù)據(jù)和云存儲(chǔ)技術(shù)使得機(jī)器人逐步成為物聯(lián)網(wǎng)的終端和節(jié)點(diǎn)，信息技術(shù)的快速發(fā)展將工業(yè)機(jī)器人與網(wǎng)絡(luò)融合，組成復(fù)雜性強(qiáng)的生產(chǎn)系統(tǒng)，使其具有類人的學(xué)習(xí)能力，多臺(tái)機(jī)器人協(xié)同技術(shù)使一套生產(chǎn)解決方案成為可能。第二，機(jī)器人產(chǎn)品易用性與穩(wěn)定性繼續(xù)提升。隨著機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)、集成一體化關(guān)節(jié)、自組裝與自修復(fù)等技術(shù)的改善，機(jī)器人的易用性與穩(wěn)定性不斷被提高;機(jī)器人將向著體積小、應(yīng)用廣的方向發(fā)展;機(jī)器人制造成本繼續(xù)下降;機(jī)器人能夠通過簡(jiǎn)易的感應(yīng)方式理解人類語(yǔ)言、圖形、身體指令。第三，機(jī)器人向模塊化、智能化和系統(tǒng)化方向發(fā)展。模塊化改變了傳統(tǒng)機(jī)器人的構(gòu)型僅能適用有限范圍的問題，工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)更趨向采用組合式、模塊化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路;工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向開放性控制系統(tǒng)集成方向發(fā)展;技術(shù)不斷延伸，嵌入到工程機(jī)械、食品機(jī)械、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、醫(yī)療器械等傳統(tǒng)裝備之中。第四，新型智能機(jī)器人市場(chǎng)需求增加。精細(xì)作業(yè)能力進(jìn)一步提升，對(duì)外界的適應(yīng)感知能力不斷增強(qiáng);機(jī)器人與人協(xié)作能力的要求不斷增強(qiáng)。

既然使用工業(yè)機(jī)器人其實(shí)就是用機(jī)器生產(chǎn)代替人力生產(chǎn)，且工業(yè)機(jī)器人將呈迅猛發(fā)展的趨勢(shì)，一個(gè)可能產(chǎn)生的問題就是工業(yè)機(jī)器人將帶來(lái)失業(yè)。例如《紐約時(shí)報(bào)》曾提供了兩位經(jīng)濟(jì)學(xué)家的證據(jù)，他們量化了機(jī)器人對(duì)就業(yè)的負(fù)面影響，發(fā)現(xiàn)每新增一個(gè)機(jī)器人，將使得六名工人失業(yè)，其余工人的工資下降3%-5%。但與此同時(shí)，也有數(shù)據(jù)顯示工業(yè)機(jī)器人并不會(huì)帶來(lái)工作機(jī)會(huì)的減少：從2010年到2016年，美國(guó)汽車工業(yè)的就業(yè)人數(shù)從67.9萬(wàn)增長(zhǎng)到94萬(wàn)，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)6%，而機(jī)器人的數(shù)量也增長(zhǎng)了9%。此外，波士頓咨詢集團(tuán)還認(rèn)為，更廣泛的機(jī)器人應(yīng)用將在中期內(nèi)將每位員工的產(chǎn)出提高30%。

無(wú)論工業(yè)機(jī)器人是否會(huì)帶來(lái)失業(yè)問題，一個(gè)可以肯定的事實(shí)就是工業(yè)機(jī)器人不可能完全取代人類的工作，正如麥肯錫的報(bào)告所指出的，90%以上的工作無(wú)法完全自動(dòng)化，所以未來(lái)機(jī)器人將跟人類一起工作。那么，什么樣的工作將被工業(yè)機(jī)器人取代？什么樣的工作還將繼續(xù)由人類從事？國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)認(rèn)為，在工業(yè)機(jī)器人時(shí)代，傳統(tǒng)制造業(yè)將從大批量、單一化生產(chǎn)向小批量、多元化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型，生產(chǎn)設(shè)備安全性需求將進(jìn)一步提高，并且制造業(yè)還將面臨高級(jí)技工的嚴(yán)重短缺。并且，伴隨著自動(dòng)化和機(jī)器人的使用，通過提高生產(chǎn)力創(chuàng)造新的工作，教育和培訓(xùn)體系必須進(jìn)行調(diào)整，從而使工人們能在未來(lái)享受到機(jī)器人帶來(lái)的好處。換句話說，工業(yè)機(jī)器人時(shí)代的來(lái)臨將是必然，在這一背景之下，較高的工作技能仍非常重要，具有利用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行生產(chǎn)的技能則更加重要，對(duì)于這些工作的需求將隨著工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展而進(jìn)一步增大。