我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀與發(fā)展探究

左俊中

摘要：工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，有利于打造中國(guó)制造的新優(yōu)勢(shì)，有利于推進(jìn)我國(guó)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，有利于加快我國(guó)制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)，為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出重要的貢獻(xiàn)。結(jié)合行業(yè)發(fā)展，文章對(duì)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)研制、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)等方面進(jìn)行了敘述。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;關(guān)鍵技術(shù);發(fā)展趨勢(shì);應(yīng)對(duì)措施

0 ?引言

機(jī)器人既是先進(jìn)制造業(yè)的關(guān)鍵支撐裝備，也是改善人類生活方式的重要切入點(diǎn)。機(jī)器人的研發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用是衡量一個(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新、高端制造發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。目前，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了全新的2.0時(shí)代，面向工業(yè)領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)發(fā)展成為一種具備自感知、自決策和自執(zhí)行能力的智能生產(chǎn)機(jī)器。工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，推動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)水平的提升，為社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出重要的貢獻(xiàn)，被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠上的明珠”。

1 ?我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀

相比于西方發(fā)達(dá)國(guó)家而言，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人研究起步較晚，始于20世紀(jì)70年代，大致經(jīng)歷了以下5個(gè)發(fā)展時(shí)期：萌芽期（1970-1985）、技術(shù)研發(fā)期（1986-1990）、原型開(kāi)發(fā)期（1991-2000）、初步工業(yè)化期（2001-2010）和快速發(fā)展期（2011-至今）?，F(xiàn)階段，由于全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及智能制造業(yè)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，我國(guó)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求和應(yīng)用開(kāi)始猛增，當(dāng)前已占全球工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)份額約三分之一，成為全球最大的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)。

目前，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域主要分布于汽車制造行業(yè)、3C電子電氣行業(yè)、金屬加工行業(yè)、塑料及化學(xué)制品行業(yè)等眾多領(lǐng)域，其中汽車制造行業(yè)約占33%，3C電子電氣行業(yè)約占27%，兩者約占據(jù)60%的市場(chǎng)份額。

在國(guó)家政策的大力扶持之下，經(jīng)過(guò)高等院校、科研院所以及企業(yè)的不斷努力，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)得到不斷地發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷地?cái)U(kuò)展，國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人正逐步獲得市場(chǎng)認(rèn)可。但是我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人發(fā)展同樣面臨著巨大的挑戰(zhàn)，一方面，我國(guó)在工業(yè)機(jī)器人控制器、伺服電機(jī)、減速機(jī)等核心零部件方面缺乏自己的核心技術(shù)，嚴(yán)重依賴進(jìn)口。另一方面，發(fā)那科、安川、庫(kù)卡和ABB四大工業(yè)機(jī)器人著名國(guó)際品牌，占據(jù)了國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的約70%份額，使得國(guó)內(nèi)品牌生存空間小，競(jìng)爭(zhēng)激烈。

2 ?國(guó)外工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r

世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人于1962年誕生于美國(guó)，經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，美國(guó)機(jī)器人技術(shù)雄厚，現(xiàn)已成為世界上的機(jī)器人強(qiáng)國(guó)之一。日本和德國(guó)雖然對(duì)工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)晚于美國(guó)，但是日本和德國(guó)取得的成就不容小覷，在工業(yè)機(jī)器人核心技術(shù)方面，日本和德國(guó)幾乎包攬了高端工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域。日本發(fā)那科（FANUC）、安川電機(jī)（YASKAWA）、德國(guó)庫(kù)卡（KUKA）和瑞士ABB被稱為全球工業(yè)機(jī)器人的“四大家族”，占據(jù)約50%的全球市場(chǎng)份額。

德國(guó)于2011年率先提出“工業(yè)4.0計(jì)劃”，“工業(yè)4.0”時(shí)代的機(jī)器人不再是獨(dú)立的單元，而是與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能緊密關(guān)聯(lián)，需要具備與其他智能設(shè)備高度互聯(lián)與實(shí)時(shí)交流、快速處理復(fù)雜信息等多種能力，具備柔性、安全、精確、高速、易操作等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器更協(xié)調(diào)的合作。

日本于2015年1月發(fā)布了《新機(jī)器人戰(zhàn)略》，提出了日本機(jī)器人包括強(qiáng)化易用性、柔性、簡(jiǎn)便性、自主化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化的新發(fā)展方向。為了發(fā)展下一代機(jī)器人，日本還在營(yíng)造創(chuàng)新環(huán)境、加強(qiáng)應(yīng)用型人才建設(shè)、推進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品國(guó)際化等方面制定了一系列的重要舉措。

德國(guó)工業(yè)4.0計(jì)劃和日本新機(jī)器人戰(zhàn)略，對(duì)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展具有十分積極的啟示意義。

3 ?工業(yè)機(jī)器人的核心技術(shù)分析

對(duì)于工業(yè)機(jī)器人而言，減速機(jī)、伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器、操作系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵零部件，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的性能起著決定作用，也是國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的核心競(jìng)爭(zhēng)力所在。

3.1 高精度RV減速機(jī)

高精度RV減速機(jī)具有微進(jìn)給、零側(cè)隙、高剛性、大扭矩和大減速比的特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)高精度RV減速機(jī)產(chǎn)品嚴(yán)重依賴進(jìn)口。高精度RV減速機(jī)的主要關(guān)鍵技術(shù)包括：

3.1.1 嚴(yán)格的材料成型控制技術(shù)

高精度RV減速機(jī)對(duì)基本部件的材料有較高的要求，如：減速齒輪需要具備高耐磨性、高剛性和高精度等性能。因此，特別需要對(duì)材料的化學(xué)元素、元素含量、金相組織以及熱處理工藝等予以嚴(yán)格控制，才能保證關(guān)鍵零件之一的減速齒輪具備高性能，滿足使用要求。

3.1.2 精湛的特殊零件加工技術(shù)

非標(biāo)且結(jié)構(gòu)特殊的軸承是RV減速機(jī)不可或缺的組成部分，其間隙需要依據(jù)減速機(jī)零部件加工尺寸進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。因此，需要具備精湛的零件加工技術(shù)，能夠?qū)μ厥獾牧悴考龅骄珳?zhǔn)地加工。

3.2 高精度電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器

工業(yè)機(jī)器人的精準(zhǔn)控制離不開(kāi)高精度伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，需要注重以下主要關(guān)鍵技術(shù)：

3.2.1 快速響應(yīng)伺服控制技術(shù)

利用綜合性能指標(biāo)優(yōu)化的預(yù)測(cè)控制方法，建立電機(jī)的內(nèi)部預(yù)測(cè)模型及其閉環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)電機(jī)的電流環(huán)直接進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的響應(yīng)控制技術(shù)。

3.2.2 在線參數(shù)自整定技術(shù)

利用在線優(yōu)化算法，辨別系統(tǒng)參數(shù)，在線進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。另外通過(guò)慣量辨識(shí)算法，伺服驅(qū)動(dòng)器可以自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)以適應(yīng)實(shí)際工況的變化，實(shí)現(xiàn)參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整功能。

3.3 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求很高，通用的操作系統(tǒng)消息處理機(jī)制會(huì)導(dǎo)致實(shí)時(shí)性難以滿足運(yùn)動(dòng)控制的要求。目前，主流的工業(yè)機(jī)器人采用專門(mén)定制的運(yùn)動(dòng)控制卡，配以使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和運(yùn)動(dòng)的精確控制。

4 ?工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 智能化程度更高

在信息化時(shí)代下，人工智能是大勢(shì)所趨，未來(lái)工業(yè)機(jī)器人將會(huì)擁有更高程度的智能化。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，增強(qiáng)了工業(yè)機(jī)器人的學(xué)習(xí)能力和解決問(wèn)題的能力，促進(jìn)了工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等感官功能的提升，使機(jī)器人具備了感知環(huán)境變化并作出自主調(diào)整的能力。未來(lái)的工業(yè)機(jī)器人與人、環(huán)境的關(guān)系能夠更加協(xié)調(diào)。

4.2 整體性能更強(qiáng)，控制系統(tǒng)更完善

計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的不斷提升，使機(jī)器人的整體性能不斷增強(qiáng)，控制系統(tǒng)得到不斷地優(yōu)化與完善，作為工業(yè)機(jī)器人核心構(gòu)成的控制系統(tǒng)呈現(xiàn)出統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化的特征。未來(lái)工業(yè)機(jī)器人的操作使用將更加方便快捷，模塊化功能將更容易調(diào)整和維護(hù)。

4.3 應(yīng)用范圍更加廣泛

工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍不再局限于工業(yè)領(lǐng)域，會(huì)不斷向著服務(wù)領(lǐng)域方向發(fā)展，如清掃機(jī)器人、早教機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人、引導(dǎo)機(jī)器人等。還有一些機(jī)器人用于特殊環(huán)境和場(chǎng)合，如救災(zāi)機(jī)器人、國(guó)防機(jī)器人、探測(cè)機(jī)器人等。另外，仿生類機(jī)器人也越來(lái)越多的得到研制應(yīng)用，如仿生寵物狗，它不僅可愛(ài)會(huì)叫，而且會(huì)撒嬌，給人們帶來(lái)了樂(lè)趣還避免了不少的麻煩。

5 ?我國(guó)如何應(yīng)對(duì)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的建議

首先，我們應(yīng)該加快制訂完善工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)各項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步完善我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)化體系，積極參與國(guó)際交流與合作，實(shí)現(xiàn)同國(guó)際工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)對(duì)接，加強(qiáng)規(guī)范國(guó)家對(duì)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)及技術(shù)創(chuàng)新方面的政策扶持。為我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展提供必要的依據(jù)與支持。

其次，對(duì)工業(yè)機(jī)器人核心技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，突破原材料、減速機(jī)、控制器、伺服電機(jī)等技術(shù)瓶頸問(wèn)題，推進(jìn)核心零部件國(guó)產(chǎn)化，降低產(chǎn)品制造成本。進(jìn)一步推動(dòng)機(jī)器人市場(chǎng)需求，拓展應(yīng)用領(lǐng)域，目前我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人，在一些危險(xiǎn)、有毒等特殊領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)不足。拓展應(yīng)用領(lǐng)域，促進(jìn)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

最后，注重應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。加強(qiáng)力度培養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用型人才不能僅僅依靠職業(yè)院校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的方式，需要鼓勵(lì)推進(jìn)高校、科研院所和企業(yè)之間加強(qiáng)合作，聯(lián)合培養(yǎng)多層次應(yīng)用型人才，實(shí)現(xiàn)人才的培養(yǎng)與社會(huì)的需求更好地銜接。培養(yǎng)人才，為工業(yè)機(jī)器人的健康持續(xù)發(fā)展提供重要的保障。

6 ?結(jié)束語(yǔ)

全球工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，將會(huì)帶來(lái)一次新的技術(shù)變革。我國(guó)應(yīng)該積極抓住機(jī)遇，勇于面臨挑戰(zhàn)，推動(dòng)我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，推進(jìn)我國(guó)由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，必將為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn)。然而，我們也不能忽視機(jī)器人的發(fā)展可能帶來(lái)的負(fù)面影響，比如：失業(yè)問(wèn)題、珍貴資源浪費(fèi)問(wèn)題、智能機(jī)器人失控問(wèn)題等不利影響，我們需要做到三思而行、權(quán)衡利弊，做到防患于未然，保證我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)能夠朝著持續(xù)、健康、快速的道路發(fā)展。

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