淺談工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展及應(yīng)用

楊濤 米君昊

摘 要：在2015年國(guó)家提出“中國(guó)制造2025”這個(gè)戰(zhàn)略計(jì)劃，在步入“中國(guó)制造2025”中，工業(yè)機(jī)器人是關(guān)鍵的一部分，實(shí)現(xiàn)工業(yè)智能化，工業(yè)機(jī)器人是必不可少的，本文主要針對(duì)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史、趨勢(shì)以及應(yīng)用做探討，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)出相關(guān)工業(yè)或者其他方面可減輕勞動(dòng)力、提升工作效率的機(jī)器人做理論參考。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人 發(fā)展歷史 發(fā)展現(xiàn)狀 應(yīng)用范圍

1 引言

“機(jī)器人”一詞主要產(chǎn)生于捷克劇作家卡雷爾·凱培克，而阿西莫夫在1940年提出了“機(jī)器人三守則”，進(jìn)一步拉近了機(jī)器人與人之間的距離。在20世紀(jì)50年代，提出了人工智能的概念，而作為人工智能最重要的技術(shù)應(yīng)用之一，就是工業(yè)機(jī)器人。根據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)盟 （ International Federation of Robotics，以下簡(jiǎn)稱IFR） 定義，工業(yè)機(jī)器人是“在工業(yè)自動(dòng)化中使用的、可重復(fù)編程的、多用途自動(dòng)控制操作機(jī)”，并可依靠人工智能技術(shù)進(jìn)行編程從而實(shí)現(xiàn)各種制造功能的機(jī)器設(shè)備，也是工業(yè)4.0的重要代表[1]。2015年國(guó)家提出“中國(guó)制造2025”，工業(yè)機(jī)器人的需求量也逐漸擴(kuò)大，利用智能化代替人力，從而提高效率。隨著技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人的需求占到全球總量的三分之一，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用也成為關(guān)鍵[2]。

2 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史

2.1 國(guó)外工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史

在20世紀(jì)50年代，約瑟夫·恩格爾貝格利用伺服系統(tǒng)的靈感于喬治·德沃爾發(fā)明了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人并在通用汽車的生產(chǎn)車間使用。20世紀(jì)60年代開(kāi)始，工業(yè)機(jī)器人進(jìn)一步發(fā)展，機(jī)器人傳感器的應(yīng)用提高了機(jī)器人的可操作性，包括恩斯特采用的觸覺(jué)傳感器等。緊接著，美國(guó)、英國(guó)等知名大學(xué)陸續(xù)成立了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室[3]。70年代以后，機(jī)器人和以機(jī)器人為核心的自動(dòng)化設(shè)備在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用非?；钴S[4]。當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人最大的生產(chǎn)商為日本，它占據(jù)著整個(gè)世界40%左右的生產(chǎn)力，由于日本政府大力支持以及一定的專業(yè)基礎(chǔ)，日本已經(jīng)成為世界上最先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)國(guó)家。

2.2 國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史

20世紀(jì)70年代，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)才開(kāi)始起步，1986年，國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）開(kāi)始實(shí)施，經(jīng)過(guò)幾年的努力，成功研制了特種機(jī)器人。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制了6000m水下機(jī)器人并在1995年9月完成了6000m深海實(shí)驗(yàn)，這使我國(guó)跨入世界機(jī)器人先進(jìn)行列。我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的潛在市場(chǎng)比較大，所以有著充足的研發(fā)動(dòng)力。

3 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

工業(yè)機(jī)器人在全球范圍的應(yīng)用規(guī)模增長(zhǎng)迅猛，根據(jù)IFR（國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)）發(fā)布的最新報(bào)告，全球工業(yè)機(jī)器人銷量在2019年時(shí)已達(dá)近40萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)2%左右。日本、德國(guó)的工業(yè)機(jī)器人水平全球領(lǐng)先，四大家族的機(jī)器人依舊為全球主要的工業(yè)機(jī)器人供應(yīng)商，德國(guó)工業(yè)機(jī)器人在原材料、本體零部件和系統(tǒng)集成方面有一定優(yōu)勢(shì)。

3.2 國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

從2013年以來(lái)，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)開(kāi)始迅速增長(zhǎng)，成為全球最大的市場(chǎng)，根據(jù)IFR統(tǒng)計(jì)，2018年，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)累計(jì)銷售工業(yè)機(jī)器人15.6萬(wàn)臺(tái)，占全球的比重達(dá)到36%，年銷量連續(xù)第六年位居世界首位[5]。在國(guó)家、地方政策的引導(dǎo)下，到2020年，我國(guó)機(jī)器人的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)突破100億美元，其中工業(yè)機(jī)器人的比重占到60%左右[6]。

4 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

4.1.1 人機(jī)協(xié)作

傳統(tǒng)的機(jī)器人必須遠(yuǎn)離人類，在保護(hù)圍欄或者其他屏障之后，以免人類受到傷害，這限制了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用效果，人機(jī)協(xié)作將人的認(rèn)知能力與機(jī)器人的效率結(jié)合在一起，從而使人可以安全、簡(jiǎn)便的進(jìn)行使用，這樣也使編程更簡(jiǎn)單，同時(shí)降低了對(duì)操作人員的要求。

4.1.2 自主化

現(xiàn)在的機(jī)器人主要是依靠預(yù)編程、示教再現(xiàn)控制等操作模式進(jìn)行控制，后期機(jī)器人的發(fā)展逐漸向自主學(xué)習(xí)、自主作業(yè)等方向發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人可以根據(jù)實(shí)際的工作環(huán)境、工作內(nèi)容，自動(dòng)設(shè)定和優(yōu)化軌跡路徑，進(jìn)行檢測(cè)，避開(kāi)障礙等功能。

4.2 產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

隨著各工業(yè)大國(guó)提出機(jī)器人產(chǎn)業(yè)政策，比如說(shuō)德國(guó)的工業(yè)4.0、日本機(jī)器人新戰(zhàn)略，美國(guó)先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃、中國(guó)十三五規(guī)劃與《中國(guó)制造2025》等國(guó)家級(jí)政策，促使工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)持續(xù)發(fā)展，IFR預(yù)計(jì)到2024年全球工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量銷售額達(dá)到355.0億美元。

5 工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用

隨著機(jī)器人應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)大，市場(chǎng)需求主要在汽車、電子設(shè)備以及金屬制造等領(lǐng)域。

5.1 汽車行業(yè)的應(yīng)用

汽車車身的制造分為四大工藝，沖壓、焊裝、涂裝、總裝，工業(yè)機(jī)器人在這些工藝中，主要承擔(dān)上下料、焊接、噴漆涂裝、碼垛搬運(yùn)等工作。在沖壓環(huán)節(jié)，工業(yè)主要用于沖壓零件的上下料搬運(yùn)工作，為打造輕量化車身，大負(fù)載機(jī)器人就可承擔(dān)很多工作，可以完成很多大重量的零件。為完成一個(gè)漂亮的車身，機(jī)器人與整個(gè)產(chǎn)線的夾具協(xié)作配合，將每塊鐵皮鏈接，完成車身的制造。最后利用工業(yè)機(jī)器人完成整車噴涂、涂膠、玻璃安裝等工作，在減少人力的同時(shí)，還保證了安裝效果，減少了工作時(shí)間，提高了工作效率。

5.2 電子行業(yè)的應(yīng)用

人們對(duì)電子產(chǎn)品的要求越來(lái)越高，而電子產(chǎn)品的價(jià)格卻逐漸降低，現(xiàn)在一部低端的智能手機(jī)的價(jià)格在1000元左右，然而，如果使用工人來(lái)完成手機(jī)的組裝，不僅耗費(fèi)高人力，組裝的效果還不能滿足生產(chǎn)要求。工業(yè)機(jī)器人的引入，解決了這些問(wèn)題，在手機(jī)生產(chǎn)領(lǐng)域，更是解決將流程做到了自動(dòng)化。

5.3 制造業(yè)的應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域應(yīng)用較多，比如參與加工制造，在生產(chǎn)過(guò)程中，用機(jī)器人代替人工，完成上下料、零部件搬運(yùn)等工作，可完成批量生產(chǎn)，提高工作效率。工業(yè)機(jī)器人還可輔助數(shù)控折彎?rùn)C(jī)工作，在定位臺(tái)和翻轉(zhuǎn)架領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，機(jī)器人在折彎施教的耗費(fèi)時(shí)間較少，在防盜門(mén)、電梯等加工生產(chǎn)中，應(yīng)用廣泛。

工業(yè)機(jī)器人還可在數(shù)控機(jī)床沖壓集成功能中發(fā)揮巨大作用，它的使用，能夠增強(qiáng)數(shù)控生產(chǎn)線的柔性，確保生產(chǎn)效率的同時(shí)，還能確保機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)。在熱模鍛領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)器人可以代替數(shù)控機(jī)床完成操作，節(jié)省了時(shí)間[7]。

5.4 食品行業(yè)的應(yīng)用

機(jī)器人的運(yùn)用范圍越來(lái)越廣泛，很多傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域人們也逐漸用及其來(lái)代替人類工作，比如食品工業(yè)。目前，人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)制造出包裝罐頭機(jī)器人、自動(dòng)午餐機(jī)器人、切割牛肉機(jī)器人等。

例如切割牛肉機(jī)器人，雖然牛的身體結(jié)構(gòu)差不多，但還是有很多不同的地方，為最大限度的保證牛肉的使用率，機(jī)器人要選擇每頭牛的最佳切割方法，機(jī)器人系統(tǒng)會(huì)模擬技術(shù)純熟的屠宰工人的動(dòng)作，完成牛肉的切割。

5.5 其他行業(yè)的應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人不僅僅用在上述幾個(gè)行業(yè)，隨著逐漸的機(jī)器化，越來(lái)越多的行業(yè)對(duì)機(jī)器人的需求量增加。

比如化工行業(yè)，在產(chǎn)品生產(chǎn)中要保證一個(gè)潔凈的化境，潔凈度的高低還直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，工業(yè)機(jī)器人可以嚴(yán)格按照產(chǎn)品生產(chǎn)要求完成生產(chǎn)。

比如玻璃行業(yè)，現(xiàn)在的絕大多數(shù)玻璃制造廠，主要依靠人力制造、搬運(yùn)，而隨著科技的發(fā)展，對(duì)于玻璃的潔凈度要求越來(lái)越高，有些潔凈度要求非常高的玻璃，人工是無(wú)法完成的，這個(gè)時(shí)候工業(yè)機(jī)器人可以代替人力完成，而且在搬運(yùn)過(guò)程中，工業(yè)機(jī)器人可以更好的代替人力，完成搬運(yùn)，還保證了潔凈度。

比如家用電器行業(yè)，家用電器的大型設(shè)備領(lǐng)域?qū)?jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)率的要求也越來(lái)越高，降低工藝成本，提高生產(chǎn)效率成為重中之重，使用機(jī)器人可以更經(jīng)濟(jì)有效的完成生產(chǎn)、加工、搬運(yùn)、測(cè)量和檢驗(yàn)工作，由此可以確保生產(chǎn)流水線的物料流通順暢，同時(shí)始終保持恒定高產(chǎn)量。工業(yè)機(jī)器人可以運(yùn)用到家用電器生產(chǎn)工藝流程的所有方面。

6 結(jié)語(yǔ)

機(jī)器人從示教再現(xiàn)等原有操作模式逐漸向自主學(xué)習(xí)、自主作業(yè)的方向發(fā)展。未來(lái)，工業(yè)機(jī)器人將更小，更輕，更靈活，為了確保國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速率和質(zhì)量，就必須不斷創(chuàng)新發(fā)展生產(chǎn)技術(shù)，打破傳統(tǒng)人工生產(chǎn)，通過(guò)發(fā)展工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，提高我國(guó)制造業(yè)乃至整個(gè)工業(yè)的裝備技術(shù)水平，以增強(qiáng)我國(guó)的國(guó)家安全與綜合國(guó)力。

參考文獻(xiàn)：

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