淺談工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀

曾棋俊 安鵬芳 陶泉兆

摘 要：工業(yè)機器人是集各種技術(shù)于一身的先進產(chǎn)物，相比以往，在工業(yè)、醫(yī)療、生活、教育等諸多方面，工業(yè)機器人帶來的改變無疑是顛覆性的。在第一臺工業(yè)機器人誕生時，就足以看出這是具有劃時代性的。全球主要機器人品牌競爭激烈，工業(yè)機器人的功能、性能不斷更新，市場規(guī)模的年均增長率持續(xù)提升。本文以國內(nèi)外的工業(yè)機器人的發(fā)展，以及工業(yè)機器人的技術(shù)革新與各項技術(shù)融合作為研究對象，將國內(nèi)外機器人應用技術(shù)進行了對比，研究了我國機器人使用總占比率、國內(nèi)行業(yè)分布近況，并對下一代機器人的發(fā)展做了推測。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人技術(shù)融合技術(shù)運用未來發(fā)展前景分析

我國是制造大國，同時也是人口大國，在工業(yè)方面，不僅種類眾多，崗位也是數(shù)不勝數(shù)，自我國擁有工業(yè)機器人后，制造面貌逐年發(fā)生變化，尤其在近年，工業(yè)機器人在我國得到飛速發(fā)展，代替人工的優(yōu)勢被逐漸擴大，同時也帶來了一大批新興崗位，而許多院校設(shè)有工業(yè)機器人專業(yè)，這為我國培養(yǎng)了一大批新型技術(shù)人才，更為我國實現(xiàn)制造強國的目標奠定了一定基礎(chǔ)。高新技術(shù)的大步邁進，全球逐步踏入智能化、數(shù)字化、信息化時代，近年來各項前沿技術(shù)在工業(yè)機器人領(lǐng)域正逐漸呈現(xiàn)出蓬勃的景象。工業(yè)機器人應用面較廣，不僅可減少人口勞動力，還能有效地控制成本，尤其在工業(yè)方面已然具有不可或缺的作用。同時，智能時代的到來標志著工業(yè)機器人的功能將更加人性化，其應用將給人們的生活和工作帶來更大的價值。

我國工業(yè)機器人在2015—2019年期間，總體取得了很好的銷售情況，市場銷售額度超過363億人民幣，發(fā)展上升態(tài)勢逐年增高，其帶來的技術(shù)改革深遠影響具有核心優(yōu)勢。本文以我國工業(yè)機器人技術(shù)的成長態(tài)勢、發(fā)展空間與機會為主要研究出發(fā)點，對未來的市場趨勢和機遇提出了新看法。同時，基于我國工業(yè)機器人的運用領(lǐng)域及狀態(tài)，結(jié)合國外工業(yè)機器人制造商的主要品牌進行了對比分析，并對我國工業(yè)機器人未來發(fā)展機會、運用空間進行了大致趨勢的判斷。

1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

工業(yè)機器人主要為模仿人的工作行為，代替人的工作而設(shè)計制造，因其具有智能化及先進性等特點，也象征了一個國家所具有的科技發(fā)展水平與科技力量國際地位[1-2]。

在智能化、數(shù)據(jù)化、自動化的背景下，全球各國家積極推動本國工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展。目前，由于工業(yè)機器人的全球市場逐年穩(wěn)定增長，工業(yè)機器人的成品數(shù)量再創(chuàng)新高。工業(yè)機器人在全球各區(qū)域取得了大量應用，代表了一個國家的自動化平，同時也是一個國家是否具有長期投入研發(fā)能力的體現(xiàn)。工業(yè)機器人近年來高速發(fā)展，其展現(xiàn)出的各項優(yōu)勢引起了全球各制造大國及制造廠商的廣泛關(guān)注。

工業(yè)機器人不僅具有更高的連續(xù)工作效率與更長的工作時間，可減少人力成本而增加產(chǎn)品效益與質(zhì)量，更重要的是適應時代的發(fā)展，幫助人類邁步進入“工業(yè)4.0”，打造智能時代。現(xiàn)階段，大量制造企業(yè)迫切想要進行轉(zhuǎn)型，跟上時代步伐，因此在原有的基礎(chǔ)上做出改變。而絕大部分企業(yè)首選應用工業(yè)機器人替換掉人工[3]。

越來越集中的工業(yè)機器人市場逐漸由世界各個強國占領(lǐng)，美國、韓國、中國、日本、德國和其他國家占全球銷量的73%。中國是工業(yè)機器人領(lǐng)域的后來者，也正因如此，我國擁有龐大的銷售市場，在《中國智造2025》的背景下，我國在工業(yè)機器人領(lǐng)域的發(fā)展前景無疑是潛力巨大。

國外知名工業(yè)機器人制造商有日本FANUC、那知Syusuke Fuji、川崎重工、愛普生安川電機、瑞士ABB、德國KUKA、瑞士Stabile、意大利Coma等。目前，國內(nèi)在工業(yè)機器人領(lǐng)域較具備實力的工業(yè)機器人公司有江蘇哈工智能機器人、埃斯頓自動化、廣州昊志機電、上海新時達電氣、廣州數(shù)控設(shè)備、沈陽新松機器人自動化、埃夫特智能裝備、深圳匯川技術(shù)、上海節(jié)卡機器人、江蘇北人機器人系統(tǒng)、廣東拓斯達等。其中，匯川技術(shù)的經(jīng)營業(yè)務在六自由度機器人等核心部件;哈工智能對應智能制造業(yè);江蘇北人在焊接機器人的系統(tǒng)集成領(lǐng)域有一定建樹;拓斯達主要面向于工業(yè)機器人及自動化應用系統(tǒng);新時達面向機器人及運動控制類型產(chǎn)品。目前，我國各大工業(yè)機器人公司的發(fā)展態(tài)勢呈上升趨勢，由此可見，我國的工業(yè)機器人制造已形成良好的制造體系，為工業(yè)機器人領(lǐng)域技術(shù)的提升奠定了基礎(chǔ)、創(chuàng)造了機會。

我國工業(yè)機器人在各領(lǐng)域的應用市場已居世界第一位，其產(chǎn)量也在逐年增加。然而，在主要部件方面仍與其他強國存在一定差距，特別是在控制器、減速器、伺服電機3個方面。而在工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)規(guī)模方面，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)相對薄弱，尚未形成能夠支撐長期面對波動市場的發(fā)展體系。發(fā)展工業(yè)機器人核心高端技術(shù)，需要很長的時間去探索、試錯。國外主要大型工業(yè)機器人廠商擁有許多核心技術(shù)，其大量地應用于高精制造與裝配、汽車的大批量焊接與部件搬運、冶金、芯片制造等。我國工業(yè)機器人在上述領(lǐng)域也均有應用，但不少還處于碼垛、搬運等較為中低端的領(lǐng)域。此外，其長時間使用質(zhì)量、壽命、精度不高，缺乏高精技術(shù)人員，受到國外關(guān)鍵零部件的壟斷，也是阻礙我國工業(yè)機器人發(fā)展的部分原因。

截至2020年，我國長期占據(jù)工業(yè)機器人市場的大部分，在2019年，全球工業(yè)機器人銷售額中我國就占據(jù)了其中的43.81%。而緊跟其后的日本，銷量為4.99萬臺，占全球銷量的15.56%;美國銷量為3.33萬臺，占全球銷量的10.38%;韓國銷量為2.79萬臺，占全球銷量的8.70%;德國銷量為2.05萬臺，占全球銷量的6.39%;意大利銷量為1.11萬臺，占全球銷量的3.46 %。目前，我國工業(yè)機器人增速為全球最快，剩余各國工業(yè)機器人銷量都較為低迷。面對新冠疫情，我國因?qū)嵤┝擞行侄?，疫情得以快速控制，?jīng)濟也得以快速恢復，而其他各國受疫情影響，不得不長時間關(guān)閉制造企業(yè)，這對正飛速發(fā)展中的工業(yè)機器人或多或少都會產(chǎn)生負面影響。

我國目前相對具有實力的工業(yè)機器人企業(yè)大多分布于中長三角與西部地區(qū)，以及環(huán)渤海、珠三角地區(qū)[4]。其各有各的優(yōu)缺點，例如：中西部地區(qū)能提供的科技、資源不足;其中珠三角地區(qū)的應用市場相對較大，且在控制系統(tǒng)方面具有一定優(yōu)勢;環(huán)渤海地區(qū)以AGV技術(shù)、焊接機器人為主要方向，在科研方面具有優(yōu)勢;長三角與珠三角同樣具有較大的工業(yè)機器人應用市場，尤其是與國外的企業(yè)合作較多，經(jīng)驗、技術(shù)更為扎實，同時有可能成為我國最大的工業(yè)機器人研發(fā)、應用基地。

近年來，隨著我國工業(yè)機器人技術(shù)的蓬勃發(fā)展，應用的行業(yè)更加廣泛，越來越多的企業(yè)對工業(yè)機器人的需求在逐漸增加，這也積極推動了工業(yè)機器人技術(shù)向更好的方向發(fā)展?，F(xiàn)代工業(yè)機器人的發(fā)展很有可能在未來工業(yè)領(lǐng)域中做出重要貢獻，特別是在《中國制造2025》規(guī)劃中，將機器人作為十大重點發(fā)展方向之一。

我國許多大型汽車制造企業(yè)逐漸引用工業(yè)機器人代替人工，在汽車領(lǐng)域的工業(yè)機器人使用率達到了38%。其余占比較大的3C、金屬加工、家用電器行業(yè)分別為23%、13%、10%。后續(xù)衍生出的芯片封裝機器人、激光打標機器人在元器件、芯片、電子零件生產(chǎn)組裝與包裝產(chǎn)業(yè)中的應用也相當普遍。由于工業(yè)機器人的工作環(huán)境廣泛，以及工業(yè)機器人具有的高效率、高精度、高穩(wěn)定的工作特點，其還應用到了鋼鐵鑄造、食品加工包裝、玻璃制造行業(yè)，例有專門用于焊接的機器人、對整體外形進行切割分離的機器人、產(chǎn)品封裝的機器人等。這些占比大的行業(yè)也是我國主要的機器人應用市場，同時，也迫切需要更高標準的工業(yè)機器人給企業(yè)帶來更高的經(jīng)濟效益，帶動我國工業(yè)機器人在這些領(lǐng)域的發(fā)展。

20世紀70年代，工業(yè)機器人技術(shù)得以快速發(fā)展，此階段工業(yè)機器人逐漸擁有更多功能，開始能夠進行離線編程等操作。而工業(yè)機器人的應用在此時期也逐漸踏入商業(yè)化，出現(xiàn)了以ABB、安川、庫卡、發(fā)那科為代表的工業(yè)機器人品牌。

從20世紀80年代開始，逐漸走向智能化，開始步入各領(lǐng)域。在商業(yè)化規(guī)模擴大的同時，工業(yè)上的應用密度更是顯著提高。全球走向智能化，許多國家對工業(yè)機器人的需求日益增長，這也進一步擴大了工業(yè)機器人的市場，給各個國家?guī)砹艘欢ǖ慕?jīng)濟效益。

我國在工業(yè)機器人技術(shù)領(lǐng)域相對國外起步較晚，缺乏關(guān)鍵技術(shù)，在后續(xù)發(fā)展中多次受到制約。我國在20世紀70年代陸續(xù)開始相關(guān)的技術(shù)研究，受國家當時的經(jīng)濟、技術(shù)、人才等條件約束，主要的研究實施方向在工業(yè)機器人的理論方面。20世紀90年代，由于國外工業(yè)機器人的蓬勃發(fā)展，我國越來越重視工業(yè)機器人的發(fā)展。在此期間，大量資金投入到工業(yè)機器人的研究中，工業(yè)機器人在我國逐漸穩(wěn)定下來。與此同時，研發(fā)出的新類型工業(yè)機器人，為我國的技術(shù)實踐提供了很大幫助。同時，使得我國擁有一批專業(yè)化的機器人產(chǎn)業(yè)化基地，這宣告著我國工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)發(fā)展得到了進一步提高[5]。21世紀，國內(nèi)出現(xiàn)了一大批國產(chǎn)企業(yè)，在自主研發(fā)與國家科研院合作的同時，收購了國外知名企業(yè)達98%的股份，為我國進一步提升相關(guān)技術(shù)能力、加快我國工業(yè)機器人的發(fā)展、提高我國工業(yè)機器人市場經(jīng)濟做出了碩大貢獻。

2工業(yè)機器人基本構(gòu)成

工業(yè)機器人主體可分為機械部分、傳感部分和控制部分。其機械部分主要由手部、手腕、手臂、機身四部分構(gòu)成[6]。工業(yè)機器人的關(guān)鍵技術(shù)就在于：交互系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信、示教編程、控制系統(tǒng)、傳感檢測。其核心技術(shù)目前都主要由世界主要發(fā)達國家掌握，其蘊含的先進技術(shù)成為一個國家的智能智造水平高度體現(xiàn)，因此工業(yè)機器人的相關(guān)核心技術(shù)在自動化、智能化、數(shù)字化制造領(lǐng)域極具代表性、前沿性、先進性。

交互系統(tǒng)主要分為人機交互與環(huán)境交互。人機交互決定了人類是否能通過交互來獲得工業(yè)機器人系統(tǒng)信息來進行下一步操作。通過交互系統(tǒng)，可以實現(xiàn)人類與工業(yè)機器人更加高效率的協(xié)同工作。環(huán)境交互不僅可以應用在單臺工業(yè)機器人上，還能在多臺設(shè)備、多臺工業(yè)機器人、多個存儲裝置中集成為一個具有執(zhí)行復雜的工作任務的生產(chǎn)單元。環(huán)境交互的意義在于，通過實現(xiàn)工業(yè)機器人與周圍工作環(huán)境的協(xié)作、協(xié)調(diào)系統(tǒng)，避免工業(yè)機器人與周圍設(shè)備發(fā)生沖突。工業(yè)機器人無論運行、維修、調(diào)試還是編程，都需要進行網(wǎng)絡(luò)通信，其中最常見的莫過于ProfiNet（工業(yè)以太網(wǎng)），有利于構(gòu)建基礎(chǔ)的控制網(wǎng)絡(luò)。

離線編程和示教編程是工業(yè)機器人常用的編程方式[7]。示教器編程時，工業(yè)機器人處于停機狀態(tài)，在工業(yè)機器人的實際系統(tǒng)上進行編程操作、試驗程序，示教編程方式總的可以分為集中示教方式和分離示教方式。離線編程通過允許的仿真軟件完成，可以實現(xiàn)復雜環(huán)境、復雜動作軌跡的編程，并且編程時不影響工業(yè)機器人的運行。

工業(yè)機器人控制器主要為控制系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定的物理平臺，其重要性著重體現(xiàn)在對控制系統(tǒng)的性能和可擴展性，是工業(yè)機器人系統(tǒng)中重要性極高的部分。其控制器對于工業(yè)機器人主要實現(xiàn)的功能為坐標設(shè)定與伺服驅(qū)動。工業(yè)機器人控制器的功能包括多任務功能、網(wǎng)絡(luò)功能、操作歷史記錄功能、海量存儲、用戶接口豐富。機器人控制系統(tǒng)按其控制方式可分為集中控制系統(tǒng)、主從控制系統(tǒng)、分散控制系統(tǒng)，其主要負責系統(tǒng)的運行狀態(tài)，負責控制示教位置、運動軌跡、邏輯動作順序、工作速度，以及工業(yè)機器人運行中的許多其他關(guān)鍵因素。

傳感系統(tǒng)包含內(nèi)部與外部之分，執(zhí)行機構(gòu)包含驅(qū)動裝置、傳動裝置、執(zhí)行構(gòu)件三部分，控制系統(tǒng)包含控制柜與示教器。

工業(yè)機器人的傳感與感知通過合理利用對應傳感器，去感知環(huán)境條件與內(nèi)部部件的信息。內(nèi)部傳感器一般情況下安裝在機器人本體內(nèi)或者控制系統(tǒng)內(nèi)，是工業(yè)機器人完成運動控制的傳感器，進行采集信息的功能占主要部分。外部傳感器對工業(yè)機器人在工作環(huán)境所處位置、與工件之間的接觸距離、機器人與抓握對象間滑移程度、作用在末端執(zhí)行器上的各向力和力矩、夾持物體時的受力情況進行檢測。其中，大致種類有接近度傳感器、觸覺傳感器、電磁傳感器、仿生傳感器、壓力傳感器、滑覺傳感器、傾角傳感器、力矩傳感器、紅外傳感器、碰撞傳感器、加速度傳感器、角度傳感器等。

機械手主要由機械臂、傳感器、驅(qū)動裝置和傳動裝置組成，其中機械臂是工業(yè)機器人的主要載體和動作執(zhí)行機構(gòu)。工業(yè)機器人的驅(qū)動機構(gòu)是重要組成部分，其中以氣壓方式和液壓方式為大部分機器人的驅(qū)動類型。工業(yè)機器人的動力連接、運動連接則由傳PLC在工業(yè)機器人中的應用主要體現(xiàn)在以下6點：運動控制、信息控制、開關(guān)量控制、聯(lián)網(wǎng)與通信、模擬量控制、信號監(jiān)控。如果需要PLC去處理模擬量就需要將模擬量離散化、數(shù)字化轉(zhuǎn)換，再進行存儲，最后進行模擬輸出。信息控制包含了數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)采集、變換、處理數(shù)表、傳輸?shù)裙δ?，對工業(yè)機器人的內(nèi)外部分的數(shù)據(jù)進行采集處理。

自動化程序的控制基本都由PLC來實現(xiàn)，工業(yè)機器人獲得的各種信息由PLC處理后提供給工業(yè)機器人，因此在工業(yè)機器人系統(tǒng)集成方面也是作為重點突破點之一。

我國工業(yè)機器人正朝向更加智能化的關(guān)鍵點邁進，突破核心技術(shù)，應用于更加廣泛工業(yè)領(lǐng)域，相信技術(shù)發(fā)展空間會進一步擴大[8]。

3未來發(fā)展機會與趨勢

一個國家科技水平、制造水平可以從工業(yè)機器人的應用率中得出部分結(jié)論，因此工業(yè)機器人對一個國家而言具有很強的代表性。我國擁有全球最大的制造體系，隨著國內(nèi)相關(guān)政策紅利不斷出臺，國內(nèi)工業(yè)機器人行業(yè)產(chǎn)量不斷上升。

2020年，新冠肺炎疫情爆發(fā)，在短短幾個月內(nèi)的時間里遍布全球，這導致全球工業(yè)機器人市場規(guī)?？s小。然而，由于我國及時采取了有效的措施，新冠疫情很快得到控制，因此，對我國的工業(yè)機器人影響不大。在2020年，我國工業(yè)機器人行業(yè)整體市場銷售額突破了400億人民幣，結(jié)合我國工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀，加上不久前在減速機領(lǐng)域取得的成就，預計，未來的市場銷量將保持增長態(tài)勢，在2025年達到接近900億人民幣的整體市場容量。我國的工業(yè)機器人市場在汽車制造、3C、機加工、電子電氣方面的應用體現(xiàn)最多，目前仍然在逐步增長。隨著我國智能化水平的提高，工業(yè)機器人的技術(shù)水平更加成熟，有望在醫(yī)藥、化學、服裝等行業(yè)中獲得更廣泛的應用。

提高我國工業(yè)機器人的關(guān)鍵技術(shù)，同時也代表著我國在智能制造領(lǐng)域的技術(shù)增長。在我國應用市場中，工業(yè)機器人多樣化的發(fā)展與需求將會有更加廣闊的空間。國家越來越重視人才的創(chuàng)新能力、技術(shù)能力，通過各類競賽選拔出了一批又一批的技能人才。許多高校響應國家政策，陸續(xù)開設(shè)了智能控制、工業(yè)機器人等諸多智能化方向?qū)I(yè)，開展面向工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)的現(xiàn)場編程、離線編程、離線仿真等多方位一體教學[9]。這為我國未來的智能人才培養(yǎng)創(chuàng)造了良好的條件，為我國工業(yè)機器人領(lǐng)域在未來的深入研發(fā)能力和持續(xù)創(chuàng)新能力提供了持續(xù)的動力。

目前，我國工業(yè)機器人企業(yè)整體規(guī)模不大，相比國外已經(jīng)擁有長期經(jīng)驗、深厚技術(shù)的企業(yè)，仍然存在一定差距。國內(nèi)中小型企業(yè)技術(shù)水平不高，大量偏于低端產(chǎn)業(yè)，相比國外品牌競爭力差距明顯。但是，未來我國長期存在的優(yōu)勢在于擁有全球最大的應用市場，因此，具有較大的試錯空間。同時，要加大研發(fā)力度，突破壁壘，引進國外先進技術(shù)，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上學習具有良好效果的制造體系，后期演化成符合自身國情的制造體系。

我國工業(yè)機器人在自主研發(fā)的同時，也在不斷追求智能化、人性化、標準化、仿生化、系統(tǒng)化，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，國家相關(guān)政策給予了有力支持，在與國外企業(yè)合作的同時，也創(chuàng)造了有利的發(fā)展條件。隨著我國工業(yè)機器人的性價比的提高，其也逐漸走向國外，占據(jù)國外一部分市場，同時擁有了更多的發(fā)展空間及學習機會。

在軍事與基建等方面，也同樣立足于當下國家經(jīng)濟發(fā)展的巨大需要，專門打造了屬于本國的工業(yè)機器人，并同樣以這些工業(yè)機器人為原型加以推廣升級，是中國特色的工業(yè)機器人的主要發(fā)展升級路線[10]。我國的工業(yè)機器人已經(jīng)經(jīng)歷了30年的研發(fā)，現(xiàn)已達到了一定的技術(shù)水平。目前我國正著重突破諸多關(guān)鍵技術(shù)，隨著我國由制造大國向制造強國的轉(zhuǎn)換，相信國內(nèi)越來越多的工業(yè)機器人的關(guān)鍵技術(shù)會實現(xiàn)國產(chǎn)化、自主化。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

如今是趨向智能化、萬物互聯(lián)的時代，工業(yè)機器人作為我國重要發(fā)展方向之一，其未來發(fā)展空間會是廣闊的，成長過程中會充滿挑戰(zhàn)與機遇。其發(fā)展過程及成果將使我國相關(guān)技術(shù)的工作狀態(tài)發(fā)生巨大改變，為全球工業(yè)經(jīng)濟產(chǎn)生更大的推動力，隨著更多更加先進的工業(yè)機器人的應用，全球經(jīng)濟的發(fā)展又將向新階段邁進。（1）根據(jù)國內(nèi)外工業(yè)機器人的目前發(fā)展水平進行比較分析，結(jié)合我國現(xiàn)階段發(fā)展情況，闡述了國內(nèi)外工業(yè)機器人的主要生產(chǎn)廠商的行業(yè)使用分布。（2）淺析了我國在全球工業(yè)機器人總體銷售空間中的占比及我國在所應用的領(lǐng)域中的分別與占比。（3）闡述了工業(yè)機器人的發(fā)展歷程及工業(yè)機器人基本構(gòu)成及關(guān)鍵技術(shù)的運用。（4）對我國工業(yè)機器人未來發(fā)展機會、運用空間進行大致趨勢判斷。（5）結(jié)合我國教育、企業(yè)合作等方面對國內(nèi)工業(yè)機器人的技術(shù)發(fā)展做出前景分析。

4.2 ?展望

由于學術(shù)水平有限，在工業(yè)機器人的技術(shù)應用分類、技術(shù)態(tài)勢分析等方面沒有進行更加深層次的研究，如果能完成其更多相關(guān)技術(shù)知識內(nèi)容的研究，相信在整體發(fā)展分析方面會具有更加詳細、針對性的內(nèi)容，各個學者對此的參考性會更加深入、透徹，從而發(fā)揮更大作用。

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