工業機器人

工業機器人

工業機器人(工業機器人)

工業機器人是面向工業領域的多關節機械手或多自由度的機器人。工業機器人是自動執行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的程序運行，現代的工業機器人還可以根據人工智能技術制定的原則綱領行動。

1920年捷克作家卡雷爾·查培克在其劇本《羅薩姆的萬能機器人》中最早使用機器人一詞，劇中機器人“Robot”這個詞的本意是苦力，即劇作家筆下的一個具有人的外表、特征和功能的機器，是一種人造的勞力。它是最早的工業機器人設想。 20世紀40年代中后期，機器人的研究與發明得到了更多人的關心與關注。50年代以后，美國橡樹嶺國家實驗室開始研究能搬運核原料的遙控操縱機械手，如圖0.2所示，這是一種主從型控制系統，主機械手的運動。系統中加入力反饋，可使操作者獲知施加力的大小，主從機械手之間有防護墻隔開，操作者可通過觀察窗或閉路電視對從機械手操作機進行有效的監視，主從機械手系統的出現為機器人的產生為近代機器人的設計與制造作了鋪墊。 1954年美國戴沃爾最早提出了工業機器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術控制機器人的關節，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現動作的記錄和再現，這就是所謂的示教再現機器人。現有的機器人差不多都采用這種控制方式。1959年第一臺工業機器人在美國誕生，開創了機器人發展的新紀元。 工業機器人在工業生產中能代替人做某些單調、頻繁和重復的長時間作業，或是危險、惡劣環境下的作業，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機械加工和簡單裝配等工序上，以及在原子能工業等部門中，完成對人體有害物料的搬運或工藝操作。 20世紀50年代末，美國在機械手和操作機的基礎上，采用伺服機構和自動控制等技術，研制出有通用性的獨立的工業用自動操作裝置，并將其稱為工業機器人；60年代初，美國研制成功兩種工業機器人，并很快地在工業生產中得到應用；1969年，美國通用汽車公司用21臺工業機器人組成了焊接轎車車身的自動生產線。此后，各工業發達國家都很重視研制和應用工業機器人。 由于工業機器人具有一定的通用性和適應性，能適應多品種中、小批量的生產，70年代起，常與數字控制機床結合在一起，成為柔性制造單元或柔性制造系統的組成部分。

戴沃爾提出的工業機器人有以下特點:將數控機床的伺服軸與遙控操縱器的連桿機構聯接在一起，預先設定的機械手動作經編程輸入后，系統就可以離開人的輔助而獨立運行。這種機器人還可以接受示教而完成各種簡單的重復動作，示教過程中，機械手可依次通過工作任務的各個位置，這些位置序列全部記錄在存儲器內，任務的執行過程中，機器人的各個關節在伺服驅動下依次再現上述位置，故這種機器人的主要技術功能被稱為“可編程”和“示教再現”。 1962年美國推出的一些工業機器人的控制方式與數控機床大致相似，但外形主要由類似人的手和臂組成。后來，出現了具有視覺傳感器的、能識別與定位的工業機器人系統。 工業機器人最顯著的特點有以下幾個： (1)可編程。生產自動化的進一步發展是柔性啟動化。工業機器人可隨其工作環境變化的需要而再編程，因此它在小批量多品種具有均衡高效率的柔性制造過程中能發揮很好的功用，是柔性制造系統中的一個重要組成部分。 (2)擬人化。工業機器人在機械結構上有類似人的行走、腰轉、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有電腦。此外，智能化工業機器人還有許多類似人類的“生物傳感器”，如皮膚型接觸傳感器、力傳感器、負載傳感器、視覺傳感器、聲覺傳感器、語言功能等。傳感器提高了工業機器人對周圍環境的自適應能力。 (3)通用性。除了專門設計的專用的工業機器人外，一般工業機器人在執行不同的作業任務時具有較好的通用性。比如，更換工業機器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可執行不同的作業任務。 (4)工業機器技術涉及的學科相當廣泛，歸納起來是機械學和微電子學的結合-機電一體化技術。第三代智能機器人不僅具有獲取外部環境信息的各種傳感器，而且還具有記憶能力、語言理解能力、圖像識別能力、推理判斷能力等人工智能，這些都是微電子技術的應用，特別是計算機技術的應用密切相關。因此，機器人技術的發展必將帶動其他技術的發展，機器人技術的發展和應用水平也可以驗證一個國家科學技術和工業技術的發展水平。 當今工業機器人技術正逐漸向著具有行走能力、具有多種感知能力、具有較強的對作業環境的自適應能力的方向發展。當前，對全球機器人技術的發展最有影響的國家是美國和日本。美國在工業機器人技術的綜合研究水平上仍處于領先地位，而日本生產的工業機器人在數量、種類方面則居世界首位。 （1）技術先進工業機器人集精密化、柔性化、智能化、軟件應用開發等先進制造技術于一體，通過對過程實施檢測、控制、優化、調度、管理和決策，實現增加產量、提高質量、降低成本、減少資源消耗和環境污染，是工業自動化水平的最高體現。 （2）技術升級工業機器人與自動化成套裝備具備精細制造、精細加工以及柔性生產等技術特點，是繼動力機械、計算機之后，出現的全面延伸人的體力和智力的新一代生產工具，是實現生產數字化、自動化、網絡化以及智能化的重要手段。 （3）應用領域廣泛工業機器人與自動化成套裝備是生產過程的關鍵設備，可用于制造、安裝、檢測、物流等生產環節，并廣泛應用于汽車整車及汽車零部件、工程機械、軌道交通、低壓電器、電力、IC裝備、軍工、煙草、金融、醫藥、冶金及印刷出版等眾多行業，應用領域非常廣泛。 （4）技術綜合性強工業機器人與自動化成套技術，集中并融合了多項學科，涉及多項技術領域，包括工業機器人控制技術、機器人動力學及仿真、機器人構建有限元分析、激光加工技術、模塊化程序設計、智能測量、建模加工一體化、工廠自動化以及精細物流等先進制造技術，技術綜合性強。

工業機器人由主體、驅動系統和控制系統三個基本部分組成。主體即機座和執行機構，包括臂部、腕部和手部，有的機器人還有行走機構。大多數工業機器人有3～6個運動自由度，其中腕部通常有1～3個運動自由度；驅動系統包括動力裝置和傳動機構，用以使執行機構產生相應的動作；控制系統是按照輸入的程序對驅動系統和執行機構發出指令信號，并進行控制。 工業機器人按臂部的運動形式分為四種。直角坐標型的臂部可沿三個直角坐標移動；圓柱坐標型的臂部可作升降、回轉和伸縮動作；球坐標型的臂部能回轉、俯仰和伸縮；關節型的臂部有多個轉動關節。 工業機器人按執行機構運動的`控制機能，又可分點位型和連續軌跡型。點位型只控制執行機構由一點到另一點的準確定位，適用于機床上下料、點焊和一般搬運、裝卸等作業；連續軌跡型可控制執行機構按給定軌跡運動，適用于連續焊接和涂裝等作業。 工業機器人按程序輸入方式區分有編程輸入型和示教輸入型兩類。編程輸入型是將計算機上已編好的作業程序文件，通過RS232串口或者以太網等通信方式傳送到機器人控制柜。 示教輸入型的示教方法有兩種：一種是由操作者用手動控制器(示教操縱盒)，將指令信號傳給驅動系統，使執行機構按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍；另一種是由操作者直接領動執行機構，按要求的動作順序和運動軌跡操演一遍。在示教過程的同時，工作程序的信息即自動存入程序存儲器中在機器人自動工作時，控制系統從程序存儲器中檢出相應信息，將指令信號傳給驅動機構，使執行機構再現示教的各種動作。示教輸入程序的工業機器人稱為示教再現型工業機器人。 具有觸覺、力覺或簡單的視覺的工業機器人，能在較為復雜的環境下工作；如具有識別功能或更進一步增加自適應、自學習功能，即成為智能型工業機器人。它能按照人給的“宏指令”自選或自編程序去適應環境，并自動完成更為復雜的工作。

中國

中國的工業機器人 我國工業機器人起步于上世紀1970年初期，經過20多年的發展，大致經歷了3個階段：70年代的萌芽期，80年代的開發期和90年代的適用化期。 1970年我國也發射了人造衛星。世界上工業機器人應用掀起一個高潮，尤其在日本發展更為迅猛，它補充了日益短缺的勞動力。在這種背景下，我國于1972年開始研制自己的工業機器人。 進入80年代后，在高技術浪潮的沖擊下，隨著改革開放的不斷深入，我國機器人技術的開發與研究得到了政府的重視與支持。“七五”期間，國家投入資金，對工業機器人及其零部件進行攻關，完成了示教再現式工業機器人成套技術的開發，研制出了噴涂、點焊、弧焊和搬運機器人。1986年國家高技術研究發展計劃（863計劃）開始實施，智能機器人主題跟蹤世界機器人技術的前沿，經過幾年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特種機器人。 從90年代初期起，我國的國民經濟進入實現兩個根本轉變時期，掀起了新一輪的經濟體制改革和技術進步熱潮，我國的工業機器人又在實踐中邁進一大步，先后研制出了點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運、包裝碼垛等各種用途的工業機器人，并實施了一批機器人應用工程，形成了一批機器人產業化基地，為我國機器人產業的騰飛奠定了基礎。 雖然中國的工業機器人產業在不斷的進步中，但和國際同行相比，差距依舊明顯。從市場占有率來說，更無法相提并論。工業機器人很多核心技術，當前我們尚未掌握，這是影響我國機器人產業發展的一個重要瓶頸。 隨著人口紅利的逐漸下降，企業用工成本不斷上漲，工業機器人正逐步走進公眾的視野。中國產業洞察網分析師李強認為，人口紅利的持續消退，給機器人產業帶來了重大的發展機遇；在國家政策支持下，產業有望迎來爆發期。 《2013-2017年中國工業機器人行業產銷需求預測與轉型升級分析報告》顯示，全球工業機器人的應用領域也有所擴大。2010年，在德國市場，除了汽車行業，食品行業顯著增加了機器人的利用。可見，在藥品和化妝品行業和塑料行業，機器人的投資潛力巨大。預計亞洲將成為工業機器人行業發展最快的地區。 截止2010年末，中國運行中的工業機器人數量超過5萬臺，應用程度與發達國家相比存在較大差距，如運行數量約為日本的1/10、德國的1/4，可見中國工業機器人行業未來發展空間較大。 根據2011年3月發布的《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》，中國在“十二五”時期將加快發展戰略性新型產業。國務院在相關決定中指出：“發展戰略性新型產業已成為世界主要國家搶占新一輪經濟和科技發展制高點的重大戰略”，包括“高端裝備制造產業”、“新材料產業”、“新能源產業”及“節能環保產業”等。前瞻網分析預測，今后十年我國高端裝備制造業的銷售產值將占全部裝備制造業銷售產值的30%以上。工業機器人行業作為高端裝備制造產業的重要組成部分，必將在此期間得到更多的政策扶持，實現進一步增長。 中國到2014年將成為全球最大的工業機器人消費國。預計到2015年，中國機器人市場需求量將達3.5萬臺，占全球總量的16.9%，成為規模最大的機器人市場。專家表示，未來3年中國工業機器人市場復合增速可達30%，爆發性增長可期。 盡管各大企業面臨著轉型升級的陣痛，但不少具備實力、具有長遠眼光的企業已經在此陣痛中尋找到了新的出路。山推作為國內大型工程機械生產廠家和推土機行業龍頭企業，在自動化焊接設備的應用上應該說走到了國內同行的前列，其在20世紀90年代中期就開始應用焊接機器人和自動化焊接專機。這些舉措不僅使企業的生產效率得到了有效提高，也轉變了員工的傳統觀念。 引進機器人的裨益在三一重機的快速發展上也可窺一二。產業洞察網《中國工業機器人行業市場發展趨勢及投資規劃分析報告》顯示2007年，兩臺機器人現身三一重機生產線。此后，企業銷量突飛猛進，機器人隊伍也隨之壯大。在不久前投產的三一重機臨港產業園中，就能看到200多臺機器人各司其職，忙著切割、焊接、涂裝或者涂膠等工作，個個都是以一當五的好手。 當前，國外已經研制和生產了各種不同的標準組件，而中國作為未來工業機器人的主要生產國，標準化的過程是發展趨勢。 中國制造業面臨著向高端轉變，承接國際先進制造、參與國際分工的巨大挑戰。加快工業機器人技術的研究開發與生產是中國抓住這個歷史機遇的主要途徑。因此我國工業機器人產業發展要進一步落實：第一，工業機器人技術是我國由制造大國向制造強國轉變的主要手段和途徑，政府要對國產工業機器人有更多的政策與經濟支持，參考國外先進經驗，加大技術投入與改造；第二，在國家的科技發展計劃中，應該繼續對智能機器人研究開發與應用給予大力支持，形成產品和自動化制造裝備同步協調的新局面；第三，部分國產工業機器人質量已經與國外相當，企業采購工業機器人時不要盲目進口，應該綜合評估，立足國產。 智能化、仿生化是工業機器人的最高階段，隨著材料、控制等技術不斷發展，實驗室產品越來越多的產品化，逐步應用於各個場合。伴隨移動互聯網、物聯網的發展，多傳感器、分布式控制的精密型工業機器人將會越來越多，逐步滲透制造業的方方面面，并且由制造實施型向服務型轉化。 工業機器人最先大規模使用的區域將會出如今發達地區。隨著產業轉移的進行，發達地區的制造業需要提升。基於工人成本不斷增長的現實，工業機器人的應用成為最好替代方式。未來我國工業機器人的大范圍應用將會集中在廣東、江蘇、上海、北京等地，其工業機器人擁有量將占全國一半以上。 日益增長的工業機器人市場以及巨大的市場潛力吸引世界著名機器人生產廠家的目光。當前，我國進口的工業機器人主要來自日本，但是隨著諸如“機器人”類似的具有自有知識產權的企業不斷出現，越來越多的工業機器人將會由中國制造。 中國成最大工業機器人市場 在現在的社會里，機器人的運用范圍越來越廣泛，即使在很多的傳統工業領域中人們也在努力使機器人代替人類工作，在食品工業中的情況也是如此。目前人們已經開發出的食品工業機器人有包裝罐頭機器人、自動午餐機器人和切割牛肉機器人等，機器人在食品加工領域應用得如魚水。 中國到2016年或成為全球最大的機器人市場 25日，2014中國機器人產業發展高峰會議在張家港舉行。工業和信息化部裝備工業司副司長王衛明的透露，預計中國到2016年或成為全球最大的機器人市場。 王衛明這一“預計”無疑讓眾多關心中國機器人市場的與會商家有點竊喜。眼下，中國市場可謂是機器人熱潮涌動。王衛明說，不久前他去參加一個機床展，竟然展出的一半產品是機器人。 機器人需求猛增 “人力成本的逐年上漲，將刺激制造業對機器人的需求。”王衛明稱，汽車行業使用機器人最多，醫藥等行業的增長需求甚至達到100%以上，2013年全球機器人銷量16.8萬臺。 “機器換人”已是大勢所趨 未來的5至10年將成為中國市場的爆發期，業界對此普遍持樂觀態度。曲道奎認同這一觀點。作為國內領先的機器人制造企業新松機器人自動化股份有限公司的掌舵人，他在會上不斷提醒企業要意識到該行業的殘酷性。他呼吁，在機器人這個高端產業里中國要避免處于產業鏈低端位置。 在中國廉價勞動力優勢逐漸消失的背景下，“機器換人”已是大勢所趨。面對機器人產業誘人的大蛋糕，中國各地都行動了起來，機器人企業、機器人產業園如雨后春筍般層出不窮，積極投身這場“掘金戰”中。 王衛明在會上指出，國內在機器人產業化方面存在諸多問題。面對將要到來的“機器人時代”，中國未來將加強頂層設計，組建國家級的機器人產業發展專家咨詢委員會；完善標準體系建設；加大對機器人國產化的政策支持力度；支持國產工業機器人的應用和示范等。 2015年安徽工業機器人產業規模預計超200億元 根據安徽省戰略性新興產業區域集聚發展試點實施方案，國家支持在皖打造機器人、新型顯示兩大產業集聚試點。蕪馬合地區作為目前我國唯一的工業機器人產業集聚試點，發展目標是到2015年培育3家至5家產值超50億元的龍頭企業，形成產業規模超200億元。 目前，蕪湖市已規劃用地5000畝建設機器人產業園，依托埃夫特、瑞祥工業、陀曼精機等企業，集聚產業科技創新要素，打造以主機為龍頭、關鍵零部件協作配套的機器人全產業鏈。蕪湖市早在2007年就啟動了工業機器人項目，如今，領軍企業安徽埃夫特公司已形成系列化工業機器人研發和制造能力，實際裝機臺數位居自主品牌之首，在汽車、家電、機械加工等多個行業得到廣泛應用。該市正在建設的6個重點項目，涉及工業機器人整機項目以及伺服電機、驅動及控制系統、精密減速機等配套的核心零部件項目。

國外

在發達國家中，工業機器人自動化生產線成套設備已成為自動化裝備的主流及未來的發展方向。國外汽車行業、電子電器行業、工程機械等行業已經大量使用工業機器人自動化生產線，以保證產品質量，提高生產效率，同時避免了大量的工傷事故。全球諸多國家近半個世紀的工業機器人的使用實踐表明，工業機器人的普及是實現自動化生產，提高社會生產效率，推動企業和社會生產力發展的有效手段。 機器人技術是具有前瞻性、戰略性的高技術領域。國際電氣電子工程師協會IEEE的科學家在對未來科技發展方向進行預測中提出了4個重點發展方向，機器人技術就是其中之一。 1990年10月，國際機器人工業人士在丹麥首都哥本哈根召開了一次工業機器人國際標準大會，并在這次大會上通過了一個文件，把工業機器人分為四類：⑴順序型。這類機器人擁有規定的程序動作控制系統；⑵沿軌跡作業型。這類機器人執行某種移動作業，如焊接。噴漆等；⑶遠距作業型。比如在月球上自動工作的機器人；⑷智能型。這類機器人具有感知、適應及思維和人機通信機能。 日本工業機器人產業早在上世紀90年代就已經普及了第一和第二類工業機器人，并達到了其工業機器人發展史的鼎盛時期。而今已在第發展三、四類工業機器人的路上取得了舉世矚目的成就。日本下一代機器人發展重點有：低成本技術、高速化技術、小型和輕量化技術、提高可靠性技術、計算機控制技術、網絡化技術、高精度化技術、視覺和觸覺等傳感器技術等。 根據日本政府2007年指定的一份計劃，日本2050年工業機器人產業規模將達到1.4兆日元，擁有百萬工業機器人。按照一個工業機器人等價于10個勞動力的標準，百萬工業機器人相當于千萬勞動力，是當前日本全部勞動人口的15%。 我國工業機器人起步于70年代初，其發展過程大致可分為三個階段：70年代的萌芽期；80年代的開發期；90年代的實用化期。而今經過20多年的發展已經初具規模。當前我國已生產出部分機器人關鍵元器件，開發出弧焊、點焊、碼垛、裝配、搬運、注塑、沖壓、噴漆等工業機器人。一批國產工業機器人已服務于國內諸多企業的生產線上；一批機器人技術的研究人才也涌現出來。一些相關科研機構和企業已掌握了工業機器人操作機的優化設計制造技術；工業機器人控制、驅動系統的硬件設計技術；機器人軟件的設計和編程技術；運動學和軌跡規劃技術；弧焊、點焊及大型機器人自動生產線與周邊配套設備的開發和制備技術等。某些關鍵技術已達到或接近世界水平。 一個國家要引入高技術并將其轉移為產業技術（產業化），必須具備5個要素即5M:Machine/Materials/Manpower/Management/Market。和有著“機器人王國”之稱的日本相比，我國有著截然不同的基本國情，那就是人口多，勞動力過剩。刺激日本發展工業機器人的根本動力就在于要解決勞動力嚴重短缺的問題。所以，我國工業機器人起步晚發展緩。但是正如前所述，廣泛使用機器人是實現工業自動化，提高社會生產效率的一種十分重要的途徑。我國正在努力發展工業機器人產業，引進國外技術和設備，培養人才，打開市場。日本工業機器人產業的輝煌得益于本國政府的鼓勵政策，我國在十一五綱要中也體現出了對發展工業機器人的大力支持。

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