工業(yè)機器人技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的春天

文/本刊記者 樊創(chuàng)佳/

“如果我要生產(chǎn)不同的產(chǎn)品，這種機器人能不能按照既定的規(guī)格參數(shù)屬性進行設(shè)定呢？”6月26日下午，在北京展覽館舉辦的北京國際工業(yè)智能及自動化展會上，一名參展人員饒有興趣地向參展商詢問出展機器人的產(chǎn)品功能。此次展會時間歷時三天，覆蓋北京展覽館7個展館，展出面積超2萬平方米，規(guī)模創(chuàng)歷史新高，迎來了近200家行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)以及15000名專業(yè)觀眾。

在類型眾多的智能制造技術(shù)產(chǎn)品展館中，2號館集中展示各種規(guī)格的六軸機器人、碼垛機器人、焊接機器人、搬運機器人以及視覺、傳感、3D成像、RFID等應(yīng)用于機器人的產(chǎn)品和技術(shù)。唐山松下、史陶比爾、廣州數(shù)控等領(lǐng)先企業(yè)向人們展示各具用途的機器人現(xiàn)場運行情況，吸引了眾多包括商企人員在內(nèi)的觀眾駐足。在同期舉辦的與機器人自動化相關(guān)的高規(guī)格論壇上，大批優(yōu)秀的自動化企業(yè)與行業(yè)專家一起深入探討國內(nèi)外機器人新產(chǎn)品及智能化生產(chǎn)與應(yīng)用解決方案。

據(jù)統(tǒng)計，2012年中國市場已有7.5萬臺工業(yè)機器人在服役，占全球總量的7%左右，2004年以來，中國工業(yè)機器人市場開始啟動，國內(nèi)需求強勁，新安裝量年均增長率高達40%，有專家估計預(yù)計到2022年，中國工業(yè)機器人保有量將達到170萬臺。

不難想象，機器人是繼汽車、飛機、火車、計算機之后進入家庭、企業(yè)的一種必備方略和必備系統(tǒng)，這是根本，也是最普通的必備技術(shù)。同時，這更是一項任重而道遠的產(chǎn)業(yè)技術(shù)。

機器人的需求是剛性和持續(xù)的。在這樣一個即將到來的新時代，我國機器人產(chǎn)業(yè)也充滿了無限的挑戰(zhàn)與機遇，我們期望未來從互聯(lián)網(wǎng)到機器人實現(xiàn) “廠廠都有機器人，家家都有機器人”的產(chǎn)業(yè)模式。

機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵核心動力

機器人是嵌入式的智能機構(gòu)和感知控制技術(shù)。據(jù)聯(lián)合國國際機器人聯(lián)合會IFR數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截止2011年，世界專業(yè)服務(wù)機器人與家用機器人分別穩(wěn)步增長30～20%，直接產(chǎn)值約45～50億美元，約250～300萬臺套數(shù)。

機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展核心動力是決定機器人在中國發(fā)展的最關(guān)鍵要素。人工費、工作環(huán)境、可靠性品質(zhì)成為決定機器人發(fā)展的三大關(guān)鍵要素。表現(xiàn)在人工成本逐年提高，老齡化社會加劇形成，一線產(chǎn)業(yè)工人減少趨勢不可逆轉(zhuǎn)，社會服務(wù)成本越來越高，機器人自動化設(shè)備逐步增加；國際制造環(huán)境競爭日益激烈，客戶定制、柔性制造、成本效率、全球資源整合成為核心要素；在軍事空間、精細外科、危險作業(yè)中，機器人具有不可替代性。

近年來，國內(nèi)外越來越重視機器人技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，作為戰(zhàn)略高技術(shù)，無論在推動國防軍事、智能制造、資源開發(fā)，還是在培育發(fā)展未來服務(wù)機器人產(chǎn)業(yè)上都具有重要意義。

實際上，工業(yè)機器人的制造及應(yīng)用水平代表了一個國家的制造水平。我國制造業(yè)自動化率很低（汽車業(yè)15%），國際90%；機器人使用密度50（英）～350臺（日、韓）/萬工人，中國不到國際發(fā)達水平的十分之一，世界平均水平的二分之一，因此未來發(fā)展?jié)摿艽?。隨著勞動力成本增加和國際制造環(huán)境的發(fā)展變化，特別是在互聯(lián)網(wǎng)軟件設(shè)計交流和發(fā)布上，也給機器人產(chǎn)業(yè)帶來了巨大的發(fā)展動力。

目前，世界機器人產(chǎn)業(yè)格局為歐洲、日本牢牢占據(jù)著工業(yè)機器人天下，ABB、KUKA、FANUC、YASKAWA四大家族占據(jù)著工業(yè)機器人60～80%市場，累積技術(shù)達四五十種 ；美國機器人技術(shù)創(chuàng)新活躍，軍用、醫(yī)療與家政服務(wù)機器人產(chǎn)業(yè)占有絕對優(yōu)勢，占有服務(wù)機器人市場60%； 中國工業(yè)機器人需求增長迅猛25～30%，年需求量2～3萬臺套，機器人產(chǎn)業(yè)化剛剛開始，還沒有高影響力的大企業(yè)，沿海需求高于內(nèi)地需求，民企需求高于國企需求，各地政府及企業(yè)都想要大力發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)，而這將會是一個很大的挑戰(zhàn)。

發(fā)展起步的中國工業(yè)機器人模式

縱觀世界工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)，可歸納為日本模式、歐洲模式和美國模式三種不同的發(fā)展模式。

日本模式是產(chǎn)業(yè)鏈分工發(fā)展，機器人制造廠商以開發(fā)新型機器人和批量生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品為主要目標，并由其子公司或社會上的集成工程公司來設(shè)計制造各行業(yè)所需要的機器人系統(tǒng)。歐洲模式相當于交鑰匙工程，就是機器人的生產(chǎn)和用戶所需要的系統(tǒng)設(shè)計制造，全部由機器人制造商自己完成。

美國模式則是集成應(yīng)用。通過采購與成套設(shè)計相結(jié)合，美國國內(nèi)基本上不生產(chǎn)普通的工業(yè)機器人，企業(yè)需要機器人通常由工程公司進口，再自行設(shè)計、制造配套的外圍設(shè)備。

中國模式是未知的，應(yīng)在起步時從美國式著手，成熟中向日本式靠近，才能發(fā)揮中國人制造大國和巨大市場的優(yōu)勢。

不難發(fā)現(xiàn)，工業(yè)機器人確確實實需要在信息、通訊方面把工藝集成，才能發(fā)揮作用。如果沒有信息軟件通訊，沒有工業(yè)環(huán)境的有序工裝 ，機器人是很難發(fā)揮作用的。美國在機器人技術(shù)方面，一直投入大量資金去研究新的材料結(jié)構(gòu)、新的感知控制技術(shù)，以及一些新的智能技術(shù)。

阻礙中國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的難點

如果把機器人理解成一個工業(yè)基礎(chǔ)裝備，一個智能裝備，像數(shù)控、機床這樣的裝備，那么它在宏觀上屬于高端制造業(yè)，而且與中國工業(yè)基礎(chǔ)能力有直接關(guān)系，需要長期投資與培育，包括系統(tǒng)集成、整機制造、零部件配套以及嵌入式智能控制等。目前從技術(shù)和市場規(guī)?？?，我國工業(yè)機器人產(chǎn)品與國外相差約10年，以下將逐一分析中國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的幾大難點。

難點一，規(guī)模化市場應(yīng)用是前提?，F(xiàn)階段，工業(yè)規(guī)?；袌龅膽?yīng)用是工業(yè)機型發(fā)展的前提。工業(yè)機器人只是一個平臺工具，它賦予不同的工藝、不同的變位、不同的生產(chǎn)線來展示。工藝的規(guī)模和應(yīng)用很重要，因此要特別注重作為科技能源的工藝成本和零部件。工程應(yīng)用工藝必須優(yōu)先，100臺套起步，500臺套持平，1000臺套盈利。行業(yè)領(lǐng)域方向選擇也至關(guān)重要，希望大力發(fā)展本土化的中國機器人應(yīng)用集成商，將焊接、搬運、裝配、周邊自動化工裝、自動化生產(chǎn)線、操作對象緊密結(jié)合起來。

難點二，主機成本與可靠性是核心。主要涉及到材料、設(shè)計、采購、加工、裝配、檢測、老化試驗、技術(shù)維護等，產(chǎn)業(yè)鏈長，投入大，需要長期發(fā)展才能在業(yè)內(nèi)形成客戶信賴的品牌。因為在企業(yè)領(lǐng)域的機器人往往是與生產(chǎn)線、批量有關(guān)，如果這個機器人稍微出一點故障，將對企業(yè)全年的生產(chǎn)產(chǎn)生極大影響。

因此，產(chǎn)業(yè)機器人不僅要求成本，更要具備高可靠性，它自動化智能化的效益是通過高可靠性體現(xiàn)的。而機器人的可靠性主要是材料、設(shè)計、部件、制造、工藝處理、老化調(diào)試和使用習慣。目前國產(chǎn)機器人最容易出故障的是高速轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)件的精度、接口插件、經(jīng)常操作按鈕開關(guān)、元器件故障燈、制造故障（虛焊，加工精度沒有達到設(shè)計要求等）。

據(jù)了解，國外機器人平均無故障時間MTBF達到5萬小時，單臺8年；國產(chǎn)機器人平均無故障時間MTBF為8000h。因此可以采用單臺或者是少機器人組成的生產(chǎn)線來滿足可靠性要求。另外，世界機器人品牌使用比重2011年數(shù)據(jù)顯示：KUKA是13.5%，ABB 是14.2%，YASKAWA 是14.1%，F(xiàn)ANUC是18%，其他機器人產(chǎn)商占40.2%。

關(guān)于工業(yè)機器人不同領(lǐng)域的人工成本問題對比：

汽車領(lǐng)域：點焊與弧焊，國內(nèi)165Kg/6～8Kg，20/8萬，國外40/15萬；

機械加工：上下料搬運，20Kg，國內(nèi)12萬，國外20萬，拋光加工大件/小件，20/10萬，國外60/20萬；

物流搬運，200Kg，國內(nèi)20萬，國外40萬，電子裝配。

通過對比 ，意味著中國機器人在成本上應(yīng)該走高品質(zhì)低利潤道路，因為國外工業(yè)機器人已發(fā)展四十年，國內(nèi)只有走在這個范圍內(nèi)才有競爭力。

難點三，核心零部件是關(guān)鍵。核心零部件是指構(gòu)成機器人傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和人機交互系統(tǒng)，對機器人性能起到關(guān)鍵影響作用，并具有通用性和模塊化的部件單元，分為高精度機器人減速機、高性能交直流伺服電機和驅(qū)動器、高性能機器人控制器。其中電機和減速器是關(guān)鍵。

難點四，是認準技術(shù)與商務(wù)創(chuàng)新這條出路。發(fā)展品牌，體現(xiàn)效益價值，使得產(chǎn)品可靠。這就要提高新材料的負載與自重比，仿生靈巧手操作，自主導航的移動定位，補償視覺誤差，降低精密制造成本，提高無需編程的人機交互功能和可變剛度柔性關(guān)節(jié)控制，實現(xiàn)租賃機器人的商業(yè)模式創(chuàng)新。

日趨重要的機器人技術(shù)

工業(yè)機器人是最典型的制造基礎(chǔ)設(shè)備，也是最有代表性的智能裝備，并且機器人具有雙重性，設(shè)備投資屬性，產(chǎn)品實用性；產(chǎn)業(yè)形態(tài)與就業(yè)關(guān)系，一般低端產(chǎn)業(yè)層次少，機器人產(chǎn)業(yè)鏈長層次多，用戶使用、承包商、租賃商、系統(tǒng)設(shè)計、主機商、零部件、維護服務(wù)、培訓教育、研究中心，就業(yè)商務(wù)服務(wù)、集成實施、產(chǎn)品服務(wù)、技術(shù)開發(fā)等高端轉(zhuǎn)換；智能機器人技術(shù)擴散延伸，正在嵌入相關(guān)制造裝備、工程機械、物流搬運、電子裝備、食品機械等，也正在交叉融合信息、材料、醫(yī)療技術(shù)，形成新形態(tài)產(chǎn)品，如智能吸塵器、智能洗衣機、智能護理床等。

與此同時，隨著硬件成本不斷下降，硬件設(shè)計越來越成熟，軟件在工業(yè)自動化的重要性日趨突出。成套應(yīng)用工藝設(shè)計、用戶使用方便與示教、改變不同功能用途以及可靠性水平成為開發(fā)重點。

在機器人系統(tǒng)中，軟件開發(fā)成本越來越高。在工業(yè)機器人領(lǐng)域中 ，軟件設(shè)計必須工程化，在設(shè)計、仿真、調(diào)試、試用、階段以及維護階段全面實施。

不可否認，無論是軟件還是硬件，機器人技術(shù)有潛力改變國家的未來，并且有望在未來幾十年里像今天的計算機一樣無處不在。相比通過底薪外包給其他國家，通過在柔性制造中采用機器人，將生產(chǎn)更具成本優(yōu)勢的產(chǎn)品。然而，采用機器人技術(shù)的一個關(guān)鍵因素是人口老齡化，導致老齡化的勞動力，同時也帶來了在醫(yī)療保健方面一系列的挑戰(zhàn)。

我們知道，機器人技術(shù)已經(jīng)足夠先進可以在工作中增強人類的力量。它可以作為人類的同事，從事于骯臟、枯燥和危險任務(wù)，能夠提供傭人服務(wù)來提高廣大人民生活質(zhì)量。此外，機器人已經(jīng)在減少直接危險環(huán)境下現(xiàn)場急救員和士兵方面證明了它的價值。機器人技術(shù)提供了一個獨特的投資機會，短期內(nèi)能夠提供新的工作機會，提高生產(chǎn)力，將提高工人的安全，這將促進就業(yè)的增加，長此以往，也將會為生活質(zhì)量的提高以及老齡化社會做出保障。

因此我國的機器人發(fā)展藍圖對每一個領(lǐng)域都定義了近期和長期發(fā)展計劃，為機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)鍵性技術(shù)以及相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)確立5年、10年、15年發(fā)展目標。

雖然一些關(guān)鍵功能和基礎(chǔ)技術(shù)應(yīng)用在特定領(lǐng)域，但是系統(tǒng)上這些關(guān)鍵點將是通用的，如三維感知、規(guī)劃和導航、仿人靈巧手、人機交互以及安全機器人行為。

在國家戰(zhàn)略中發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)

不僅在制造業(yè)方面，美國服務(wù)機器人發(fā)展也很迅速，已被應(yīng)用在各個方面。在專業(yè)以及家政服務(wù)應(yīng)用上，超過600萬自動真空吸塵器已經(jīng)被購買，超過20萬的自動割草機在世界范圍內(nèi)使用。在人身安全方面，專業(yè)服務(wù)包括電廠檢查以及橋梁等的基礎(chǔ)檢查。服務(wù)機器人也可以用于分揀應(yīng)用，如分揀床上用品、餐品以及醫(yī)院的藥物等。

在5年的時間達到了40億美元，其中專業(yè)的服務(wù)機器人的年增長率是30%，家政、教育、娛樂方面的機器人增長率是20%。美國公司已經(jīng)占據(jù)了這個行業(yè)，很有可能繼續(xù)保持這個勢頭。

制造業(yè)和服務(wù)機器人在國外的發(fā)展應(yīng)用

國際上，制造業(yè)占了14%的GDP以及11%就業(yè)總?cè)藬?shù)，接近70%來自美國的進出口和制造業(yè)有關(guān)。

在過去的40年中，機器人應(yīng)用方面取得了巨大的進步，特別是在汽車行業(yè)。近來，電子行業(yè)已經(jīng)成為主導行業(yè)。

在一些公司，機器人生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)被用來作為生產(chǎn)制造的促進者，如蘋果、聯(lián)想等等。機器人的應(yīng)用正從一些大公司如通用、福特、波音等到中小型企業(yè)過渡，使得一次性產(chǎn)品的制造呈現(xiàn)爆發(fā)狀態(tài)。在這方面的持續(xù)進步依賴于該地區(qū)的集成設(shè)計，從設(shè)計到制造的集成，網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)集成的新方法以及計算機制造業(yè)的提高。最后，還需要培訓年輕人進入制造業(yè)，并提供一個清晰的職業(yè)路徑規(guī)劃。

無論國家和企業(yè)都應(yīng)該樹立國家的科技戰(zhàn)略和價值觀，一旦樹立起來，要做品牌的信譽和尊嚴，要做引領(lǐng)；發(fā)展有市場競爭的龍頭實體企業(yè)，扶持中小型企業(yè)，形成有序的產(chǎn)業(yè)鏈（系統(tǒng)集成商、主機、零部件），在很大程度上考慮本土企業(yè)的市場空間，增加可持續(xù)高附加值，保護戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)與裝備本土企業(yè)的市場空間，不能簡單的引資。要按照當前機器人發(fā)展的重點方向去走，如工業(yè)制造、特種環(huán)境、服務(wù)勞動化、家庭教育等。

在我國，清華大學、天津大學、北航、哈工大等對工業(yè)機器人裝備和設(shè)計平臺開展了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)存在模塊不完善、互操作性和自動化程度較弱等問題。由于我國工業(yè)機器人面臨設(shè)計能力缺乏、關(guān)鍵零部件、系統(tǒng)可靠性和成本等問題，一直沒有形成具有一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。不僅設(shè)計基本依靠國外相關(guān)開發(fā)平臺，在維護、更新、改造方面對國外的依賴也相當嚴重。因此，應(yīng)該繼續(xù)建立我國自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機器人設(shè)計開發(fā)平臺，有效地降低工業(yè)機器人設(shè)計門檻，并進一步彌補傳統(tǒng)工業(yè)機器人設(shè)計方法不足。

同時，針對工業(yè)機器人高速、重載、輕量化、低成本的發(fā)展趨勢和我國的實際需求，加強機器人正向設(shè)計方法基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究；建立工業(yè)機器人關(guān)鍵部件、整機性能測試平臺與數(shù)據(jù)庫；在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，完善和豐富機器人構(gòu)型庫、部件特性庫和材料庫、開發(fā)接近真實環(huán)境的仿真與設(shè)計平臺；探索設(shè)計平臺開發(fā)商、應(yīng)用程序開發(fā)商和用戶多方共贏的市場化開發(fā)商業(yè)模式；推廣國產(chǎn)機器人設(shè)計平臺的應(yīng)用，降低工業(yè)機器人設(shè)計門檻，彌補傳統(tǒng)工業(yè)機器人設(shè)計方法不足，促進工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)化進程。

更重要的是，工業(yè)發(fā)展一定要規(guī)?；?、服務(wù)化、嵌入化，推動智能制造裝備技術(shù)發(fā)展。大力突破新材料本體、自主導航、靈巧手操作等技術(shù)，發(fā)展經(jīng)濟型和智能嵌入服務(wù)等產(chǎn)業(yè)化任務(wù)的服務(wù)機器人。

在我國，開展了機器人輔助外科手術(shù)臨床應(yīng)用。 醫(yī)療外科機器人在北京海軍總醫(yī)院、北京積水潭醫(yī)院、北京解放軍301醫(yī)院等臨床應(yīng)用5000例以上，并獲得了醫(yī)療許可證、北京市醫(yī)保等；工程車輛物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)監(jiān)控器3萬臺套，提供車輛租賃、定位、油耗、故障診斷、工作工況等增值服務(wù)；工業(yè)機器人控制系統(tǒng)，在奇瑞通過了15臺套30天×24小時可靠性測試，并且電焊機器人控制器在奇瑞車間2臺套應(yīng)用；另外搬運、弧焊機器人控制器等也都通過了測試并得到了應(yīng)用。

如今，新材料、微電子、通信、人工智能等學科的突飛猛進，為機器人的高度智能化奠定了基礎(chǔ)。機器人正在逐步走向產(chǎn)業(yè)化，這是一個拐點，是歷史機遇，得到了越來越多的投資關(guān)注。而這個技術(shù)和原始創(chuàng)新又是我們掌握主動權(quán)的最關(guān)鍵。我們要抓住關(guān)鍵要素和機遇，理性發(fā)展，為中國走向制造大國提供強有力的推進，要以國家技術(shù)創(chuàng)新為牽引，在推動支持產(chǎn)業(yè)企業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，與廣大企業(yè)和科技領(lǐng)域一起努力，期待中國機器人技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的春天。