工業(yè)機(jī)器人發(fā)展綜述

馮旭 宋明星 倪笑宇 馬立勇 王少雷

摘? 要：工業(yè)機(jī)器人起源于美國能源實(shí)驗(yàn)室研制的遙操作機(jī)械手，之后第一代示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人，第二代具有基本感知功能工業(yè)機(jī)器人，第三代智能機(jī)器人，相繼誕生。隨著工業(yè)生產(chǎn)向著自動(dòng)化、集成化、柔性化的方向發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已然成為高端制造裝備的重要組成部分，其智能化水平也在不斷提高。我國在制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、人口老齡化的雙重壓力下，積極發(fā)展工業(yè)機(jī)器人，并已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化初期階段。當(dāng)下，科學(xué)理論和工程技術(shù)的發(fā)展，作業(yè)性能不斷提升及向新領(lǐng)域推廣應(yīng)用的需求，引領(lǐng)著機(jī)器人在新時(shí)代里發(fā)展的新方向、新趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;發(fā)展歷程;發(fā)展現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TP242? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）24-0052-03

Abstract： The industrial robot originated from the teleoperation manipulator developed by the American Energy Laboratory. After that， the first generation of teaching and reappearance industrial robot， the second generation of industrial robot with basic perceptual function and the third generation of intelligent robot were born one after another. With the development of industrial production in the direction of automation， integration and flexibility， industrial robot has become an important part of high-end manufacturing equipment， and its intelligent level is also improving. Under the dual pressure of the transformation and upgrading of the manufacturing industry and the aging population， China has actively developed industrial robots and has entered the initial stage of industrialization. At present， the development of scientific theory and engineering technology， the continuous improvement of operational performance and the demand for popularization and application to new fields lead the new direction and new trend of robot development in the new era.

Keywords： industrial robot; development process; development status; development trend

1 機(jī)器人的起源和發(fā)展歷程

機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)中期。最早在第二次世界大戰(zhàn)之后，美國阿貢國家能源實(shí)驗(yàn)室為了解決核污染機(jī)械操作問題，首先研制出遙操作機(jī)械手用于處理放射性物質(zhì)[1]。緊接著于第二年，又開發(fā)出一種電氣驅(qū)動(dòng)的主從式機(jī)械手臂[2]。五十年代中期，美國的一位多產(chǎn)的發(fā)明家喬治·德沃爾開發(fā)出世界上第一臺(tái)裝有可編程控制器的極坐標(biāo)式機(jī)械手臂，并發(fā)表了該機(jī)器人的專利[3]。1959年，德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)Unimate（意為“萬能自動(dòng)”）并定型生產(chǎn)，由此成立了世界上第一家工業(yè)機(jī)器人制造工廠Unimation公司[4]。之后于1962年，美國通用汽車（GM）公司安裝了Unimation公司的第一臺(tái)Unimate工業(yè)機(jī)器人，標(biāo)志著第一代示教再現(xiàn)型機(jī)器人的誕生。此后60年代后期到70年代，工業(yè)機(jī)器人商品化程度逐步提高，并漸漸走向產(chǎn)業(yè)化，繼而在以汽車制造業(yè)為代表的規(guī)?；a(chǎn)中的各個(gè)工藝環(huán)節(jié)推廣使用，如搬運(yùn)、噴漆、弧焊等機(jī)器人的開發(fā)應(yīng)用，使得二戰(zhàn)之后一直困擾著世界多個(gè)地區(qū)的勞動(dòng)力嚴(yán)重短缺問題得到極大緩解。而且對(duì)于那些單調(diào)重復(fù)以及體力消耗較大的生產(chǎn)作業(yè)，使用工業(yè)機(jī)器人在代替人類不僅可以提高生產(chǎn)效率，還可以完全避免因?yàn)楣と说钠诙鴮?dǎo)致的質(zhì)量問題。1978年Unimation公司推出一種全電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)的通用工業(yè)機(jī)器人PUMA系列，次年適用于裝配作業(yè)中的平面關(guān)節(jié)型SCARA機(jī)器人出現(xiàn)在人們的視野中，自此第一代工業(yè)機(jī)器人形成了完整且成熟的技術(shù)體系[5]。

值得一提的是，60年代末日本從美國引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，此后，研究和制造機(jī)器人的熱潮席卷日本全國[6]。雖然日本研制機(jī)器人的起步時(shí)間比美國晚，但由于日本國內(nèi)青壯年勞力極其匱乏，日本政府為了解決這一尖銳的社會(huì)問題，對(duì)機(jī)器人在日本的發(fā)展采取積極的扶植政策，例如對(duì)工業(yè)機(jī)器人一類的新制造設(shè)備實(shí)行財(cái)政補(bǔ)貼政策，聘請(qǐng)專家為推廣使用機(jī)器人的企業(yè)提供專業(yè)技術(shù)指導(dǎo)，通過各種渠道為社會(huì)提供低息資金或者鼓勵(lì)民間集資成立機(jī)器人租賃公司[6]。到上世紀(jì)80年代中期，日本擁有完整的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)，且規(guī)模龐大，一躍成為“機(jī)器人王國”，成為了世界上應(yīng)用和生產(chǎn)機(jī)器人最多的國家。

隨著生產(chǎn)技術(shù)從大批量生產(chǎn)自動(dòng)化向小批量多品種生產(chǎn)自動(dòng)化的轉(zhuǎn)變，提高生產(chǎn)柔性的需求進(jìn)一步推動(dòng)著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。美國麻省理工學(xué)院率先開始研究感知機(jī)器人技術(shù)，并于1965年開發(fā)出可以感知識(shí)別方塊、自動(dòng)堆積方塊不需人干預(yù)的早期第二代機(jī)器人[1]。80年代初，美國通用公司為汽車裝配生產(chǎn)線上的工業(yè)機(jī)器人裝備了視覺系統(tǒng)，于是具有基本感知功能的第二代工業(yè)機(jī)器人誕生了。與第一代機(jī)器人相比，第二代機(jī)器人不僅在作業(yè)效率、保證產(chǎn)品的一致性和互換性等方面性能更加突出優(yōu)異，而且具有更強(qiáng)的外界環(huán)境感知能力和環(huán)境適應(yīng)性，能完成更復(fù)雜的工作任務(wù)，因此不再局限于傳統(tǒng)重復(fù)簡單動(dòng)作的有限工種作業(yè)[1，7，8]。到了世紀(jì)末的90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的初步發(fā)展，讓機(jī)器人模仿人進(jìn)行邏輯推理的第三代智能機(jī)器人研究也逐步開展起來。它應(yīng)用人工智能、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)控制方法，在智能計(jì)算機(jī)控制下，通過多傳感器感知機(jī)器人本體狀態(tài)和作業(yè)環(huán)境狀態(tài)，在知識(shí)庫支持下進(jìn)行推理作出決斷，并對(duì)機(jī)器人作多變量實(shí)時(shí)智能控制。

2 國內(nèi)外機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

在國外，經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在提高產(chǎn)品加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率，改善工作環(huán)境，在關(guān)鍵工藝生產(chǎn)環(huán)節(jié)、高危、有毒等惡劣條件替代工人完成作業(yè)任務(wù)，擴(kuò)大就業(yè)機(jī)會(huì)，提高技術(shù)創(chuàng)新能力等方面的作用日益突出。工業(yè)機(jī)器人在全球的廣泛應(yīng)用催生了一批具有國際影響力、世界聞名的工業(yè)機(jī)器人公司[1]，包括瑞士的Staubli（史陶比爾），德國的KUKA Roboter，瑞典的ABB Robotics，意大利的COMAU（柯馬），英國的AutoTech Robotics，美國的Adept Technology（愛德普）、American Robot、Emerson Industrial Automation（艾默生）、S-T Robotics，加拿大的Jcd International Robotics，以色列的Robogroup Tek公司，日本的FANUC、Yaskawa（安川）、Epson（愛普生）、Kawasaki（川崎），這些公司已經(jīng)成為其所在地區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè)。ABB的機(jī)器人以運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)獨(dú)具特色，Staubli公司則是在驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)部件的優(yōu)化整合方面走在了前沿;日本的工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)規(guī)模和應(yīng)用領(lǐng)域在全球范圍內(nèi)是最大最廣的;美國雖然最先開發(fā)出工業(yè)機(jī)器人，但是卻沒有致力于工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，而是在軍事、太空和深海探測等智能機(jī)器人方面獨(dú)樹一幟。

2.2 國內(nèi)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

我國的機(jī)器人研究和開發(fā)起步較晚且投入少。70年代中期，在國外的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用并形成產(chǎn)業(yè)化體系的時(shí)候，同時(shí)期的國內(nèi)還沒有一臺(tái)示教再現(xiàn)型關(guān)節(jié)機(jī)器人，大多數(shù)的高校和科研院所還仍舊停留在程控機(jī)械手的重復(fù)研究上。直到80年代中后期863計(jì)劃開始實(shí)施，國內(nèi)的各大高校和科研院所才有計(jì)劃地開展機(jī)器人技術(shù)的理論研究和科學(xué)實(shí)驗(yàn)。但是從80年代到新世紀(jì)初，我國一直處于人口紅利時(shí)期，青壯勞動(dòng)力充足，勞動(dòng)力價(jià)格低廉，而且我國當(dāng)時(shí)沒有加入世貿(mào)組織，進(jìn)口的機(jī)器人價(jià)格偏高，國內(nèi)生產(chǎn)的機(jī)器人技術(shù)不夠成熟，再加之國內(nèi)當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)技術(shù)水平相對(duì)落后，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求很低，所以工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用受到了很大的限制。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著我國生產(chǎn)力水平的提高、勞動(dòng)力成本的逐年增加、人口老齡化趨勢(shì)的顯現(xiàn)，工業(yè)機(jī)器人開始在國內(nèi)制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。特別是近五年，國內(nèi)制造業(yè)面臨著由粗放型發(fā)展模式向精細(xì)式發(fā)展模式轉(zhuǎn)型升級(jí)的重重壓力，使得我國工業(yè)機(jī)器人的需求量呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長，一躍成為世界最大的機(jī)器人市場[9]。近年來，德國庫卡機(jī)器人、日本川崎機(jī)器人等世界500強(qiáng)的機(jī)器人制造公司，都已將市場重點(diǎn)轉(zhuǎn)到中國，ABB公司甚至把全球總部搬到中國。而國內(nèi)企業(yè)，在政府的扶持和市場的驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)過技術(shù)引進(jìn)和自我研發(fā)，在工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造等方面也都有了長足的進(jìn)步，并已經(jīng)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化初期階段，涌現(xiàn)了一批優(yōu)秀的機(jī)器人制造公司。

但是，總的來看，與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，國內(nèi)當(dāng)下的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在理論研究和工程應(yīng)用水平等方面都存在著相當(dāng)大的差距[10]。其一，整體核心技術(shù)有待突破，機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)優(yōu)化、控制策略及工程開發(fā)水平低，諸多技術(shù)停留在仿制層面，創(chuàng)新能力不足;其二，高性能的伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、高精密高速高效減速器、控制器等關(guān)鍵部件依賴進(jìn)口，而核心部件的成本在工業(yè)機(jī)器人整機(jī)成本中占大頭，造成了國產(chǎn)機(jī)器人成本高、利潤薄的困境。其三，國產(chǎn)機(jī)器人生產(chǎn)批量小，可靠性差故障率高，用戶使用感覺差。因此，雖然我國當(dāng)前是世界上最大的機(jī)器人市場，但是中高端工業(yè)機(jī)器人幾乎被國際巨頭如ABB、KUKA等公司壟斷，因此國內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展前景依然任重而道遠(yuǎn)。

3 機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、光機(jī)電一體化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制理論及人工智能等的迅猛發(fā)展，機(jī)器人從傳統(tǒng)的工業(yè)制造領(lǐng)域迅速向醫(yī)療服務(wù)[11]、家庭服務(wù)、教育娛樂、勘探勘測、生物工程、救災(zāi)救援、深空深海探測、智能交通等領(lǐng)域擴(kuò)展[12]。傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器人作業(yè)性能提升的需求，以及其他領(lǐng)域推廣應(yīng)用機(jī)器人的需求，引領(lǐng)著機(jī)器人在新時(shí)代里發(fā)展的新方向、新趨勢(shì)[13]。

在傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域，隨著生產(chǎn)完全自動(dòng)化、無人化的推進(jìn)，對(duì)于復(fù)雜作業(yè)，機(jī)器人的智能化、群體協(xié)調(diào)作業(yè)成為關(guān)鍵問題;而在物流、碼垛、食品和藥品等領(lǐng)域，要讓機(jī)器人代替人工從事繁重枯燥的包裝、碼垛、搬運(yùn)作業(yè)，就需要對(duì)機(jī)器人的定位、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、自主控制、服務(wù)作業(yè)等技術(shù)和方法進(jìn)行重點(diǎn)研究;此外，由于工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)非線性、多變量的控制對(duì)象，對(duì)于高速度、高精度、重載荷的作業(yè)，工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、力控制還有待深入研究。

在醫(yī)療服務(wù)、救災(zāi)救援、深空深海探測等領(lǐng)域，機(jī)器人需要在動(dòng)態(tài)、未知、非結(jié)構(gòu)化的復(fù)雜環(huán)境中完成不同類型的作業(yè)任務(wù)，這就對(duì)機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性、環(huán)境感知、自主控制、人機(jī)交互提出了更高的要求。

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