工業(yè)機器人技術(shù)研究與發(fā)展綜述

韓峰濤

（珞石（北京）科技有限公司，北京，110108）

0 引言

當前新一輪的科技革命和產(chǎn)品改革正在進行中，其中機器人技術(shù)受到各國普遍的青睞。

機器人技術(shù)是集機械、電子、計算機、控制、傳感器等多技術(shù)交叉、綜合運用的高精端技術(shù)。國際標準化組織將工業(yè)機器人定義為一種自動化的、速度與位置可控的、可編程的，依靠自身及控制處理各種零件、工具，執(zhí)行并完成多種任務(wù)的多功能操作機器[1-2]。根據(jù)美國在2013年發(fā)布的機器人路線圖中，只要具有智能移動、可完成相關(guān)作業(yè)的設(shè)備或裝備，即為機器人，例如家電方面的掃地機、家具方面的智能家居、車輛方面的自主移動車輛等[3]。在機器人技術(shù)中，工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展水平代表了一個國家的制造業(yè)自動化程度，體現(xiàn)了一個國家的制造業(yè)水平。

工業(yè)機器人是指在工業(yè)領(lǐng)域完成相關(guān)作業(yè)的機器人，該機器人具有多個自由度、高附加值、寬廣的應(yīng)用范圍[4-6]。工業(yè)機器人具有較高的效率、速度、質(zhì)量等優(yōu)點，可以完成包括搬運、裝配、垃圾分類、噴漆、焊接等在內(nèi)的，具有高污染、高有害、高低溫等危險環(huán)境作業(yè)的，且需要重復(fù)、單調(diào)勞動的工作，解放勞動力。從上世紀50～60年代開始，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化的世界規(guī)模已達100億～200億美元，累計裝機量120萬～150萬臺。結(jié)合工業(yè)機器人的控制軟件、基礎(chǔ)零部件等配套，其市場規(guī)模達300億～500億美元[5]。并且，工業(yè)機器人還可以與自動搬運導(dǎo)航車（AGV）、數(shù)控加工中心、自動生產(chǎn)線等組合成柔性生產(chǎn)系統(tǒng)，達到生產(chǎn)平臺的高智能化、高柔性化及無人化，再一次擴大了工業(yè)機器人的市場規(guī)模。

根據(jù)IFR2020年發(fā)布的全球工業(yè)機器人統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2019年全球工業(yè)機器人安裝量為37.3萬臺，比上年減少12%。截至2019年底，全球工業(yè)機器人累計安裝量270萬臺套，增長了12%。

亞洲市場機器人增長速度放緩，但依舊保持強勁勢頭。其中，中國依舊是全球最大的機器人市場，2019年工業(yè)機器人新安裝約14.05萬臺，雖然比上年下降9%，但仍比5年前的銷量（2014年5.7萬臺）翻了一番，高居榜首。中國工業(yè)機器人累計安裝量已經(jīng)達到了78.3萬臺，總量亞洲第一，年增長21%。日本排名第二，約有35.5萬臺，增長了12%。印度新紀錄達到2.63萬臺，年增加15%。五年時間，印度工業(yè)機器人年安裝量翻了一番。在國內(nèi)，超過一半的工業(yè)機器人市場由外國機器人公司占據(jù)，而國內(nèi)機器人公司主要面向國內(nèi)市場，并且市場份額也在逐步增加。

美洲市場新安裝量明顯下降。2019年美國工業(yè)機器人新安裝量下降了17%，約3.33萬臺，但仍是歷史第二高位。美國工業(yè)機器人產(chǎn)品大多是從日本和歐洲進口，其國內(nèi)企業(yè)以集成商為主。墨西哥近4600臺的新安裝量，與上年相比下降了20%，排名第二。2019年加拿大的工業(yè)機器人新安裝量略微增長了1%，達到3600臺，創(chuàng)下新記錄。巴西工業(yè)機器人新安裝量下降了17%，約1800臺，但是這一數(shù)字仍然屬于該國歷史上的較高位置。

歐洲各個國家工業(yè)機器人年安裝量變化很大。德國2019年新安裝了約20500個機器人，下降23%；而法國、意大利和荷蘭2019年工業(yè)機器人新安裝量分別增長了15%、13%和8%。英國工業(yè)機器人新安裝量也較低，下降了16%。截至2019年底，歐洲工業(yè)機器人累計安裝量58萬臺，年增長7%。德國仍然是主要的用戶，累計安裝量為22.15萬臺，約是意大利（7.44萬臺）的3倍，法國（4.2萬臺）的5倍和英國（2.17萬臺）的10倍。

隨著作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜化，作業(yè)任務(wù)的深度化，越來越多的機器人供應(yīng)商開始提供可以完成高難度作業(yè)任務(wù)的協(xié)作機器人方案，而協(xié)作機器人的應(yīng)用范圍也正在變得越來越廣。截止到2019年底，在新安裝的工業(yè)機器人數(shù)量中，協(xié)作機器人新安裝數(shù)量占據(jù)5%的市場份額。2019年，協(xié)作機器人的安裝量增加了11%，與工業(yè)機器人的安裝量下降，形成了鮮明對比。

工業(yè)機器人技術(shù)結(jié)合當下的人工智能技術(shù)，再一次得到了迅猛發(fā)展。世界上的發(fā)達國家和一些發(fā)展中國家面對當下工業(yè)機器人技術(shù)的新形勢、新機遇、新挑戰(zhàn)，紛紛出臺了一系列的國家政策與方針，例如美國的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”計劃與2011年提出的“NRI國家機器人發(fā)展計劃（NASA、NSF、NIH）”等、德國政府出臺的“工業(yè)4.0”、日本發(fā)布的“重振制造業(yè)”以及中國政府實施的“中國制造2025”計劃等，均使得工業(yè)機器人技術(shù)再一次騰飛[7]。

1 工業(yè)機器人系統(tǒng)及特點

多軸的工業(yè)機器人是一種軟、硬件的多系統(tǒng)組合，其形式與人類的手臂相似。在結(jié)構(gòu)上，工業(yè)機器人一般由基座、關(guān)節(jié)、末端執(zhí)行器組成，如圖1所示。在控制上，其主要由電機控制組成，其中還有各個傳感器的信號反饋等。工業(yè)機器人通過控制各個關(guān)節(jié)的電機轉(zhuǎn)速，完成各種高精度、高復(fù)雜度、高靈敏度的任務(wù)[8]。

圖1 機械臂結(jié)構(gòu)組成

工業(yè)機器人的特點具體表現(xiàn)為以下幾個方面[9]：

1）能充分利用編程技術(shù)、軟件開發(fā)等，精確開展作業(yè)，完成高精密的任務(wù)，實現(xiàn)柔性化和智能化；

2）應(yīng)用于多領(lǐng)域，提高生產(chǎn)效率；

3）充分發(fā)揮數(shù)字化技術(shù)，體現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡(luò)化；

4）可帶動多學(xué)科發(fā)展，包括但不限于機器人控制技術(shù)、生產(chǎn)線自動化技術(shù)、有限元分析技術(shù)等。

2 工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀

世界上第一臺工業(yè)機器人是由美國在上個世紀60年代、為生產(chǎn)制造汽車而設(shè)計加工的一款類似于手臂的機器人。自此，世界上開始了工業(yè)機器人技術(shù)的研究與發(fā)展，也奠定了美國在工業(yè)機器人技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位[10]。

從20世紀70-80年代始，西方各國開始工業(yè)機器人技術(shù)的研究，并將工業(yè)機器人技術(shù)開始應(yīng)用到各個領(lǐng)域。如今，美國在行業(yè)內(nèi)依舊是技術(shù)霸主的地位，無可撼動。自1952年數(shù)控機床誕生之后，用于數(shù)控機床的伺服電機、控制系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)得到突破，這為工業(yè)機器人的發(fā)展奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。隨著在特殊環(huán)境下的作業(yè)任務(wù)越來越多，美國阿爾貢研究所在1974年發(fā)布了遙操作機械手。在之后的20年內(nèi)，包括該研究所在內(nèi)的眾多美國企業(yè)及科研機構(gòu)，例如戴沃爾、AMF、麻省理工大學(xué)等，研發(fā)了眾多工業(yè)機械手及工業(yè)機器人的實用機型，并對工業(yè)機器人的相關(guān)概念進行定義[11]，促進了機器人技術(shù)的發(fā)展[12]。

在1968年，日本研制出一臺通用型機械手（機器人）后，開始了工業(yè)機器人的發(fā)展之路，并迅速應(yīng)用于市場。到1980年，日本大力推廣機器人在市場上的應(yīng)用，使得工業(yè)機器人從汽車行業(yè)擴大到了制造業(yè)，有效緩解了市場上的勞動力供求問題，被稱為“機器人普及元年”。自1980年起，日本進入了工業(yè)機器人技術(shù)的鼎盛時期，并且逐步擴大到了物流行業(yè)[13]。在工業(yè)機器人技術(shù)及市場應(yīng)用方面，日本稱得上是“機器人大國”。在提出的機器人路線中，日本從“新世紀工業(yè)機器人”、“服務(wù)機器人”、“特種機器人”三個方面，細化重要技術(shù)，明確技術(shù)指標，從而加快研發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本、擴大應(yīng)用范圍[14]。

歐洲在歐盟提出的一系列機器人技術(shù)發(fā)展規(guī)劃中，也快速發(fā)展著工業(yè)機器人技術(shù)。歐盟第七研發(fā)框架計劃（2007-2013年）投入研發(fā)經(jīng)費達6億歐元，在2013-2020年研發(fā)計劃中，加大經(jīng)費投入力度，達140億歐元。歐洲還提出了2002-2022年歐洲機器人研究與應(yīng)用路線規(guī)格圖[15]。時至今日，日本和歐洲的工業(yè)機器人技術(shù)依舊具有較大優(yōu)勢，在工業(yè)機器人領(lǐng)域，屬于日本的安川、發(fā)那科和屬于歐洲的ABB、KUKA，四家機器人公司占據(jù)了全球工業(yè)機器人市場的半壁江山[16]。

韓國的工業(yè)機器人技術(shù)起步較晚。在上世紀80年代，韓國開始引進工業(yè)機器人技術(shù)，在政府的引導(dǎo)下，由企業(yè)牽頭，逐步形成了自有的工業(yè)機器人技術(shù)體系，并得到了飛速發(fā)展。在2003年至2004年，韓國分別提出了“十大未來發(fā)展動力產(chǎn)業(yè)”、“IT839”計劃和“無所不在的機器人伙伴”項目，發(fā)展工業(yè)機器人技術(shù)。從2008年開始，韓國政府加大工業(yè)機器人技術(shù)研發(fā)經(jīng)費，以此推動本國機器人技術(shù)的發(fā)展[17]。

工業(yè)機器人技術(shù)在世界各國遍地開花，在推動行業(yè)發(fā)展的同時，也為建立行業(yè)標準打下了堅實的基礎(chǔ)，也促使著工業(yè)機器人朝著更加便捷、智能等良性方向發(fā)展。

2.2 國內(nèi)工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀

我國在上個世紀70年代展開對工業(yè)機器人技術(shù)的研究與應(yīng)用工作。從第7個五年規(guī)劃開始，國家開始加強與工業(yè)機器人領(lǐng)域有關(guān)的技術(shù)研究，例如機械制造技術(shù)、電子技術(shù)、電子元件等[18]。到90年代，國家“863”計劃在全國范圍內(nèi)建立了多個工業(yè)機器人技術(shù)研發(fā)基地，加速技術(shù)突破，培養(yǎng)研發(fā)人員。進入21世紀后，工業(yè)機器人的市場需求猛增，依靠國內(nèi)廣闊的市場，我國的工業(yè)機器人技術(shù)再一次得到質(zhì)的發(fā)展。

到如今，我國形成了掌握關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)品實際應(yīng)用、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)格局，與此同時，國內(nèi)也涌現(xiàn)了多家具有自主產(chǎn)權(quán)、優(yōu)勢產(chǎn)品的工業(yè)機器人技術(shù)公司。沈陽新松機器人自動化股份有限公司在自動導(dǎo)引車（AGV）方面取得了重大市場突破[19]。哈爾濱博實自動化股份有限公司則在石化等行業(yè)的包裝與碼垛機器人方面進行了大量的產(chǎn)品研發(fā)與市場推廣[20]。奇瑞裝備與哈爾濱工業(yè)大學(xué)自主研制出了自動焊接生產(chǎn)線，并在相關(guān)行業(yè)中進行了應(yīng)用。上海沃迪自動化裝備股份有限公司聯(lián)合上海交通大學(xué)成功研制的碼垛機器人，并進行了市場化應(yīng)用推廣[21]。天津大學(xué)則在并聯(lián)機構(gòu)上取得技術(shù)突破，并取得了美國專利[22]。珞石科技有限公司在輕型機器人方面取得了領(lǐng)先地位，專注研發(fā)柔性協(xié)助機器人、輕型工業(yè)機器人等相關(guān)技術(shù)，其業(yè)務(wù)分布法、德、韓、日等發(fā)達國家。還有南京埃斯頓自動化股份有限公司、青島科捷自動化設(shè)備有限公司、江蘇匯博機器人技術(shù)股份有限公司、安徽埃夫特智能裝備有限公司等眾多國內(nèi)企業(yè)，在工業(yè)機器人技術(shù)領(lǐng)域發(fā)力，取得了工業(yè)機器人整機方面、系統(tǒng)集成方面、關(guān)鍵零部件技術(shù)方面等，追趕甚至反超發(fā)達國家的工業(yè)機器人技術(shù)。

我國從一開始依托引進國外技術(shù)，到現(xiàn)在形成自主技術(shù)，培育了自身人才，走出了一條具有中國特色的工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展之路。但不可忽視的是，與國外相比，我國的工業(yè)機器人技術(shù)雖然在某一領(lǐng)域領(lǐng)先于國外技術(shù)，還依舊存在一定差距，需繼續(xù)研究突破。

3 發(fā)展趨勢

3.1 基于深度學(xué)習(xí)的工業(yè)機器人技術(shù)

深度學(xué)習(xí)是當下的研究熱點之一。在面對日趨復(fù)雜的環(huán)境時，基于深度學(xué)習(xí)的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以有效地解決高復(fù)雜度環(huán)境下產(chǎn)生的多維度問題。

隨著技術(shù)的不斷進步，將工業(yè)機器人與深度學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合，可極大提高工業(yè)機器人的智能化，使得工業(yè)機器人可完成更高精度、更高效率的任務(wù)，且降低發(fā)生事故的可能性，實現(xiàn)人機共融、相互協(xié)作完成作業(yè)任務(wù)。

3.2 多機器人協(xié)作

工業(yè)機器人能夠完成的任務(wù)正朝著復(fù)雜化、精密化發(fā)展，這也提高了機器人完成作業(yè)的困難度。因此，多機器人協(xié)助作業(yè)成為工業(yè)機器人的研究熱點之一。

多機器人協(xié)助作業(yè)需要解決機器人的通信、決策問題，否則會降低作業(yè)完成度及作業(yè)效率，甚至?xí)鸶蟮纳a(chǎn)事故。這部分相關(guān)內(nèi)容還涉及多傳感器融合技術(shù)。

3.3 模塊化可重構(gòu)技術(shù)

當下，工業(yè)機器人只能滿足單一作業(yè)要求，或高度重復(fù)性的不同作業(yè)。當作業(yè)要求或作業(yè)環(huán)境發(fā)生改變時，工業(yè)機器人往往不能快速滿足新需求。因此，模塊化、可重構(gòu)的工業(yè)機器人技術(shù)成為研究熱點之一。

模塊化、可重構(gòu)的工業(yè)機器人技術(shù)，就是將工業(yè)機器人進行系統(tǒng)集成時，通過不同模塊之間的組合，快速構(gòu)建出不同能力的機器人，以完成不同要求、不同環(huán)境的作業(yè)任務(wù)，滿足高效率、高品質(zhì)的任務(wù)需求。

3.4 基于多傳感器融合的工業(yè)機器人技術(shù)

面對非結(jié)構(gòu)化的工作環(huán)境或多種需求的任務(wù)時，依靠單一傳感器工作的工業(yè)機器人不能夠快速有效地完成任務(wù)作業(yè)。因此，基于多傳感器融合的工業(yè)機器人技術(shù)越來越受到歡迎。當下，多傳感器融合技術(shù)需要解決多傳感器的通信、數(shù)據(jù)傳送等諸多問題，以此保證工業(yè)機器人在實際運用中的高可靠性、高穩(wěn)定性及高效率。

3.5 基于軟體的工業(yè)機器人技術(shù)

目前，工業(yè)機器人的工作環(huán)境大多較為單一，但隨著技術(shù)的發(fā)展及任務(wù)的拓展，其應(yīng)用場景也會發(fā)生改變。因此，研究工業(yè)機器人與軟體相結(jié)合成為一大熱點。

工業(yè)機器人結(jié)合軟體技術(shù)，可擴大機器人的應(yīng)用范圍，提高作業(yè)效率。

4 結(jié)束語

在全球范圍內(nèi)，COVID-19對2020年工業(yè)機器人的安裝會產(chǎn)生重大影響，同時，該事件也為智能化和數(shù)字化生產(chǎn)提供了復(fù)蘇的契機。初步預(yù)計，2020年全球工業(yè)機器人市場不大可能有大規(guī)模的訂單，雖然中國已于第二季度恢復(fù)生產(chǎn)，全年機器人安裝量或會有較好表現(xiàn)，但是全球受到COVID-19疫情影響，經(jīng)濟可能要到2022年或2023年才能恢復(fù)到疫情前的水平。

工業(yè)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，從快速、精確地處理工業(yè)生產(chǎn)的傳統(tǒng)工業(yè)機器人，到可以與人類安全地工作并完全集成到工作臺中的新型協(xié)作機器人，工業(yè)機器人的產(chǎn)品形式也在發(fā)生根本的改變。

從長遠來看，工業(yè)機器人安裝量增加的趨勢不會改變：以有競爭力的價格快速生產(chǎn)和交付個性化定制產(chǎn)品是企業(yè)安裝機器人最主要的誘因；其次，自動化使制造商能夠在不犧牲成本效益的前提下，保持先進發(fā)達的生產(chǎn)方式。

工業(yè)機器人技術(shù)已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史，形成了自有的成熟技術(shù)。然而，這樣的工業(yè)機器人未能夠滿足人們對美好生活的進一步追求，因此，將來的工業(yè)機器人技術(shù)不僅僅只應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，還將通過不斷創(chuàng)新，把機器人技術(shù)推向新的高點，擴展到人們生活的方方面面。屆時，整個行業(yè)技術(shù)將得到質(zhì)的飛躍，也能更好地促進社會經(jīng)濟發(fā)展。