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消毒机:我国工业机器人技术现状与产业化发展战略

颂通生物 发布时间:2018-10-26 01:20:04

我国工业机器人技术现状与产业化发展战略

(北京航空航天大学机械工程及自动化学院)

摘要:随着工业机器人的快速发展,其在汽车制造、机械加工、焊接、上下料、磨削抛光、搬运码垛、装配、喷涂等作业中
得到越来越多的应用。结合在机器人领域的相关工作,在分析国内外关于工业机器人发展现状的基础上,就工业机器人目前
涉及的灵巧操作、自主导航、环境感知、人机交互与安全性等前沿技术的研究做简要的综述。提出我国工业机器人产业发展
的若干思考和建议,希望能够在把握国内外工业机器人前沿技术发展动态的同时,为发展我国工业机器人技术与产业提供相
关战略思考与建议。
关键词:工业机器人;轻巧操作;自主导航;环境感知;产业化;发展战略
中图分类号:TP242


Research Status and Industrialization Development Strategy of Chinese Industrial Robot

(College of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University)

Abstract:With the rapid development of industrial robots, more and more robots are applied in the automobile manufacturing, mechanical processing, welding, loading and unloading, grinding and polishing, handling and palletizing, assembling, painting and other operations. Combining the relevant work in the field of robotics, the domestic and international present and developing condition of industrial robots are discussed, and then a brief review on researches of cutting-edge technology is proposed, such as dexterous manipulation, autonomous navigation, environmental perception, human-robot interaction and security. Thinking and suggestion of Chinese industrial robot development are proposed, which keeps track of the latest developments in industrial robots, and helps to develop the theory, method and suggestion for Chinese robotics technology and industries. 

Key words:industry robot;dexterous manipulation;autonomous navigation;environmental perception;industrialization;development strategy


    0 前言


    国际机器人联合会(International Federation of Robotics,IFR)将机器人定义如下:机器人是一种半自主或全自主工作的机器,它能完成有益于人类的工作,应用于生产过程称为工业机器人,应用于特殊环境称为专用机器人(特种机器人),应用于家庭或直接服务人称为(家政)服务机器人[1]。这种内涵广义的理解是机器人自动化机器,而不应该理解为如翻译的像人一样机器。

    国?#26102;?#20934;化组织(International Organization for Standardization,ISO)对机器人的定义为“机器人是
一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手,这种机械手具有几个轴,能够借助于可编程序操作处理各种材料、零件、工具和专用装置,以执行种种任务”[2]。按照 ISO 定义,工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人,是自动执行工作的机器装置,是靠自身动力?#28034;?#21046;能力?#35789;?#29616;各种功能的一种机器[3];它接受人类的指令后,将按照设定的程序执行运动路径和作业。工业机器人的典型应用包括焊接、喷涂、组装、采集和放置(例如包装和码垛等)、产品检测和测试等[4]

    根据美国 2013 年 3 月发布机器人发展路线图[5],具有一定智能的可移动、可作业的设备与装备称为机器人,如智能吸尘器(?#19994;?、空中机器人(无人机)、智能割草机(农机)、智能家家居(智能建筑与家具)、谷歌移动车辆(无人车)等都被认为是机器人。
    现代工业机器人的发展开始于 20 世纪中期,依托计算机、自动化以及原子能的快速发展[6]。为了满足大批量产品制造的迫?#34892;?#27714;,并伴随着相关自动化技术的发展,数控机床于 1952 年诞生[7],同时数控机床的控制系统、伺服电动机、减速器等关键零部件为工业机器人的开发打下?#24605;?#23454;的基础;同时,在原子能等核辐射环境下的作业,迫?#34892;?#35201;特殊环境作业机械臂代替人进行放射性物质的操作与处理,基于此?#20013;?#27714;,1947 年美国阿尔贡研究所研发了遥操作机械手[8],1948 年接着研制了机械式的主从机械手[9]。1954 年美国的戴沃尔对工业机器人的概念进行了定义,并进行了专利申请[10]。1962年美国的 AMF 公司推出的“UNIMATE?#20445;?#26159;工业机器人较早的实用机型[11],其控?#21697;?#24335;与数控机床类似,但在外形上由类似于人的手和臂组成。1965年,一种具有视觉传感器并能对简单积木进行识别、定位的机器人系统在美国麻省理工大学研制完成[12]。1967 年机械手研究协会在日?#22659;?#31435;,并召开了首届日本机器人学术会议[13]。1970 年第一届国际工业机器人学术会议在美国举行,促进了机器人相关研究的发展。1970 年以后,工而机器人的研究得到广泛、较快的发展[14]
    1967 年日本川崎重工业公司首先?#29992;?#22269;引进机器人及技术,建立生产厂房,并于 1968 年试制出第一台日本产通用机械手机器人[15]。经过短暂的摇?#33322;?#27573;,日本的工业机器人很快进入实用阶段,并由汽车业逐步扩大到制造业其他领域。1980 年被称为日本的“机器人普及元年?#20445;?#26085;?#31350;?#22987;在各个领域推广使用机器人,这大大缓解了市场劳动力?#29616;?#30701;缺的社会矛盾。1980—1990 年日本的工业机器人处于鼎盛时期[16]。20 世纪 90 年代,装配与物流搬运的工业机器人开?#21152;?#29992;[17]
    自从 20 世纪 60 年代以来,工业机器人在工业发达国家越来越多的领域得到了应用,尤其是在汽车生产线?#31995;?#21040;了广泛应用,并在在制造业中,如毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、打磨抛光、上下料、装配、检测及仓库?#35759;?#31561;作业中得?#25509;?#29992;,提高了加工效率与产品的一致性[18]。作为先进制造业中典型的机电一体化数字化装备,工业机器人已经成为衡量一个国家制造业水平?#28034;?#25216;水平的重要标志[19]

    从 1960 年开始,经过 50 年发展,工业机器人产业化整机的世界规模 100 亿~120 亿美元,年销售台套 16 万台套,累计装机量 120 万~150 万台套,考虑相关软件、零部件及系统集成应用整体规模在300 亿~500 亿美元市场,近 5 年市场增长率 10%[20]
    我国工业机器人整机规模为 30 亿~50 亿人民币市场,考虑相关软件、零部件及系统集成应用整体规模 100 亿~300 亿人民币市场,服务机器人刚刚开始,龙头企业 3 家~5 家,规模在 5 亿~10 亿,相关小企业 30 家~50 家左?#36965;?#36817; 3 年市场增长率20%~30%[21]
    工业机器人作为高端制造装备的重要组成部分,技术附加值高,应用?#27573;?#24191;,是我国先进制造业的重要支撑技术和信息化社会的重要生产装备,将对未来生产和社会发展及增强军事国防实力都具有十分重要的意义,有望成为继汽车、飞机、计算机之后出现的又一战略性新兴产业[22]
    世界各国工业机器人发展计划。世界各国纷纷将突破机器人技术、发展机器人产业摆在本国科技发展的重要战略地位。美国、日本、?#20998;蕖?#38889;国等国家和地区都非常重视机器人技术与产业的发展,将机器人产业作为战略产业,纷纷制定其机器人国家发展战略规划。
    美国相关机器人发展计划。美国机器人发展起步早,其发展思路是立足于相关机器人核心技术实现产业化[23-24],并提出了相关的工业机器人发展计划[25-29]。2011 年 6 月美国总统奥巴马在卡耐基梅隆大学?#19981;?#20013;,提出“NRI 国家机器人发展计划(NASA,NSF,NIH)?#20445;?#24076;望振兴美国制造业[30]。接着,美国在 2013 年 3 月提出了“美国机器人发展发展路线图?#20445;?#23558;围绕制造业攻克工业机器人的强?#35270;π院涂?#37325;构的装配、仿人灵巧操作、基于模型的集成和供应链的设计、自主导航、非结构化环境的感知、教育训练、机器人与人共事的本质安全性等关键技术。
    日本相关工业机器人发展计划。日本一贯将工业机器人技术列入国?#19994;?#21457;展计划和重大项目,不论在技术方面,还是在市场规模方面,日?#22659;频?#19978;是“机器人大国”。日本提出了机器人路线图,包含三个领域,?#30784;?#26032;世纪工业机器人”、“服务机器人”和“特种机器人?#20445;?#24182;从技术图中的重要技术明确其性能和技术指标,并提到创建和扩大机器人的早期市场,缩短满足多?#20013;?#27714;的机器人的开发时间、降低成本、扩大加入的企业。智能机器人技术软件计划(2007—2011 年)资助 9700 万人民?#36965;?#22522;本机器人技术开放式创新改进传统技术(2008—2010年)资助约 1 000 万人民?#36965;?#20808;进机器人单元技术战略开发计划(2006—2010 年)预算 5 447 万人 民币[31-32]
    ?#20998;?#30456;关工业机器人发展计划。欧盟第七研发框架计划(2007—2013 年)投入机器人研究经费达 6亿欧元,未来的研究计划(2013—2020 年)对机器人研究的经费投入将达到 140 亿欧元[33-34],另外还提出了 2002—2022 年?#20998;?#26426;器人研究与应用的路线图[35]
    韩国相关工业机器人发展计划。韩国工业机器人产业起步?#36132;恚?#20294;发展速度较快。韩国于 20 世纪80 年代末开始大力发展工业机器人技术,在政府的资助和引导下,由现代重工集团牵头,用了 10 年的时间形成其工业机器人体系,目前韩国的汽车工业大量应用其本国的机器人。韩国将机器人与互联网相结合,提出了“839”战略计划[36],其中智能机器人是其提出的九项核心技术之一。韩国在 2003年提出了“十大未来发展动力产业”计划,2004 年韩国信息通信部提出“IT839”计划[37],及其“无所不在的机器人伙伴”项目,2008 后每年 4 000 亿韩元(约合 22 亿人民币)[38];2009 年韩国政府提出了“第一次智能型机器人基本计划?#20445;?#35745;划在 2013年以前投入 1 万亿韩元(约合 55 亿人民币)[39]
    世界工业机器人的发展模式。世界各国的工业机器人产业发展过程,分为三种不同的发展模式,即日本模式、?#20998;?#27169;式和美国模式[40]
    日本模式为基于完?#39057;?#24037;业机器人产业链分工进行发展,日本机器人制造厂商以面向开发新型工业机器人和批量化生产的机器人产品为发展目标,并由应用工程集成公司针对不同行业的具体工艺与需求,开展工业机器人生产线成套系统的集成应用。
    ?#20998;?#27169;式为用户单位提供一揽子的系统集成解决方案,工业机器人的生产、应用工艺的系?#25104;?#35745;与集成调试,均有工业机器人的制造商?#26800;?#21644;完成。
    美国模式为集成应用,在全球?#27573;?#20869;采购工业
机器人主机及成套设?#39057;?#37197;套设备,由工程公司进口,在进行集成生产线的设计、外围设备的研发与集成调试应用。
    大力发展工业机器人的意义及未来空间。新一轮工业革命呼唤着工业机器人产业的发展,市场激烈竞争、小批量多品种客户定制、劳动力成本不断上升、新技术突破进步对工业机器人存在着迫?#26800;?#38656;求。信息化、智能化、绿色化将是未来制造业的重要发展方向,以工业机器人?#20219;?#20027;体的技术与装备将成为未来制造强国的重要标志,在促进我国智能制造的发展,推动工业机器人产业化突?#21697;?#38754;具有重要的意义[41]
    随着我国劳动力成本的逐年增加,老龄化社会的到来[42],可进行传统加工制造业的一线工人将保?#31181;?#24180;减少的趋势,同时社会服务的成本将增加,我国对工业机器人及自动化加工装备的需求将逐步增加。国际制造环境竞争的日益激?#36965;?#23458;户可定制、柔性加工制造、成?#23601;?#20837;与效率提高、整合全球资源逐渐成为制造业竞争力的核心要素[43]
    因而,我国工业机器人的市场需求是?#25307;?#19982;?#20013;?#30340;,期望一个新时代到来,厂厂?#21152;?#26426;器人[44]。工业机器人发展的临界点已经到来,工业机器人发展将是中国制造业历史上一次机遇与革命。


    2 国内外工业机器人技术与产业发展 现状


    2.1 国外工业机器人技术与产业发展现状


    自从 20 世纪 60 年代开始,经过近六十年的迅速发展,随着对产品加工精度要求的提高,关键工艺生产?#26041;?#36880;?#25509;?#24037;业机器人代替工人操作,再加上各国对工人工作环境的严格要求,高危、有毒等恶劣条件的工作逐渐由机器人进行替代作业,从而增加了对工业机器人的市场需求。
    在工业发达国家中,工业机器人及自动化生产线成套装备己成为高端装备的重要组成部分及未来发展趋势,工业机器人已经广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、物流、制造业等领域[45],工业机器人在主要领域的年度供应量如图 1 所示(数据来源:IFR)。
    ?#20998;蕖?#26085;本在工业机器人的研发与生产方面?#21152;?#20248;势,其中知名的机器人公司包括 ABB、KUKA、FANUC、YASKAWA 等,这四家机器人企业占据的工业机器人市场份额达到 60%~80%[46]。美国特种机器人技术创新活跃,军用、医疗与家政服务机器人产业?#21152;?#32477;对优势,?#21152;?#26234;能服务机器人市场60%[47]。我国工业机器人需求迫切,以每年 25%~30%的速度增长,年需求量在 2 万~3 万台套,国产工业机器人产业化刚刚开始;在区域分布上,沿海地区企业需求高于内地需求,民营企业对工业机器人的需求高于国有企业的需求,各地政府及企业提出了相关发展规划将大力发展机器人产业。

在国外,工业机器人技术日趋成熟,已经成为一种标准设备被工业界广泛应用,相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司[48],包括瑞典的 ABB Robotics,日本的 FANUCYaskawa,德国的 KUKA Roboter,美国的 Adept TechnologyAmerican RobotEmerson Industrial AutomationS-T Robotics ,意大利 COMAU ,英国的 AutoTech Robotics,加拿大的 Jcd International Robotics,以色?#26800;?Robogroup Tek 公司,这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。表 1 为国际上机器人技术水平对比[49],从表 1 中可见,日本和欧盟的工业机器人技术最为先进,日本是全球?#27573;?#20869;国内工业机器人生产规模最大、应用最广的国家,而隶属于欧盟组织的德国则名列全球第二?#32531;?#22269;在服务类机器人?#31995;?#21457;展较为优秀,而美国则侧重于医疗和军事机器人等方面。


根据国际机器人联合会(IFR)统计,国际工业机器人市场从 2010 年开始增长。全球?#27573;?#20869;机器人的发展,受到金融危机的影响,2009 年工业机器人比2008 年下降了 0.5%2010 年,全世界新安装的工业机器人数量逐步接近 20052008 年的高峰期,共供应了 115 000 台工业机器人,机器人制造商的营业额总计 20 亿欧元,同比增长 24%[50]

根据 IFR 预计,全球运行的工业机器人将从2009 年的 103.1 万台提高到 2011 年的 105.7 万台,增长 2.5%。到 2012 年,全球新安装工业机器人将达到 10.4 万台/[50],全球工业机器人的销量增长趋势图如图 2 所示(数据来源:IFR)


我国2011年工业机器人销售2.26万台,比2010年增长了 51%,成为继日本、韩国之后的全球第三大工业机器人市场,全球工业机器人六大主要市场数据如图 3 所示(数据来源:IFR)。据 IFR 预测,到2014 年,中国有望成为全球最大的机器人市场。

2.2 国内工业机器人技术与产业发展现状

我国工业机器人面临着历史上难得的发展机遇,包括政策红利、经济转型升级等?#25307;?#38656;求的释放。制造业的转型升级将推动我国高端制造装备的发展,我国制造业需要实现从?#25353;蟆?#21040;“强?#20445;?#21516;时国内外经济环境的变化将?#36129;?#20135;业转型升级,我国制造业将从依靠廉价劳动力、破环资源与环境的粗放式发展模式向依靠提高生产效?#30465;?#29615;境友好型的精细式发展模式进行转变。工业机器人作为我国高端装备制造的基础设备之一,是我国“十二五”发展规划中高端制造装备战略性新兴产业的重要组成部分,也是其他战略性新兴产业发展的重要基础装备。随着我国产业的逐?#38454;?#22411;升级,以工业机器人为代表的智能装备将实现爆发式增长。

长期以来,由于我国人口众多、劳动力价格低廉、生产技术水平相对落后,工业机器人的应用受到了很大限制。但是,随着工业机器人价格的降低和性能指标的提高,我国人工成本的增加、工作环境的改变和多元化的市场竞争,各企业面临着重重压力。工业机器人及配套的自动化装备作为一个快速成长中的新兴产业,将对未来生产和社会发展发挥着越来越重要的作用。

据统计,“十一五”期间,我国工业机器人的需求量快速增长,市场规模数据如图 4、图 5 所示(数据来源:IFR)。截止 2010 年,我国工业机器人拥有量达到 4 万台以上,主要包括焊接、喷涂、注塑、装配、搬运、冲压等各类机器人[51]

国内在工业机器人研发方面,沈阳新松机器人自动化股份有限公司在自动导引车(Automated guided vehicleAGV) 等方面取得重要市场突破[52], 哈尔滨博实自动化股份有限公司重点在石化等行业的自动包装与码垛机器人方面进行产品开发与产业化推广应用[53],广州数控设备有限公司研发了自主知识产权的工业机器人产品,用于机床上下料 [54],昆?#20132;?#24658;焊接股份有限公司开展了焊接机器人研发与应用[55],上海沃迪科技公司联合上海交通大学研制成功了码垛机器人并进行市场化推广[56],天津大学在并联机器人上取得了重要进展,相关技术获得美国专利[57-58]。奇瑞装备有限公司[59]与哈尔滨工业大学合作研?#39057;?/span> 165 kg 点焊机器人,已在自动化生产线线开?#21152;?#29992;,分别用于焊接、搬运等场合,自主研制出我国第一条国产机器人自动化焊接生产线,可实现 S11 车型左右侧围的生产,如图 6所示。另外,安徽埃夫特、南京埃斯顿、安徽巨一自动化、常州铭赛、青岛?#24179;?#33258;动化、苏州博实、北京博创等在工业机器人整机、系统集成应用或是核心部件方面也进行?#25628;?#21457;和市场化产业推广[60]

3 工业机器人核心关键技术

我国工业机器人尽管在?#25215;?#20851;键技术上有所突破,但?#35895;?#20047;整体核心技术的突破,特别是在制造工艺与整套装备方面,缺乏高精密、高速与高效的减速机、伺服电动机、控制器等关键部件。建议对关键技术开展攻关,掌握以下核心技术:模块化、可重构的工业机器人新型机构设计,基于实时系统和高速通?#25243;?#32447;的高性能开放式控制系统,在高速、负载工作环境下的工业机器人优化设计,高精度工业机器人的运动规划和伺服控制,基于三维虚拟仿真和工业机器人生产线集成技术,复杂环境下机器人动力学控制,工业机器人故障远程诊断与修复技术等。

3.1 工业机器人灵巧操作技术

工业机器人机械臂和机械手在制造业应用中模仿人手的灵巧操作[61],在感知,高精度高可靠性感知,规划?#28034;?#21046;性方面开展关键技术研发,最终达到通过独立关节以?#25353;?#26032;机构、传感器,达到人手级别的触觉感知阵列,动力学性能超过人手的高复杂度机械手能够进行整只手的握取,并能做加工厂工人在加工制造环境中的灵活性操作工作。在工业机器人创新机构和高执行效力驱动器方面,通过改进机械装置和执行机构以提高工业机器人的精度、可重复性、分辨率等各项性能[62-64]。进而,在与人类共存的环境中,工业机器人驱动器和执行机构的设计、材?#31995;难?#25321;,需要考虑工业机器人的驱动安全性。创新机构包括外?#36235;饋?#26234;能假肢,需要高强度的自重/负载比、低排放执行器、人与机械之间自然的交互机构等。采用新材料提高工业机器人的负载与自重比。

3.2 工业机器人自主导航技术

在由静态障碍物、车辆、行人和动物组成的非结构化环境中实现安全的自主导航[65],对装配生产线上对原材料进行装卸处理的搬运机器人、原材?#31995;?#25104;品的高效运输的 AGV 工业机器人以及类似于入库存储和调配的后勤操作、采矿和建筑装备的工业机器人均为关键技术,需要进一步进行深入研发技术攻关[66]

一个典型的应用为无人驾驶汽车的自主导航,通过研发实现在有清晰照明和路标的?#25105;?#29616;代化城镇上行驶,并能够展示出其在安全性方面可以与有人驾驶车辆相提并论。自主车辆在一些领域甚至能比人类驾驶做得更好,?#28909;?#33258;主导航通过矿区或者建筑区,倒车入库,并排停车以及紧急情况下的减速和停车[67]

3.3 工业机器人环境感知与传感技术

未来的工业机器人将大大提高工厂的感知系统,以检测机器人及周围设备的任务进展情况,能够及时检测部件和产品组件的生产情况、估算出生产人员的情绪和身体状态,需要攻克高精度的触觉、力觉传感器和图像解析算法[68-70],重大的技术挑战包括非侵入式的生物传感器[71]及表达人类行为和情绪的模型。通过高精度传感器构建用于装配任务和跟踪任务进度的物理模型,以减少自动化生产?#26041;?#20013;的不确定性。

多品?#20013;?#25209;量生产的工业机器人将更加智能,更加灵活,而且将可在非结构化环境中运行,并且这种环境中包含有人类/生产者参与,从而增加了对非结构化环境感知与自主导航的?#35759;齲?#38656;要攻克的关键技术包括 3D 环境感知的自动化[72-73],是在非结构环境中?#37096;?#23454;现产品批量生产,?#35270;?#26426;器人在加工车间中的典型非结构化环境。

3.4 工业机器人的人机交互技术

未来工业机器人的研发中越来越强调新型人机合作的重要性,研究全浸入式图形化环境、三维全息环境建模、真?#31561;?#32500;虚拟现实装置以及力、温度、振动等多物理作用效应人机交互装置[74]。为了达到机器人与人类生活行为环境以及人类自身和谐共处的目标,需要解决的关键问题包括:机器人本质安全问题,保障机器人与人、环境间的绝对安全共处;任务环境的自主?#35270;?#38382;题,自主?#35270;?#20010;体差异、任务及生产环境;多样化作业工具的操作问题,灵活使用各种执行器完成复杂操作[75];人-机高效协同问题[76],准确理解人的需求并主动协助。在生产环境中,注重人类与机器人之间交互的安全性。根据终端用户的需求设计工业机器人系统以及相关产品和任务,将保证人机交互的自然,不仅?#21069;?#20840;的而且效益更高。人和机器人的交互操作设计包括自?#25381;?#35328;、手势、视觉和触觉技术等,也是未来机器人发展需要考虑的问题。工业机器人必须容?#36164;?#25945;,而且人类易于学习如何操作。机器人系统应设立学?#26696;?#21161;功能用以实现机器人的使用、维护、学习、和错误诊断/故障?#25351;?#31561;。

3.5 基于实时系统和高速通?#25243;?#32447;的工业机器人开放式控制系统

基于实时操作系统和高速总线的工业机器人开放式控制系统,采用基于模块化结构的机器人的分布式软件结构设计[77],实现机器人系统不同功能之间无缝联接,通过合理划分机器人模块,降低机器人系统集成?#35759;齲?#25552;高机器人控制系统软件体系实时性;攻克现有机器人开源软件与机器人操作系统兼容性、工业机器人模块化软?#24067;?#35774;计与接口规范及集成平台的软件评估与测试方法、工业机器人控制系统?#24067;?#21644;软件开放性等关键技术[78];综合考虑总线实时性要求,攻克工业机器人伺服通?#25243;?#32447;,针对不同应用和不同性能的工业机器人对总线的要求,攻克总线通信协议、支持总线通信的分布式控制系统体系结构,支持典型多轴工业机器人控制系统及与工厂自动化设备的快速集成。


4 我国工业机器人产业发展若干思考

工业机器人产业属于高端制造业,只有规模才?#34892;?#30410;,而且与我国工业基础能力关联密切,需长期进行培育,包括培育系统集成商、整机制造商、零部件配套商等;工业机器人的集成应用工艺、应用成本与关键零部件一直是制约规模应用的瓶颈问题,一个企业需要上百、上千台?#36164;?#22330;推动才能可?#20013;?#21457;展;有待加强培育市场认可的工业机器人规模龙头企业、核心零部件配套企业,培育产业链发展,产学研紧密结合,资?#23601;?#36164;有待加强。

4.1 工业机器人的规模化市场应用是前提

工业机器人作为一种智能制造的基础装备,只有结合具体的应用对象、应用环境和应用工艺,工业机器人自动化智能化才能发挥作用;工业机器人应用工程往往先行,焊接、搬运、打磨、喷涂、装配机器人需要与周边工作站的工装夹具、传送装置、月 2014 5 月 王田苗等:我国工业机器人技术现状与产业化发展战略 7 检测装置、操作对象等紧密结合,工业机器人单台价?#21040;?#26159;机器人自动化应用工程的 20%30%;应用企业第一要求的自动化效益包括投入产出比、无故障时间,其次是再考虑机器人本身型号与性能。工业机器人应坚持工程应用工艺优先,工业机器人在产业规模上,产销 100 台套起步、产销 500台?#36164;?#29616;收入-支出的?#21046;健?#20135;销 1 000 台套以上实现盈利,其中需要充分重视工业机器人应用的行业领域方向的选择,应大力发展相关行业的应用集成商。市场需求驱动是工业机器人发展的直接动力,随着人口红利降低,尤其是 2 4 人口结构,工业机器人发展需求是长期的当前市场需求来?#35789;?#21361;险、繁重、单调工种,招工难或是用工成本高,这有一个平衡点,而且随时间是变化的。以 165 kg 焊接机器人产业化成本分析为例,随着核心零部件的国产化,优化配套厂家资源,批量材料加工件效率,1 000 台套的成本将由 32 万元降到 18 万元左?#36965;?#22914;图 7 所示,大幅降低了 56%

 

4.2 国产工业机器人的主机成本与可靠性是核心

我国产业化应用的工业机器人,不仅要求成本价格合理,还需要具有?#24049;?#30340;可靠性,其自动化智能化的效率提高需要基于高可靠性的连续工作,包含的产业链长、投入大,需要长期发展才能在业内形成客户信赖的品牌。通过打通工业机器人产业链的上下?#21361;?#38477;低机器人及成套设备的成本将加速拐点到来,支撑工业机器人市场井喷发展的必由之路,如图 8 所示。

 

工业机器人的可靠性涉及材料选择、优化设计、核心部件、加工制造、工艺处理、集成调试、使用维护等关键因素。据统计,目前国产机器人可靠性方面较容易出故?#31995;?#26041;面包含高速转动的结构件精度、接口插件、频繁操作按纽开关、元器件故?#31995;齲?#21046;造故障包含虚焊、加工精?#20219;?#36798;标等。国外工业机器人的平均无故障时间达到了 5 h,单台工业机器人在 8 年的时间内,机器人失效率为 0.2×104;例如某厂使用了 100 台机器人,节拍为 120 s,因为是串联系统,100 台机器人的失效率为 100×0.2×104=2×103,其 MTBF 500 h,则平均 500×60/2=15 000 台车,机器人会出现一次故障。如果出现故障后,平均维修时间为 4 h,则会损失4×60/2=120 台车,因而,汽车生产线对工业机器人的高可靠性要求极高。

4.3 工业机器人核心零部件是关键

工业机器人核心零部件包含高精度减速器、伺服电动机和驱动器、控制器,对整个工业机器人的性能指标起着关键作用,并具有通用?#38498;?#27169;块化的单元构成。以安徽埃夫特机器人为例,其关键零部件如图 9 所示。

 

我国工业机器人的关键部件依?#21040;?#21475;,尤其是在高精密减速器方面的差距?#20219;?#31361;出,制约了我国国产工业机器人产业的成熟及国?#31034;?#20105;力的形成,图 10 所示为我国 50 kg 工业机器人成本分析[79];在工业机器人的诸多技术方面仍停留在仿制层面,创新能力不足,制约了工业机器人市场的快速发展;存在重视工业机器人的系统研发,但忽视关键技术突破,使得工业机器人的?#25215;?#26680;心技术处于试验阶段,制约了我国机器人产业化进程。

4.4 技术与商务创新是工业机器人产业化发展的关键出路

工业机器人企业应重视品牌效益的作用,实现工业机器人产品的价值体现,需要不断提高产品的可靠性使得用户对其信任放心;在技术创新方面,通过采用新材料提高工业机器人的负载与自重比,通过仿生灵巧手的创新应用提高工业机器人操作的灵巧性[80-81],通过自主导航技术的突破实现 AGV工业机器人的自主导航,通过视觉误差补偿[82]、新型结构创新降低精密制造成本,通过人机交互技术创新实现工业机器人的示教作业,攻克可变刚?#28909;?#24615;关节控制技术,提高工业机器人操作过程中的安全性[83];探索工业机器人的租赁、保险等创新服务,通过创新的商业模式进一步推动工业机器人的产业化推广。

工业机器人属于高端制造领域,需要以大规模、长时期的投入构建完整产业?#30784;?#34429;然我国高端装备制造业市场发展迅速,具有很大的发展潜力,我国的机器人已经进入产业化初期阶段,同时也取得多项令人鼓舞的成果,但如何抓住我国工业机器人市场快速增长的历史机遇,实现工业机器人产业的规模化发展,?#26434;行?#22810;问题值得思考。

国内机器人产业化发展有待秩序化与规范化。伴随我国工业机器人需求的?#35813;?#22686;长,企业纷纷看好工业机器人未来的市场规模与经济效益,大量企业蜂拥而上,但是企业实力?#39550;?#19981;齐,有可能造成国内工业机器人市场的恶性竞争;同时,国内?#34892;?#20225;业热衷于大而全,具有一定机器人关键部件研发基础的企业纷纷转入机器人整机的试制与生产,从而难以形成工业机器人研制、生产、制造、销售、集成、服务等?#34892;頡?#32454;化的产业?#30784;?

在我国机器人产业化发展战略方面,建议坚持工业规模化、服务嵌入化的原则,培育机器人产业发展,推动智能制造技术与装备发展的战略目标,突破机器人新材料、3D 环境识别、导航规划、灵巧操作等前沿技术,突破应用工艺、核心部件及可靠性集成平台等产业技术,大力发展经济型焊接、装配、搬运等工业机器人,大力发展智能嵌入服务于老人、医疗、安防、能?#30784;?#36710;辆、教育等各种设备之中的服务机器人。树立国家科技价值观,对机器人知名品?#39057;?#20449;任和尊重,实现可?#20013;?#30340;高附加值机器人产品研发,通过不?#31995;?#25216;术创新实现工业机器人技术与产业的引领发展;发展有市场竞争力的龙头企业,扶持中小型企业与系统集成商,形成良性循环的完整产业链配套;保护战略产业与装备?#23601;?#20225;业的市场空间,简单引资将失去宝贵市场机遇。

在国家计划与产业?#34892;?#34900;接实现协同创新驱动方面,建议建立高层次工业机器人技术研发与测试平台,加大对工业机器人核心零部件、核心关键技术研发的支持力度;建立机器人标准化、模块化等共享技术公共服务平台,推进成熟技术的产业化进程;发展工业机器人产业集?#28023;?#25903;持工业机器人产业基地和技术组群的建设,接纳全球机器人产业链龙头企业的产业转移,提升我国工业机器人产业的整体品牌效应。优化创新人才成长环境,重点培养一批高水平的研发?#28216;椋?#21152;快培养一批精业务、懂管理、具备市场眼光和全球视野的管理人才。优先研究和制定具有自主知识产权的工业机器人基础标准和安全标准体系,鼓励企业?#28034;?#30740;院所参与国?#26102;?#20934;的制订,为推进机器人产品走向市场奠定 基础。

我国工业机器人正在逐?#38454;?#21521;产业化,具有?#24049;?#30340;时代发展机遇,收到了投资商越来越多的关注,部分国家和地区在进行产业园或示范区的试点应用;技术创新与原始创新,依然是机器人突破性的发展关键要素,抓住机遇,理性发展;应遵循上游决定下?#21361;?#24212;用考核主机,主机带动部件,试验研发的策略,促进我国工业机器人技术与产业化的快速发展。

5 结论

我国制造业的发展正处于工业化发展过程中,具有自动化、智能化、绿色化、网络化、信息化的发展趋势,随着市场的激烈竞争、劳动力成本的逐渐上升,以及用户对个性化、定制化的需求越来越迫切,老龄化社会的加剧形成,一线产业工人减少的趋势不可逆转,我国制造业普遍需要技术和设?#24178;?#32423;改造,以增强竞争力,提高经济效益,因此,我国工业机器人产业的发展空间巨大。

工业机器人不只有工业装备的属性,未来一定会成为大众产品。一旦进入到大众生活之后,会像互联网一样,成为一个国家经济社会文化发展综合月 2014 5 月 王田苗等:我国工业机器人技术现状与产业化发展战略 9 载体,会形成庞大产业。在未来几年中国机器人产业将迎来爆发期,期望一个新时代到来。我国对工业机器人及工作?#23613;?#25104;套生产线的需求是?#25307;?#19982;?#20013;?#30340;,将迎接工业机器人发展的临界点,工业机器人发展将有力的支撑我国制造业的升级换代。

致谢:我国工业机器人发展得到了国家科技部高新计划发展及产业化司、科技部高技术发展研究中心刘进长研究员、国家高技术研究发展计划的先进制造技术领域专家组的大力支持,同时我国的机器人领域专家李泽湘、黄田、谭民、孙立宁、?#36234;堋?#40644;强、王耀南、刘成良、韩建达等同行也为这一基础装备制造产业的发展贡献自己的?#29615;?#21147;量,在此,作者表示深深的敬意。

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