福建省机器人学科发展研究报告

福建省电子学会

0 引言

随着经济全球化和信息技术不断发展，当今国际竞争的关键已不再是传统资源等有形资本，而是取决于科技为核心的综合国力。而机器人技术正是在工业领域中代表高科技的典范。工业机器人在工业生产中能代替人做某些单涮、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如排爆、水下探测、太空研究、自主移动战车、灭火、热处理、焊接、塑料制品成形以及完成对人体有害物料的搬运、喷涂等操作，工业机器人都得到了广泛的应用，大大提高了劳动生产率，降低了成本，提升了企业的竞争力，最大限度地保证了操作者的身体健康及人身安全，必将带来可观的社会经济效益，因此机器人的研究具有极为重要的意义。

1 我国机器人需求现状

近年来，工业机器人的销售继续呈现高增长态势。国内需求量大增，形成对国内、国外产品一并通吃的局面。粗略统计，2010年我国进口机器人2.34万台，同比增长130%；进口金额5.28亿美元，同比增长69%。2011年进口机器人3.8万台，同比增长62%；进口金额8.66亿美元，同比增长了64%。

廉价劳动力曾是中国制造业发展的主动力，而眼下劳动力已不如往昔庞大，也不像曾经那么廉价。面对这种情况，制造商们不惜重金购置机器，这一方面是为了提高生产力，另一方面是想生产质量上乘的产品。这样的变化，对习惯了不用与中国企业在高端产品市场竞争的美国、欧洲和日本企业而言，构成日渐强大的挑战。研究报告指出，在劳动力成本上升、制造业升级要求趋于强烈和机器人价格下降等因素综合作用下，中国市场的机器人需求正快速上升，预计到2014年就将成为“全球最大”。

上海的机器人产业目前基本被跨国公司牢牢掌控。世界四大机器人整机企业——瑞士ABB、日本发那科、安川电机和德国库卡，其中国总部或机器人总部都在上海，上海的产量其实是他们的产量。机器人产业的特点，是龙头企业占据上游，主导核心技术，提供核心部件如“大脑”、“心脏”和“关节”，或自行制造整机；而产业链下游会聚集起一批企业，向“龙头”购买关键部件，根据用户的个性化要求做配套加工和服务。目前，上海发育出了30多家本地的中小型机器人企业，绝大部分是背靠跨国公司做下游配套，具备整机量产能力的凤毛麟角。

不过，本土企业虽然“低端”，但还有钱可赚。有关调研发现，他们虽然只能吃到大蛋糕的边角，但得益于中国市场的大步快跑，眼下日子不难过，也没太多危机感。

但好日子也许不会太长。由于竞争加剧、利润收窄，龙头企业正尝试跳过下游企业，直接面对用户。据分析，几年后这种趋势可能越发明显。而且，上海本地企业面临的国内同行竞争也在加剧，比如重庆、广东、山东、辽宁等都已提出“大力发展机器人产业”；在长三角地区，一条“环上海机器人产业带”正开始浮现。诸多国内竞争者的优势在于，当地制造业趋于集中，他们有紧靠客户群的种种便利，而且多项成本低于上海。

虽然有分析认为，国内机器人产业受制于跨国公司的技术垄断，难以“自主”；但技术与产业并非单向的“因果关系”，先建立产业化平台，扶持自主品牌整机企业，以规模化应用带动持续研发，寻求技术突破。上海迫切需要建立大型整机企业来牵引产业链，有效整合国内的各方力量，推动机器人技术和核心零部件研发。

工业机器人是一种典型的实践性技术，应用是技术进步的动力。中国市场复杂，细分程度高；而目前跨国公司的注意力集中在传统高端市场（汽车制造、电子产品加工等），暂时无暇顾及低端和新兴的市场，这是本土企业错位竞争的机会。一旦传统高端市场增长放缓，跨国企业转而寻找新增长点，这种机会可能就会失去，所以必须抓紧时间。适合本土企业进入的细分市场，包括物流搬运机器人、面向工程机械的厚板焊接机器人、智能轮椅等。

不仅产业界，有关部门也要审时度势积极调整政策措施。比如，国内发展机器人产业以往注重引进外资，但事实表明，市场换技术似乎并未奏效，因此还得着力扶持本土企业。又比如，现在机器人整机进口为零关税，零部件进口却要缴纳关税，这对国内企业尤其整机企业的生存发展不利。

国内机器人、机器人自动化生产线及机器人自动化成套装备的市场也越来越大，机器人制造企业面临巨大的市场机遇。根据发达国家产业发展与升级的历程和工业机器人产业化发展趋势预测，到2015年，我国机器人市场容量将达十几万台套。我国机器人自动化生产线装备市场需求主要在汽车、摩托车、石油化工、工程机械、电机、电子等行业。目前仅汽车、电子和家电、烟草、新能源等行业，年需求此类自动化线就有300多条，产值约为60多亿元；

同时，目前进口机器人自动化生产线严重“水土不服”，也为国内企业争夺市场提供了机会。有关专家指出，我国机器人产业化步伐较慢，工业机器人长期大量依赖进口，但是，在引进的机器人自动化生产设备中，有近一半处于不能正常运行状态，其中问题较大的占33%，根本不能用的高达16%。据了解，进口机器人“水土不服”的主要原因是：国外系统不适合国内企业的工艺现状；国内人员素质较低，培训跟不上；系统选型不合理，配置不当；缺乏足够的售前和售中技术支持；售后服务跟不上。专家指出，国外机器人产品不仅价格昂贵，而且使用效果并不理想，这为我们自主生产机器人，满足国内市场需求，发展国产机器人及其自动化成套装备产业，提供了良好的机遇。我国工业机器人在价格、技术支持、售后服务和工程设计、实施等方面占据较大优势。如这一行业的龙头企业沈阳新松机器人自动化股份有限公司，其机器人产品价格仅为国外的1/2甚至1/3，机器人自动化生产线的价格仅为国外的1/3。

考虑到国内外机器人的现状和发展趋势，我国人口众多，劳力充实又低廉，与日美等国有不同的国情。我国的国力也尚不能与日、美等国相比。因此，我们不能照搬外国发展机器人技术的经验，而要结合我国特点，探索发展我国机器人技术的道路。人多与发展机器人技术并非天生对立，问题在于如何研究。同时，外国的做法既不能原封不动地照搬，也不能一概拒之门外。对于那些可行的做法，还是值得借鉴的。2机器人学科发展的关键技术

现在使用的工业机器人大多缺乏智能，完成的任务相对简单。随着现代工业的发展，对机器人完成的任务要求愈来愈复杂，对机器人的操作精度要求也愈来愈高。现在很多装配和检验机器人一般都带有外部传感器，如视觉和力觉传感器，能实现智能、细微的操作。在汽车工业中，工业机器人应用最为广泛。

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开放环境作业下的机器人是用来代替人类在很多危险环境下工作，如放射性环境、被污染的环境、煤矿、深海和宇宙空间等极限危险环境。由于人类不能直接进入，而成为机器人活跃的舞台。正是由于人类不能进入，这类机器人才需要更多的智能。由于操作人员必须在几百米远，甚至几公里以外通过无线或电缆控制其活动，完成作业任务。在进行远程作业时，一般在机器人本体上安装有多台摄像机，利用传回的图像来对现场进行观察.通过远程通讯技术和信号处理技术来完成信息传递。

对于各种类型的危险作业机器人，虽然某些已经投入市场，但一般都存在着操作困难的特点。特别是对于多自由度操作臂的操作，一般都是由操作员在后台，利用遥控面板对作业现场的多自由度操作臂进行操作。机械臂上的每个关节自由度的控制和操作，大多由控制面板上的单个按键开关进行操作，操作很不方便。机械手臂要到达目标的确定位置，必须由专门训练的操作人员，根据作业现场的状况，判断机械手臂执行的动作，手工操纵多个开关实现机械手臂的运动过程，运动速度的快慢和连续性靠操作人员的熟练程度决定，大大降低了工作效率。这种操作方式效率很低，而且操作非常困难，对操作者的要求也很高，一般操作者要经过长期的训练与磨合，才能比较顺利地控制机械臂完成抓取目标物等作业的任务。为了提高机器人的易操作性、作业效率及作业的精细程度，在保证作业安全的前提下，使机器人具有一定程度的“智能”便存在着其必要性。因此需研究计算机视觉，开发机器人的智能作业系统。利用智能作业系统，操作员只需给出高层次的作业需求，机器人便能自主地完成某些作业任务，成为研究的突破点。

3 我国机器人发展的战略对策

建议国内企业通过生产适合国情的产品和系统，迅速抢占机器人市场。根据国内外机器人技术发展及市场需求趋势分析，为满足国内制造业对机器人的需求，专家认为应重点发展具有自主知识产权的新型弧焊机器人、点焊机器人、装配机器人、搬运码垛机器人系列、产品特种加工机器人（激光加工机器人、水切割机器人）系列产品、移动机器人（AGV）系列产品、机器人控制器及数字驱动系列产品、注塑机器人系列产品等，以打破国外的垄断和填补国内空白。为满足“十二五”期间汽车、电子等行业大发展对机器人自动化生产线的需求，国内企业应加快研制汽车车身生产自动化成套技术和装备、电子和电器等的机器人柔性装配及检测自动化生产线成套装备、物流与仓储自动化成套技术和装备、新能源电池制造自动化成套生产线等，在政策层面，专家认为国家应把机器人产业发展纳入到重要产业政策中，多渠道投入资金，为这一产业的发展提供良好环境，同时建议：一是对生产企业实施财政政策优惠。在工业机器人产业化的初期，为了支持国产工业机器人的发展，对规模化生产的企业，按其实际销售的工业机器人产品，参照国际市场的平均价格，给予一定比例的补贴。对生产工业机器人的企业，实行相当幅度的税收优惠。对开拓国际市场的国内生产企业，要有更大幅度的出口退税等特殊政策，这也是日韩等国的经验。对有可能形成新的经济增长点的机器人的生产企业，要比照国家对微电子软件等新兴产业的扶持政策，实行同等程度的税收优惠。倡导采用国产机器人及其自动化成套装备，并给予减免税优惠。二是对使用者给予鼓励。从日本机器人推广应用的经验看，对使用机器人的企业实行减免税，优先给予银行贷款等政策，有利于机器人产业的发展。我国也可制定相应产业政策，鼓励企业使用国产机器人。

我国工业机器人已有初步基础，形成了一定的生产能力。今后要以开发特种机器人作为一个时期内的主攻方向之一，可以从前面举过的应用例子中，挑选一批急需的应用课题，列项开发，并制订出五年、十年和二十年的发展计划，使我国的机器人技术和产业走上持续发展的道路。开发有害环境下的高级机器人，用以代替工人从事繁重、肮脏和危险的工作，如高温、高压、有毒、易爆、恶臭、放射性和高粉尘等环境以及搬运、装卸、清洗等繁重作业。开发护理机器人，为病人服务，为千百万残疾人员提供帮助，减轻他们的痛苦，提高他们的自理能力，甚至使他们重返劳动岗位。

开发外科手术机器人和病症诊断机器人（如微型机器人），用于治疗一些内科疾病。开发服务机器人，让机器人执行导游、娱乐（歌舞）、招待、售货、扫地和洗涤等任务，为提高人类的生活质量服务。开发水下机器人和海底采矿机器人，为发展海洋工程的采矿工业贡献。此外，还可开发下列一些机器人：地面建筑和土木施工机器人、设备检修和维护机器人、消防和救援机器人、农业和农林渔畜产品加工机器人等。上述这些开发领域，都是我们现在需要做而又能够做的，可以全面进行。

4 福建省机器人学科发展情况

目前，我省提出建设海峡西岸经济区的战略规划，“海西”的经济跨越式发展已引起世界瞩目。由厦门理工学院申报的“机器人工程研究中心”，其“思明校区”毗邻厦门大学，“集美校区”位于厦门大学城，四周有华侨大学、集美大学等。因此机器人工程研究中心的经济环境、信息环境与科研环境十分优越。具有良好的科学研究条件。

福建省高校机器人工程研究中心（厦门理工学院），构建集教学与科研、科技开发与经济建设相结合的创新型研究中心，依托厦门唐松机器人科技有限公司多年对工业机器人机构设计、伺服控制系统开发的领先优势，依托安特威尔叉车属具（厦门）有限公司对机器人集成系统应用，以及自主移动属具产品的开发需要，凝结该校具有科技创新与较高科研能力的团队，在智能控制、光电技术、图像处理、实时操作系统等领域开展研究，面向地方机器人产业经济、科技和社会发展的需要，使之成为持续增强地方服务海西的科技创新能力、不断获取机器人关键技术和自主知识产权的重要科研基地，形成一个在闽台地区以至全国都颇具影响的机器人创新型人才培养基地，实现“政、产、学、研”的完美结合，并以该工程研究中心作为开放式的公共平台，为地方经济发展服务，将会从根本上提升我省机器人产业的技术水平和竞争力，不断提高工程技术研发能力和水平，促进我省国民经济的发展，为产业经济的发展做出应有的贡献。

福建省高校机器人工程研究中心（厦门理工学院）凝聚了一批省级重点学科光学工程、省级特色专业电气工程及自动化和自动化专业的具有科技创新精神与较高科研能力的成员，在光电成像技术、传感技术、电机驱动、伺服控制、多自由度机器人姿态运动学控制以及工业机器人集成应用等方面有较高技术水平与优势。省内高校都表示，本着资源共享、面向市场、互惠互利的基本原则，深度推进兄弟高校合作是发展高科技、实现产业化的重要举措，是科技转化为生产力、开发自主知识产权的基本途径，对推动经济繁荣和职业教育发展将起到积极的作用。

厦门市集美职业技术学校系国家级重点中专，其“焊接技术应用及自动化专业”为国家级示范专业，厦门市最大的技能人才培训基地。现有日本松下生产的电源融合型TAWERS1400六关节机器人系统一套（含200KG外部轴变位系统和350A的MIG电源），可进行金属的高品质焊接。厦门松必与集美职校共同建立的应用技术中心，为机器人应用技术研发提供良好的实践基地，实现将研发成果产业化的总体目标。

机器人系统集成公司掌握大量的应用技术案例储备和企业用人信息，通过与厦门思尔特公司（ABB机器人系统）、厦门松兴公司（松下焊接机器人系统集成）进行校企合作，与厦门唐松机器人科技有限公司建立校企联盟，将其机器人系统集成总装车间引进学校实训工厂，为焊接专业和相关专业搭建机器人资源实训平台，实现校中有厂、厂中有学、产学互助、工学结合的校企合作培养模式。共同生产焊接机器人系统，建立与完善工学结合实训基地的管理与运行机制。

厦门松兴机器有限公司成立于1996年，是一家专注于焊接、切割及综合应用的技术企业，是福建最大的焊接产品销售企业。主要销售日本松下电焊机及松下机器人，德国KEMPER除尘设备——全球最大的空气除尘设备厂。公司自成立以来，秉承致力于“为客户提供焊割整体解决方案”，坚挣“服务先于销售”的销售服务理念，一直以来，得到厦工、厦船、金龙、正兴等诸多国内大型企业的一致好评，有力地促进福建焊接切割行业的发展。公司坚持‘馓业、严谨、勤奋、激情”的工作作风，“永续创新，全方位成就所托”的经营理念，用高新技术（机器人技术）推动现代制造技术的发展的企业宗旨，致力于成为国内顶尖的焊接切割产品提供商。目前，随着公司的稳步发展，在站稳福建市场的同时，产品已销往全国各地，并推广至韩国、印度等国外地区，拥有良好、广阔的市场前景。

厦门唐松机器人科技有限公司是福建松兴集团投资的全资子公司，福建松兴集团在全国各地拥有多家子公司，包括厦门松兴、厦门思尔特、福州松兴、泉州松兴、上海闽凡等多家公司，目前年产值达3.5亿；公司是日本Panasonic主要合作伙伴，还与德国KUKA合作，是一家集设计、制造、销售于一体的专业从事机器人焊接系统及相关工业自动控制系统的综合性企业。公司凭借雄厚的技术力量、科学规范的质量管理体系、与科研单位（院校）长期合作的优势，铸就卓越的产品品质，使公司在激烈的竞争中发展壮大。公司专注于汽车零部件行业、货架行业、工程机械行业焊接自动化设备及相关工业自动控制系统的研发与制造，为客户提供完善的技术方案以及先进的自动化设备。先后为厦工、龙工、柳工、正兴、金龙、东南汽车等多家国内大型企业设计生产大型自动化焊接设备及控制系统，以良好的信誉和优良的品质深受客户信赖并有着长期深入的合作。公司作为一个成长型高技术企业，以打造具有强大核心竞争力的现代企业为目标，向广大企业提供全面的、高技术含量的工业机器人系统。

5 机器人在福建省的应用情况

福建境内多山地丘陵，交通不便，随着电网建设的加速发展，线路设备巡视任务日益繁重。为解决这一问题，福建省电力有限公司和中科院沈阳自动化研究所经过两年多的努力，终于联合研制出这台“能在电线上跳舞”的机器人。

这台机器人体重40公斤，平均爬行速度1.25千米/小时，最大爬坡角度30度，蓄电池可连续工作8小时，能够在500千伏的超高压输电线路上轻松跨越各种障碍。机器人被电力员工安装在输电线路上，它带着滑轮的“手臂”抓住电线行走自如。一旦遇到障碍物时，机器人一条手臂松开，另一手臂带动身体旋转1 80度，就能轻松越过障碍继续前进。输电线路的导线及杆塔长期暴露在野外，为确保其安全可靠运行，电力维护部门需要定期进行巡检。但目前采用的人工巡检消耗的人力、物力大，巡视人员依靠目测判断效率低，难以达到理想的效果。为解决人工巡视存在的问题，直升机巡线技术在国内得到应用，但直升机巡线费用成本高，并受恶劣气候条件的限制。巡检机器人系统由巡检机器人和地面移动基站组成。机器人能够在超高压输电线路上沿线行走以及跨越障碍，携带摄像机检测输电设备的损伤情况，并将检测到的数据和图像通过无线传输系统发送到地面基站，以便地面人员及时准确地掌握输电线路的运行状态，发现线路设施的损伤、缺陷等故障情况。

超高压线巡检机器人的应用，不仅可以减轻工人‘‘千里巡线”的劳动强度，降低高压输电的运行维护成本，还可以提高巡检作业的质量和科学管理技术水平，对于增强电力生产自动化综合能力，创造更高的经济效益和社会效益都具有重要意义。

机器人在我省焊接行业也得到广泛应用，全省焊接机器人的总保有量约1500台，年增长率约为35%。焊接机器人以其应用行业广，工艺灵活多样，生产效率高，产品品质好，生产清洁，作业者劳动强度低，易于实现无人化，柔性化和智能化等优点，正逐步取代传统的手工焊接方法。

6 福建省机器人学科发展存在的问题与对策

我省从上世纪80年代开始在高校和科研单位里面开展工业机器人的研究，近20年来取得不少的科研成果。但是由于没有和企业有机地进行联合，至今仍末形成具有影响力的产品和有规模的产业。目前省内除了几家以组装为主的中外合资的机器人公司外，具有知识产权的工业机器人仍停留在高校或科研单位组织的零星生产，未能形成气候。

通过福建省高校机器人工程研究中心平台，实现其与企业合作，汇聚和培养学术团队、凝炼科研方向和建设创新机制，开展工程技术研究开发、人才培养、开放服务，提高学科整体水平的目标。

6.1加强产学研合作

开展科研机构与企业界合作，实现科技成果转化与产业化的跨越式发展；积极吸引和利用各种社会优势资源，多渠道筹集资金，催生社会资本的投人，创立科技成果转化与产业化专项基金，专项基金用于扶持科技成果转化与产业化，以及具有市场前景的高新技术研究。

6.2培养高校研发人员

引进一批高职称或高学历人才，建立科研团队，成为省内先进、同类学科和相关专业方向领先、国内具有一定知名度、具有示范与辐射作用的工程中心。

6.3改善基础条件

有效改善科研实验教学条件及科技创新环境，增强可持续发展能力，形成多学科协调发展、产业特征明显、特色鲜明的学科体系，为地方经济的发展培养优秀的人才，为地方产业的科技发展提供有力的技术支撑。

6.4建立机器人产业集团，形成规模生产

在现有机器人研究单位和生产企业的基础上，规划调控，优化组合，筹建中国机器人产业集团和机器人工程公司，形成生产—供销—应用一维修一条龙体系。

我省应选择工业发达、交通方便和技术密集的一些城市，重点扶植在机器人开发和生产方面有优势的单位，建立几个机器人工程公司，从事工业机器人的批量生产和实施机器人应用工程，使我省的机器人生产和应用向产业化、集团化方向发展。

6.5开展国际技术合作

从市场角度讲，要在国际机器人领域占有一席之地，就必须立足国内需求和放眼国际市场有机地结合，并与国外机器人厂商争夺国内市场。从某种意义上来说，占领国内市场就是占领国际市场。另外，还应该在立足国内市场的基础上，选择某些优质项目、产品或技术，进军国际市场，参与国际竞争，直接在国际市场占有一席之地。

6.6培育与开拓国内机器人市场

虽然我省目前的机器人市场不大，但其潜在市场很大。汽车、工程机械、电子、电机和金属加工等工业仍是应用机器人的主要部门。在这些部门，机器人的装机台数与实际需要相差甚远，有很大的市场。对于建筑、包装、空间、海洋、采矿（含海底采矿）、电力、农林和医疗等新的领域，其机器人市场也是很大的。只要用得成功，就比较容易推广应用。扩大机器人的应用领域是开拓国内机器人市场的必要举措之一。

6.7稳定和扩大研发队伍

稳定和扩大机器人研发队伍，充分调动他们的积极性和创造性，让他们的聪明才智更好地为发展我国的机器人事业服务。要认清现状和发展方向，制定明确的发展目标，制订并执行积极可行的发展对策。