工业机器人的原理、发展现状及趋势

湖北省黄石市第二中学 许 昌

1.引言

在经历了三次工业革命后，人类开始迈入以智能制造为主导的第四次工业革命。在这一次工业革命浪潮中，工业机器人便是其重要特征之一。随着劳动力成本的不断提高，各国也逐渐开始重视工业机器人。因为工业机器人的兴盛，不仅解决了劳动力成本问题，将人们从繁重、枯燥的重复劳动中解放出来，同时，一些危险系数高、对人体有害的工作也将交与工业机器人来完成[1]。

据统计，截至2017年，全世界大约有100万机器人在工作。实施“中国制造2025”这一背景下，我国已成立了多处机器人产业，在一些关键技术方面也有重大的突破，在国际上占有了一席之地。但就某些核心技术来说，我国技术基础仍很薄弱[2]。

2.工业机器人原理

2.1 工业机器人的组成及分类

工业机器人一般由检测控制系统、执行机构和驱动机构组成。工业机器人种类繁多，按系统功能可分为[3]：

(1)专用机器人：其控制系统和程序都是固定的不可更改的，通过固定的程序，在固定的地点，完成单一、机械的工作。其特点是应用场景单一，结构简单，制造成本低。

(2)通用机器人：其控制系统是独立的，可以根据不同工作需要，对其程序进行修改，满足不同的生产需求。该类机器人的特点是结构复杂，工作领域大，通用性强。

(3)示教再现式机器人：该类机器人的控制系统具有记忆功能，可以对操作者的示范操作进行记忆和复现操作，按示教所给予的信息完成示教作用。

(4)智能机器人：该类机器人具有多类传感器，可以对温度、声音、光照等进行感知和识别，具备自主学习能力，能够从外部搜集信息，进行决策和实施，完成预定任务。

按驱动方式分类：

(1)气压传动机器人：驱动动力来源为压缩空气，该类机器人的特点是动作迅速，结构简单，成本低。

(2)液压传动机器人：驱动动力来源为液压元件，该类机器人的特点是负载能力高，响应时间短，结构比较紧密。

(3)电气传动机器人：驱动动力来源为交流或直流伺服电动机，该类机器人精度高，响应快，结构简单，成本较高。

2.2 工业机器人关键技术

工业机器人涉及领域繁多，所要求的技术能力高，而其关键技术有以下几种：

(1)驱动技术

包括液压、气动、电动三大系统，而目前AC伺服电动机驱动已成为应用于工业机器人的主流技术。新一代伺服电动机与微处理器、伺服电动机控制器相结合的技术也已开始应用于工业机器人中。

(2)控制技术

多数采用的是32位CPU，其控制轴达到27轴，大量采用NC技术、离线编程技术。

(3)智能化传感器

智能机器人数量逐渐增多，通过给机器人加装各类传感器，实现对外部温度、湿度、声音和图像等信息的采集，从而为机器人的反馈行为提供参考。

(4)集成化、系统化

当前的工业生产中，对于多台机器人配合完成工作的需求越来越迫切，因此多台机器人通过集成和整合组成一个有机的整体，从而更好地完成复杂的生产任务。数十乃至上百台机器人相互连接，与微机以及智能系统和操作人形成一个整体。

3.发展现状

3.1 国际上

1962年，第一台示教工业机器人在美国投入使用。此后，美国工业机器人技术方面也是位居世界前列。其所制造的工业机器人性能优异，功能全面，与之相匹配的智能技术也发展迅速，并被大量应用于汽车制造、机械加工、橡胶及塑料工业、电子电气行业等众多领域。同时，美国的特种机器人也十分先进，目前大量应用于航天、军事领域。

1967年，日本引入第一台工业机器人，由于人口不足而造成的劳动力短缺，以及微电子技术发展的多重原因，使得工业机器人在日本得到了快速发展。如今，全世界大约有三分之一的工业机器人在日本。日本具有众多有影响力的工业机器人品牌，例如FANUC、安川、那智不二越等。当前，在全球工业机器人市场中日本所占份额超过50%。

2014年6月，欧盟启动了《欧盟机器人研究计划》，目标是设计生产适应于多领域和场景的各类机器人。在欧洲，工业机器人方面尤为突出的是德国。德国拥有众多工业机器人企业，如库卡、莱斯机器人和克鲁斯。如今德国工业机器人总数位居世界第二，仅次于日本[4]。

3.2 国内

20世纪70年代我国开始了对工业机器人的研发。目前，我国工业机器人绝大多数都是面向国内市场需求，而这些机器人的投入满足了国内发展迅速的制造业，而其最主要的应用在汽车行业中的弧焊、点焊、检测、搬运、装配等高难度复杂工作，同时在其他领域和市场有着巨大的前景。

目前我国的工业机器人技术较国际上一些发达国家相比还有所不足，但通过近几年的快速发展，我国对于一些关键技术已基本掌握，在国际上也有较强的竞争力。目前，我国的工业机器人数量已达到四万以上，而我国企业具备了机器人设计以及制造能力，同时所生产机器人的整体性能位居世界前列，且具有成本优势。

中国机器人产业在近些年快速发展，尤其是机器人产业迅速发展的常州，现已成为全国机器人制造的先进城市。据规划，常州将建设全国重要的智能制造装备基地。目前，常州已集纳了国内外众多机器人企业如泉工、快克、安川、铭赛、金石等[5]。

4.发展趋势

由机器人所带来的便利以及市场的需求，在未来工业机器人必将进一步发展。而现今机器人的发展主要有以下几个方面[6，7]：

4.1 智能化

在面对情况复杂、自主能力高的任务，智能化高低是决定机器人能否完成任务的重要因素之一。目前，机器人的智能化程度可以分为两类，一是通过模糊控制、神经网络控制等多种方式，提高机器人自主性，从而减少程序的依赖性，这是较低层次的智能。另一种更高级的智能，是让机器人具有与人类似的逻辑推理能力，面对问题时，机器人能够自行寻找解决方案并加以施行。

4.2 多机协调化

在许多大型生产线中，同一个生产过程往往需要多个机器人的协同工作完成。而如今，生产规模的不断扩大，多机协调共同工作的要求十分迫切。随着相关技术的发展，在现代加工制造系统中，每一个机器人不再是一个单独的个体，而是通过智能设备相连的一个大整体，进行相互配合的协同工作。

4.3 标准化

如今，世界有着大大小小众多的工业机器人生产厂家，而不同的厂家生产和制造遵循不同的标准，这造成不同厂家的机器人更换零部件的不便。但推行同一的标准，使工业机器人的生产标准化这一有利于推进制造业发展的措施，并非为技术层面问题，而是因牵扯到各企业间的利益、关系等问题而难以实现。

4.4 微型化

随着大型工业机器人的逐渐普及，微型机器人也开始成为机器人未来的发展方向之一。目前，已经开发出了手指大小的微型机器人，而未来将会生产出毫米、微米，甚至纳米级的机器人，而其将被应用于军事、医疗、精密加工、微型集成电路制造等众多领域中。

5.总结展望

自第一个工业机器人的出现，经过几十年的飞速发展，许多工业生产的环节已由工业机器人代替完成。作为高级制造设备的重要组成部分，工业机器人无疑成为未来制造业的重要特征。无论是社会生产，还是医疗、军事，都具有极大的意义。在工业4.0的需求推动下，工业机器人也将取得更大的发展。

[1]袁小鸣.“无人工厂”:智能制造一道亮丽风景线[N].人民邮电,2017-10-23(005).

[2]路甬祥.中国智造与中国创造[J].全球化,2016,(09):5-13+133.

[3]熊楚良.工业机器人若干关键技术研究[D].西南交通大学,2016.

[4]吕铁,韩娜.智能制造:全球趋势与中国战略[J].人民论坛·学术前沿,2015,(11):6-17.

[5]田涛,邓双城,杨朝岚,张泽,郑海洋,王福利,周唐恺.工业机器人的研究现状与发展趋势[J].新技术新工艺,2015,(03):92-94.

[6]王田苗,陶永.我国工业机器人技术现状与产业化发展战略[J].机械工程学报,2014,50(09):1-13.

[7]刘永安,余天荣.工业机器人的应用研究[J].机电工程技术,2014,43(02):52-53+104.