工业机器人发展现状及地方工科院校一体化育人体系建设思路

曲永印，艾学忠，高兴泉，刘 麒

(吉林化工学院，吉林 吉林 132022)

制造业是国民经济的主体，是立国之本，兴国之器，强国之基.在《中国制造2025》和德国工业4.0的大力推动下，智能制造无疑是新一轮工业革命的核心，通过信息技术与制造技术的深度交叉融合，才能带动制造业数字化水平和智能化水平的大幅提升[1].其中工业机器人是智能制造业最具代表性的装备，其作为智能制造的重要组成部分，是实现产业升级、智慧跨越的关键[2].而实现这一目标的关键则是掌握工业机器人技术的人才培养地方工科院校，它代表着我国智能制造行业发展的平均水平，同时在科技创新和经济发展中发挥了不可替代的作用.因此本文从地方工科院校的视角分析当前国内外工业机器人发展现状，利用工业机器人多学科交叉融合的特点，基于智能制造的产业先驱工业机器人，提出培养宽口径、高素质、复合型、一体化实践育人体系的构想，满足新工科人才培养需求，并逐步落实，适应新一轮工业革命的发展[3].

1 国外工业机器人的发展现状

由于发达国家的劳动力出现地比较早，环境的因素也促使他们很早就开始发展工业机器人，从而形成了先发的优势.比如美国，从上世纪50年代已经提出了“工业机器人”的概念；而日本在70年代就已经形成了工业机器人产业化的发展.他们有深厚的技术积累，包括一些关键部件的核心技术[4].

1.1 美国工业机器人发展动态

美国是机器人的诞生地.1954年，美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利.1958年，被誉为“工业机器人之父”的Joseph F.Engel Berger参与设计了第一台Unimate机器人.1962年，研制出世界上第一台工业机器人[5].比起号称机器人王国的日本起步至少要早五、六年.20世纪60年代到70年代期间，美国的工业机器人主要立足于基础研究，只有几所大学和少数公司开展了相关的研究工作.随着日本工业机器人在工业生产中的应用，美国感到形势紧迫，才开始真正重视机器人.经过40多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，基础雄厚，技术先进.据统计，截止到2009年底，美国运行的工业机器人大约有19.4万台.目前，美国工业机器人供应商有Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation等公司.据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计，美国制造业中，每1万雇员拥有63个工业机器人.尽管从排名上说，美国已经进入世界前十名，但其与前几名仍然有着很大的差距，仅相当于德国的43%，意大利的54%，欧盟的68%.与普通的制造业相比，美国汽车工业中每万个产业工人拥有的工业机器人数量大大提高，达到740个，但仍然远远低于日本(1 400个机器人)和德国(1 000个机器人)[6].

近年来，美国针对机器人技术研发，推出了DARPA的自主机器人研究计划、联合机器人研究计划等，大力推动机器人在军事、工业等各个领域的应用，美国的先进制造伙伴计划，明确提出建立美国在新一代机器人方面的领先地位，重点研发新一代与人紧密协作的机器人，提升产业工人、健康保健从业者、手术医生以及宇航员完成困难任务的能力[7].尽管在工业机器人的发展上，美国走了一条重理论研究，轻应用开发的曲折道路，但与其他国家相比，美国机器人的技术更加全面、先进，适应性也很强.此外，美国机器人的智能技术发展也很快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用.高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速，已实际应用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测等方面[8].

1.2 日本工业机器人发展动态

日本素有“机器人王国”之称，自1968年从美国引进机器人及其相关技术之后，就开始了自主研发和生产机器人的道路.经过40余年的发展，日本工业机器人领域出现了FANUC、安川、川崎、OTC、松下、不二越等国际知名品牌，技术领先，质量可靠性强.据统计，目前全世界投入使用的机器人大约有95万台，其中日本就占了38%，位居各国之首，可以说占据了世界机器人产业的半壁江山[9].日本在2014年《新经济增长战略》中把机器人产业作为本国经济增长的重要支柱，通过扩大机器人应用领域、设立“实现机器人革命会议”、出台放宽限制的政策等，促进机器人使用.日本制定了到2020年制造业机器人使用量增加2倍、市场规模达到2.85万亿日元的目标.

日本机器人的种类齐全，主要分为两大类：工业机器人和服务型机器人.工业机器人用于生产工作，日本的工业机器人产品按应用领域划分为四类，分别是喷涂机器人、原材料运输机器人、装配机器人、清洁机器人.按照工业分支应用的比例为：自动化零部件工业占35.1%；电机械制造工业占27.3%；塑料制品工业占9.7%.数据显示工业机器人在汽车和电子领域的应用比例高达62.4%，这两类产业是推动日本国内机器人产业增速的引擎.而服务型机器人则帮助人解决生活中的问题[10].近几年，日本的工业机器人在食品、药品、化妆品所谓“三品产业”领域的应用有较快的发展.与汽车和电子行业的应用不同，这些产业卫生标准更高，而解决这些卫生标准等诸多问题需要有更先进的技术支持.应用于制造业以外的机器人大多都可归入服务型机器人范畴.在服务型机器人开发领域，日本同样领导着世界潮流，索尼、日立等30多家企业和早稻田大学、九州大学等十多所大学，在服务型机器人开发方面取得重要进展.

总体而言，日本机器人位居世界前列得益于其齐全的机器人种类，繁多的知名企业，以及庞大的产业和完整的产业链.

1.3 德国工业机器人发展动态

20世纪70年代中后期，德国政府采用的积极行政手段为工业机器人的推广开辟道路，如在“改善劳动条件计划”中规定，对于一些危险、有毒、有害的工作岗位，必须由机器人来代替.这个计划为机器人的应用开拓了广泛的市场，并推动了工业机器人技术的发展[11].

德国工业4.0的提出极大地鼓舞了德国制造业向着更高、质量更好的方向前进，同时机器人这一工业科技时代“标志性硬件”的普及，使人工劳动力得到了极大的解放.例如，大众汽车在德国被称为“国民的汽车”，其受欢迎程度可见一斑.而在位于萨尔茨吉特的大众汽车发动机制造厂里高低起伏中的工业机械机器人手臂无不展示德国工业的强力实力，透过这些机器的触角，德国已将“工业4.0”注入制造业的每一方土地.在一条条生产线旁，机器人们在专业而毫无怨言地忙碌着.一眼望去，整个车间只有寥寥数名工人，一个个小型“变形金刚”在富有节奏感的机械声中大显身手，恍如未来工厂.机器人的广泛应用，不仅让制造成本得到有效降低，平均生产每台发动机所消耗的能量和污染排放分别降低了67%和70%.因此，在德国“人机协作”早已成为德国现代工厂生产发展的主流，不论是作为“领头羊”的大型企业，还是甘当“隐形冠军”的中小企业，都无一例外地乘上了“智能化”这辆超级快车，积极践行着德国工业的超级版图“工业4.0”[12].

最近，欧盟启动了全球最大民用机器人研发计划——“SPARC”，计划到2020年投入28亿欧元，创造24万个就业岗位，目标是将欧洲机器人产业占全球总产值比重由2014年的35%提升到2020年的42%.该计划将有200多家公司、1.2万研发人员参与，包含机器人在各个领域的应用.而以德国为代表的工业机器人行业显示，该行业从2010年至2017年期间该行业年平均增长幅度为10%，同期销售额几乎翻了一番.预计2018年机器人和自动化设备的销量将达到158亿欧元(约合185亿美元)[13].

综上所述，世界正处于第四次工业革命时期，国际上工业机器人技术在制造业应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、智能化和网络化的程度也越来越高，功能越来越强，正向着成套技术和装备的方向发展.与此同时，随着工业机器人向更深更广的方向发展以及智能化水平的提高，工业机器人的应用已从传统制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿、农业、灾难救援等非制造行业，而且在国防军事、医疗卫生、生活服务、教育娱乐等领域，服务机器人也崭露头角，有望成为未来服务行业的主流手段与力量.根据全球机器人应用行业的市场份额图，如图1所示，更加说明目前工业机器人的当今应用发展的趋势[14].

图1 全球机器人应用行业市场份额图

2 国内工业机器人的发展现状

相对于工业强国，中国工业机器人的起步比较晚.我国于1972年开始研制自己的工业机器人，先后研制出了装配、喷漆、切割、包装、码垛、搬运、焊接、科研以及教学、机床加工等各种用途的工业机器人，形成了机器人产业化基地并实施了机器人应用工程，为我国工业机器人产业的腾飞莫定了基础[15].国内很多研究机构和大学开展了大量工作，在机构、驱动和控制等方面取得了丰富成果，为国内工业机器人产业的创新发展奠定了技术基础.图2显示了截止到2016年中国工业机器人的市场销量及国产机器人的销量.据估计，工业机器人的数量将从2016年底的180万增加到2020年的300万，年均增长率为14%.2016年以来，最大的工业机器人安装基地在中国.到2020年，中国工业机器人数量将达到近100万个，预计在亚洲所有地区的机器人数量将达到190万个，几乎相当于2016年全球工业机器人的数量[16].然而，作为衡量一个国家自动化水平的重要标准，我国每万名产业工人所拥有的工业机器人数量仍然远低于发达国家.以我国1亿制造业产业工人总数计算，预计到2020年，达到目前世界发达国家机器人装机密度中等水平，我国需增加机器人装机量130万台；到2030年，达到目前世界发达国家机器人装机密度先进水平，我国需增加机器人装机量250万台.各项数据都表明数年以后世界范围内的机器人需求会保持增长状态[17].

图2 中国工业机器人的市场销量及国产机器人的销量

据国际机器人联合会数据显示，自2013年起，中国已连续两年成为机器人第一消费大国，并预计2015年增长率30%，2016～2018年预估每年平均增长大于25%．在巨大的市场规模诱惑下，国际机器人巨头如ABB等将生产研发中心，并大力发展上下游合作伙伴、集成商，带动了整个产业链条上本土机器人生产企业的发展[15].中国制造2025的提出，是新时期我国政府实施制造强国战略的重要行动纲领，制造业是国民经济的主体，没有强大的制造业，就打造不出具有国际竞争力的产品和品牌，是我国技术和产业实现从0到1质变的过程，对技术的需求和要求更高，在加速技术攻关的同时，我国也积极支持机器人产业化基地的建设.沈阳新松、广州数控、哈尔滨博实等企业在工业机器人本体生产制造和系统集成方面不断发展壮大，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人.我国也初步形成了工业机器人伺服电机、减速器、伺服驱动器、控制器等核心零部件产业链[18].但是，从创新技术角度来看，我国与发达国家之间差距明显，工业智能化的发展存在诸多不足，在自主创新能力、能源的高效利用、集成智能化等领域较世界先进水平还有很大一段距离.所以需要进一步通过信息技术与制造技术的深度融合，加强新型机器人整机集成技术能力，驱动器、电机、伺服系统、减速器等关键部件的发展，要在继续支持攻关的基础上，充分利用国际资源，通过并购合作的方式，实现关键零部件产品的升级跨越，以支撑机器人整机发展才能带动制造业数字化水平和智能化水平的提升.同时，应该加大对智能控制、导航定位、移动通讯、大数据、人机交互等核心关键技术研究的支持力度，抓住发展机遇，稳固世界制造业大国地位，向世界智能制造强国迈进.

3 工业机器人育人体系建设思路

随着工业机器人先进技术的不断发展，工业机器人的智能化程度越来越高.在我国，某些关键技术已达到或接近国际先进水平，中国工业机器人在世界领域中已占有一席之地.而对于人才的培养也需要与时俱进，才能适应日新月异的技术需求.因此地方工科院校承担着为地方经济建设提供人才支撑的重任，应该紧跟时代需求，制定校企一体化方案来规划工业机器人的育人体系，总体构想如下：

工业机器人是集电子、机械、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科的先进技术于一体的现代制造业自动化设备.工业机器人应用是典型的多学科交叉融合的行业，所以就需要学校建立仿真实训系统，自制实验设备，设计自动化生产线，建设工业实训基地，创办工业实训工厂，保证硬件条件建设.在此基础上，构建并开设多层次-递进式理论实践教学体系，引导和培养学生基本能力、工程能力、创新能力、个性能力.通过与企业协同订单式的联合培养及就业，不断反馈学生与职业的匹配度修正教学体系，使培养工业机器人一体化体系形成闭环反馈系统，促进现代制造业的发展.具体构想如下：

3.1 基本理论与基本实验一体化

按照“理论适用，能力为重”的原则，合理地设置通识课程和专业基础课程的内容并对应确定实验课程比例，搭建基本教学理论及基本实验平台.该工业机器人基础一体化平台应具有配套课程标准、课程教案、多媒体课件、实训手册等完善的教学资源库，形成了更加集成、高效、系统化的集教学和管理功能为一体的软硬结合的工业4.0数字教学资源平台，如图3所示.目的是掌握工业机器人的基本功能以及涉及到相关学科的基础知识，同时掌握并强化基本操作的技能，培养学生的动手能力.

图3 教学资源平台构架图

实验室每个设备应当采用的当下现代化工厂的主流控制器、传感器、工业执行器，并设有独立的PLC系统，编程监控电脑，故障设置模块、故障排除模块、上件工位、系统操作箱、指示灯等，这些设备可以单独完成与基本知识相关的基础实验.

3.2 综合理论与工程教育一体化

构建专业基础综合知识和专业综合理论体系，培养工程能力，并与工业机器人应用企业协同共建，侧重学生工程研究、设计、应用等内容，强化学生的工程能力，在此基础上构建工程教育一体化平台.由于工业机器人实践教学平台贯穿应用型工程师整个人才培养过程，实现了由简单到复杂，由单一到综合的循序渐进的实验过程.这就要求高校建立以工业机器人与工业4.0“智能制造”理念和内涵为出发点的工业机器人智能制造实验室，如图4所示，实验室基本组成包括：工业机器人三维仿真与离线编程软件区、工业机器人教学管理系统及教学资源区、工业机器人装配与维护3D虚拟仿真区、工业机器人真实器件安装调试区.在基础验证实验基础上，以数字化设计为核心，提供现代智能制造及数字化设计的综合实验研发平台，把学生所学的综合理论知识转化到实践应用，就需要到实验室仿真与软件编程区进行实际的仿真操作如图5所示，通过使用软硬结合的工业机器人仿真技术，即所有分站以及机器人实物单元的3D虚拟仿真模型，教师提供实际案例，学生在虚拟仿真软件环境中中动手操作，将编写的程序写入软件中的虚拟智能生产系统，测试其工作过程是否与设计目标一致，如一致才会将程序写入真实硬件系统中(具体流程如图6所示)，这种方法可以完成模拟工业4.0“智能生产”过程，提供给学生更多实践实训的自由学习空间，提高学生综合实践能力.

图4 一体化实验室仿真图

图5 3D虚拟仿真实训软件

图63D虚拟仿真实训软件的虚实一体教学实验平台

3.3 交叉理论与创新实践的一体化

针对工业机器人多学科交叉融合的特点，利用跨专业的综合知识，通过校企联合的创新实践基地、企业研究院、企业工作站等多渠道建立工业机器人各类典型应用工作站，推动学生参与实际应用的科研项目、新产品的开发与研制，最终实现研究-设计-组装-实验-实践一体化教学模式.同时根据客户需求提供电子产品智能制造生产线，可使学生学习智慧工厂等智能制造系统相关知识与技能，提高学生掌握工业机器人在各种行业应用等知识与技能能力，实现学生创新能力的培养，同时也为学生的个性能力奠定了坚实的基础.

4 加快推进工业机器人教育的举措

为了尽快将上述工业机器人一体化育人体系构想变为现实，我校积极研究具体落实措施，在成立学术组织、硬件条件建设、加强师资培训、增加招生方向、构建课程体系等方面做了诸多卓有成效的工作.

4.1 校企联合成立相关产业研究机构

根据开展科技创新，实现校企联合、高校强省，产学研一体化建设需求，由吉林市20余家企事业单位联合发起和申报成立了吉林市人工智能与机器人产业应用技术研究院，我校校长当选首届理事会理事长，机电工程学院、信息与控制工程学院、航空工程学院等多位教师当选首届理事会理事.

此前，由吉林市科技局发起，吉林市27家企业负责人和吉林市其他4所高校联合成立了吉林市智能制造及物联网产业应用技术研究院，我校副院长当选为研究院理事长，信息与控制工程学院院长当选为执行院长.

这两个学术机构的成立，为推动工业机器人校企联合研究与发展机器人技术提供了组织保证，我校作为理事长单位必将加大人财物投入力度，加快跟踪当前机器人技术发展步伐，积极培育掌握相关技术的应用型人才.

4.2 强化育人硬件条件建设

2017年，我校申报的中央地方共建项目“工业机器人应用技术实训平台”获得400万元建设经费支持，目前所有设备均已安装调试完成投入教学使用，该机器人实验室的建设，为广大师生及企业提供了一个集科学研究、专业教学、大学生科技创新创业训练以及新技术新产品的开发、生产等功能于一体的学科研究平台.经过平台训练的学生参加学科竞赛，共获省特等奖1项，省一等奖3项，省二等奖5项.

为了进一步拓展机器人的应用领域，我校与北京大学联合建设了“仿生机器鱼”实验室，丰富了机器人育人体系.同时，我校积极与达内集团商讨共建人工智能学院事宜，现已确认了校企双方共同努力共建人工智能学院项目的模式，使学校快速响应人工智能相关专业的建设需求，加快培养符合人工智能领域发展需要的创新型应用型人才.

4.3 大力加强软件相关条件建设

育人大计教师为本，为了尽快培养机器人教育所需师资，学校选派优秀教师分批次到有关高校进行研修，学习机器人相关课程，与导师开展合作研究，提高机器人教育教学水平.

学校领导及时与相关教学院沟通，明确要先在招生计划中增加机器人方向，抢占育人先机，同时加快申请机器人专业的步伐.

信息与控制工程学院根据机器人方向教学需要，适时修订了相关专业的培养方案，调整课程体系，以满足新方向教学需求.

5 结 论

随着工业化的大力发展，工业机器人技术日趋成熟，李克强总理在2015年提出了实施制造强国战略的第一个十年计划—“中国制造2025”.该计划以创新为基础，质量为保证，绿色发展为手段，培养知识型、技术型、创新型人才为主要目标，以“政府引导，市场主导”为基本原则，优化产业结构，力争到2025年达到制造业世界强国水平，基本实现现代化.为了迎接新技术的挑战，地方院校要紧跟时代步伐，加快育人体系与育人平台建设，大力培养满足社会需求的工业机器人技术人才.