工业机器人发展综述

冯旭 宋明星 倪笑宇 马立勇 王少雷

摘  要：工业机器人起源于美国能源实验室研制的遥操作机械手，之后第一代示教再现型工业机器人，第二代具有基本感知功能工业机器人，第三代智能机器人，相继诞生。随着工业生产向着自动化、集成化、柔性化的方向發展，工业机器人已然成为高端制造装备的重要组成部分，其智能化水平也在不断提高。我国在制造业转型升级、人口老龄化的双重压力下，积极发展工业机器人，并已进入产业化初期阶段。当下，科学理论和工程技术的发展，作业性能不断提升及向新领域推广应用的需求，引领着机器人在新时代里发展的新方向、新趋势。

关键词：工业机器人;发展历程;发展现状;发展趋势

中图分类号：TP242        文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）24-0052-03

Abstract： The industrial robot originated from the teleoperation manipulator developed by the American Energy Laboratory. After that， the first generation of teaching and reappearance industrial robot， the second generation of industrial robot with basic perceptual function and the third generation of intelligent robot were born one after another. With the development of industrial production in the direction of automation， integration and flexibility， industrial robot has become an important part of high-end manufacturing equipment， and its intelligent level is also improving. Under the dual pressure of the transformation and upgrading of the manufacturing industry and the aging population， China has actively developed industrial robots and has entered the initial stage of industrialization. At present， the development of scientific theory and engineering technology， the continuous improvement of operational performance and the demand for popularization and application to new fields lead the new direction and new trend of robot development in the new era.

Keywords： industrial robot; development process; development status; development trend

1 机器人的起源和发展历程

机器人的研究始于20世纪中期。最早在第二次世界大战之后，美国阿贡国家能源实验室为了解决核污染机械操作问题，首先研制出遥操作机械手用于处理放射性物质[1]。紧接着于第二年，又开发出一种电气驱动的主从式机械手臂[2]。五十年代中期，美国的一位多产的发明家乔治·德沃尔开发出世界上第一台装有可编程控制器的极坐标式机械手臂，并发表了该机器人的专利[3]。1959年，德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人样机Unimate（意为“万能自动”）并定型生产，由此成立了世界上第一家工业机器人制造工厂Unimation公司[4]。之后于1962年，美国通用汽车（GM）公司安装了Unimation公司的第一台Unimate工业机器人，标志着第一代示教再现型机器人的诞生。此后60年代后期到70年代，工业机器人商品化程度逐步提高，并渐渐走向产业化，继而在以汽车制造业为代表的规模化生产中的各个工艺环节推广使用，如搬运、喷漆、弧焊等机器人的开发应用，使得二战之后一直困扰着世界多个地区的劳动力严重短缺问题得到极大缓解。而且对于那些单调重复以及体力消耗较大的生产作业，使用工业机器人在代替人类不仅可以提高生产效率，还可以完全避免因为工人的疲劳而导致的质量问题。1978年Unimation公司推出一种全电动驱动、关节式结构的通用工业机器人PUMA系列，次年适用于装配作业中的平面关节型SCARA机器人出现在人们的视野中，自此第一代工业机器人形成了完整且成熟的技术体系[5]。

值得一提的是，60年代末日本从美国引进工业机器人技术，此后，研究和制造机器人的热潮席卷日本全国[6]。虽然日本研制机器人的起步时间比美国晚，但由于日本国内青壮年劳力极其匮乏，日本政府为了解决这一尖锐的社会问题，对机器人在日本的发展采取积极的扶植政策，例如对工业机器人一类的新制造设备实行财政补贴政策，聘请专家为推广使用机器人的企业提供专业技术指导，通过各种渠道为社会提供低息资金或者鼓励民间集资成立机器人租赁公司[6]。到上世纪80年代中期，日本拥有完整的工业机器人产业链系统，且规模庞大，一跃成为“机器人王国”，成为了世界上应用和生产机器人最多的国家。

随着生产技术从大批量生产自动化向小批量多品种生产自动化的转变，提高生产柔性的需求进一步推动着工业机器人技术的发展。美国麻省理工学院率先开始研究感知机器人技术，并于1965年开发出可以感知识别方块、自动堆积方块不需人干预的早期第二代机器人[1]。80年代初，美国通用公司为汽车装配生产线上的工业机器人装备了视觉系统，于是具有基本感知功能的第二代工业机器人诞生了。与第一代机器人相比，第二代机器人不仅在作业效率、保证产品的一致性和互换性等方面性能更加突出优异，而且具有更强的外界环境感知能力和环境适应性，能完成更复杂的工作任务，因此不再局限于传统重复简单动作的有限工种作业[1，7，8]。到了世纪末的90年代，计算机技术和人工智能技术的初步发展，让机器人模仿人进行逻辑推理的第三代智能机器人研究也逐步开展起来。它应用人工智能、模糊控制、神经网络等先进控制方法，在智能计算机控制下，通过多传感器感知机器人本体状态和作业环境状态，在知识库支持下进行推理作出决断，并对机器人作多变量实时智能控制。

2 国内外机器人的发展现状

2.1 国外机器人发展现状

在国外，经过半个多世纪的发展，工业机器人在提高产品加工精度和产品质量、生产自动化水平和生产效率，改善工作环境，在关键工艺生产环节、高危、有毒等恶劣条件替代工人完成作业任务，扩大就业机会，提高技术创新能力等方面的作用日益突出。工业机器人在全球的广泛应用催生了一批具有国际影响力、世界闻名的工业机器人公司[1]，包括瑞士的Staubli（史陶比尔），德国的KUKA Roboter，瑞典的ABB Robotics，意大利的COMAU（柯马），英国的AutoTech Robotics，美國的Adept Technology（爱德普）、American Robot、Emerson Industrial Automation（艾默生）、S-T Robotics，加拿大的Jcd International Robotics，以色列的Robogroup Tek公司，日本的FANUC、Yaskawa（安川）、Epson（爱普生）、Kawasaki（川崎），这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。ABB的机器人以运动控制技术独具特色，Staubli公司则是在驱动和传动部件的优化整合方面走在了前沿;日本的工业机器人生产规模和应用领域在全球范围内是最大最广的;美国虽然最先开发出工业机器人，但是却没有致力于工业机器人的产业化发展，而是在军事、太空和深海探测等智能机器人方面独树一帜。

2.2 国内机器人发展现状

我国的机器人研究和开发起步较晚且投入少。70年代中期，在国外的工业机器人已经广泛应用并形成产业化体系的时候，同时期的国内还没有一台示教再现型关节机器人，大多数的高校和科研院所还仍旧停留在程控机械手的重复研究上。直到80年代中后期863计划开始实施，国内的各大高校和科研院所才有计划地开展机器人技术的理论研究和科学实验。但是从80年代到新世纪初，我国一直处于人口红利时期，青壮劳动力充足，劳动力价格低廉，而且我国当时没有加入世贸组织，进口的机器人价格偏高，国内生产的机器人技术不够成熟，再加之国内当时的生产技术水平相对落后，对工业机器人的需求很低，所以工业机器人的应用受到了很大的限制。进入21世纪后，随着我国生产力水平的提高、劳动力成本的逐年增加、人口老龄化趋势的显现，工业机器人开始在国内制造业的各个领域推广应用。特别是近五年，国内制造业面临着由粗放型发展模式向精细式发展模式转型升级的重重压力，使得我国工业机器人的需求量呈现爆发式的增长，一跃成为世界最大的机器人市场[9]。近年来，德国库卡机器人、日本川崎机器人等世界500强的机器人制造公司，都已将市场重点转到中国，ABB公司甚至把全球总部搬到中国。而国内企业，在政府的扶持和市场的驱动下，经过技术引进和自我研发，在工业机器人的设计、研发、制造等方面也都有了长足的进步，并已经进入了产业化初期阶段，涌现了一批优秀的机器人制造公司。

但是，总的来看，与工业发达国家相比，国内当下的工业机器人技术在理论研究和工程应用水平等方面都存在着相当大的差距[10]。其一，整体核心技术有待突破，机器人机构设计、运动优化、控制策略及工程开发水平低，诸多技术停留在仿制层面，创新能力不足;其二，高性能的伺服电机及驱动系统、高精密高速高效减速器、控制器等关键部件依赖进口，而核心部件的成本在工业机器人整机成本中占大头，造成了国产机器人成本高、利润薄的困境。其三，国产机器人生产批量小，可靠性差故障率高，用户使用感觉差。因此，虽然我国当前是世界上最大的机器人市场，但是中高端工业机器人几乎被国际巨头如ABB、KUKA等公司垄断，因此国内机器人的发展前景依然任重而道远。

3 机器人的发展趋势

进入21世纪以来，随着计算机技术、光机电一体化技术、网络技术、自动控制理论及人工智能等的迅猛发展，机器人从传统的工业制造领域迅速向医疗服务[11]、家庭服务、教育娱乐、勘探勘测、生物工程、救灾救援、深空深海探测、智能交通等领域扩展[12]。传统工业领域工业机器人作业性能提升的需求，以及其他领域推广应用机器人的需求，引领着机器人在新时代里发展的新方向、新趋势[13]。

在传统的工业领域，随着生产完全自动化、无人化的推进，对于复杂作业，机器人的智能化、群体协调作业成为关键问题;而在物流、码垛、食品和药品等领域，要让机器人代替人工从事繁重枯燥的包装、码垛、搬运作业，就需要对机器人的定位、运动规划、自主控制、服务作业等技术和方法进行重点研究;此外，由于工业机器人是一个非线性、多变量的控制对象，对于高速度、高精度、重载荷的作业，工业机器人的运动学、动力学、力控制还有待深入研究。

在医疗服务、救灾救援、深空深海探测等领域，机器人需要在动态、未知、非结构化的复杂环境中完成不同类型的作业任务，这就对机器人的环境适应性、环境感知、自主控制、人机交互提出了更高的要求。

参考文献：

[1]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（9）：1-13.

[2]Hitachi L.Master slave manipulator system：German，EP20080001129[P].2008-09-24.

[3]蔡自兴，郭璠.中国工业机器人发展的若干问题[J].机器人技术与应用，2013，3（5）：8-12.

[4]程永伦.钱江一号焊接机器人运动学研究及仿真分析[D].杭州：浙江大学，2008.

[5]陈恳，杨向东，刘莉，等.机器人技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2006.

[6]刘松国.六自由度串联机器人运动优化与轨迹跟踪控制研究[D].杭州：浙江大学，2009.

[7]徐扬生，阎镜予.机器人技术的新进展[J].集成技术，2012（1）：8-12.

[8]刘斐，王伟，王雷，等.接触轮变形对机器人砂带磨削深度的影响[J].机械工程学报，2017，53（5）：86-91.

[9]高峰，郭为忠.中国机器人的发展战略思考[J].机械工程学报，2016，52（7）：1-5.

[10]孟明辉，周传德，陈礼彬，等.工业机器人的研发及应用综述[J].上海交通大学学报，2016，50（增刊）：98-101.

[11]左国玉，于双悦，龚道雄.遥操作护理机器人系统的操作者姿态解算方法研究[J].自动化学报，2016，42（12）：1839-1848.

[12]Stephan K D，Michael K，Michael M G，et al.Social implications of technology：the past，the present，and the future[J].Proceedings of the IEEE，2012，100（Special Centennial Issue）：1752-1781.

[13]谭民，王硕.机器人技术研究进展[J].自动化学报，2013，39（7）：963-972.