工业机器人的研究发展现状及趋势

工业机器人的研究发展现状及趋势【摘要】主要介绍了工业机器人在国内、国外的发展状况和应用趋势。根据国内外机器人发展的经验及近几年的动态，指出了我国工业机器人产业化发展的影响因素和实施策略，探讨了我国机器人发展的方向及策略。作为最典型的机电一体化的高科技装备，工业机器人得到了非常广泛的应用。综述了国内外工业机器人的研究热点现状，并预测了其发展趋势。【关键词】工业机器人；发展现状；发展趋势；发展模式中图分类号：TP24文献标识码A：文章编号：1006-0278（2014）04-150-03一、工业机器人概述工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统（FMS）、自动化工厂（FA）、计算机集成制造系统（CIMS）的自动化工具。广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，都有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。近年来，工业机器人因其重复精度高、可靠性好、适用性强等优点，已经在汽车、电子、食品、化工、物流等多个行业广泛应用并日趋成熟，有效提高了产品质量和生产效率、节约了劳动力和制造成本、增强了生产柔性和企业竞争力。此外，对保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、降低材料消耗发挥了十分重要的作用。而目前航空航天产品制造过程仍旧是劳动密集、工序繁复、工况恶劣、辅以大量工装夹具并以手工制造为主。自动化生产能力不足，已成为制约提高武器装备可靠性和生产能力的瓶颈。在我国大力发展航空航天的时代背景下，航空航天制造企业应用工业机器人进行自动化生产，对企业生产模式转型升级、装备先进制造能力提升具有十分重要的意义和价值。二、工业机器人研究发展现状我国的机器人技术研究起步较晚，但进步较快，已经在工业机器人、特种机器人和智能机器人等方面取得了一定的成就。通过科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。但是与世界发达国家相比，还有一定的差距，如可靠性低于国外产品，应用领域窄，生产线系统技术与国外差距大。我国目前从事机器人研发和应用工程的单位相对较少，工业机器人的拥有量远远不能满足需求量，长期大量依靠从国外引进。虽然称作“机器人”，但从研发和应用来看，我国现有的机器人只能称作单一的机器单元，还未能充分体现出智能化、系统化、可重构化、网络化的要求。国外机器人综合能力很强，比如材料的关键连接部分、装配工艺、软件算法、重要的零部件谐波减速器等。在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。自1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念以来，工业机器人就得以不断地发展。概括起来，工业机器人的发展历程为3代：第1代：示教再现型机器人，但不具备反馈能力。如挖掘机手柄自动操作机构，该机构结构简单，能够实现动作示教再现。第2代：有感觉的机器人，不仅具有内部传感器，而且具有外部传感器，能获得外部环境信息。如蛇形机器人就装有内部测转速的传感器，以及外部测力的传感器，该机器人能够在不规则环境中具有一定的运动能力。第3代：智能机器人。定义为“可自动控制的装置，能理解指示命令，感知环境，识别对象，规划自身操作程序来完成任务”。如JohnVannoy等人采用实时可适应性的运动规划（RAMP）算法的PUMA560机械臂，它能在复杂动态环境中自动识别来自不同方向的移动或静止的障碍物，主动规划路径，进而完成预定任务。（一）我国工业机器人技术的定位及与国外的差异国家863计划机器人技术主题在“发展高技术，实现产业化”方针的指导下，面向国民经济主战场，开展了工业机器人与应用工程的研究与开发，在短短几年内取得了重大进展。先后开发了点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运、自动导引车在内的全系列工业机器人产品，并在汽车、摩托车、工程机械、家电等制造业得到成功的应用，对我国制造业的发展和技术进步起到了促进作用。此外，将机器人技术向其它领域扩展，在9种工程机械上应用机器人技术，在传统产业的改造方面取得了有经济效益的成果。我们已经具备了进一步发展机器人技术及自动化装备的良好条件。在工业机器人方面，我们研制出具有国际90年代水平的精密型装配和实用型装配机器人、弧焊机器人、点焊机器人及自动导引车（AGV）等一系列产品，并实现了小批量生产。同时自主实施了100多项机器人应用工程，如汽车车身自动焊接线，汽车后桥弧焊线，汽车发动机装配线，嘉陵、金城、三水、新大洲摩托车焊接线，机器人自动包装码垛生产线，以及小型电器和精密机芯自动装配线等多项机器人示范应用工程。与发达国家相比，我国工业机器人技术的研究与发展起步较晚，投入少，再加上国外高技术发展迅猛，我们在创新意识、体制与管理机制等方面还存在许多值得改进之处，因此在总体技术上与国外先进水平相比还有很大差距。例如，迄今为止我们尚未形成机器人产业。再如，七、八十年代国外开始从事工程机械的机电液一体化研发工作时，国内正在进行机械式控制向机械-液压控制的转变。目前总体技术仅相当于国外八十年代初的水平。在制造工艺与装备方面，我国与工业发达国相比也有较大的差距。目前我国尚不能生产高精密、高速与高效的制造装备，国际上先进的制造工艺和装备在我国企业工业生产中应用的相当少。工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会（UNECE）和国际机器人联合会（IFR）统计，世界机器人市场前景看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入20世纪90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10%左右。2004年增长率达到创记录的20%。其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，高达43%。我国的工业机器人应用数量偏少，且主要依赖从日本、德国、意大利、美国进口。工业机器人很多核心技术我们尚未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。2012年以来，国家部委制定的规划和专项政策陆续出台，提出要大力推进自动控制系统、工业机器人、关键零部件等装置的开发和产业化。从而使我国进入了工业机器人产业化加速发展阶段。三、工业机器人的发展趋势21世纪制造业将进入一个新阶段，敏捷制造将成为企业的主导模式。能否抓住市场机遇快速开发出新产品，将是企业赢得竞争的主要手段。要减小生产成本对生产批量的依赖，就要发展敏捷制造装备。敏捷制造装备的可编程、可重组和快速响应能力使得在进行小批量生产时，可实现接近中、大批量生产的效率。工业机器人具有可编程、基于传感器控制、自主规划、可协调作业等特点，进一步发挥机器人这些高柔性和智能化特点，使它成为可重组的敏捷制造生产装备及系统的重要组成部分，为传统制造企业向敏捷制造企业跨跃发展提供重要的技术支持，是工业机器人的发展趋势。在制造工艺和装备方面，美国人也曾痛苦地认识到他们正在失去制造业，尤其是装备制造业的领袖地位。在对日、德装备制造业的兴旺进行认真分析后，美国人发现其原因在于日、德对制造工艺与装备研究的投入比例远大于美国。于是美国在进入90年代后，加强了对制造工艺和装备的研究。随着劳动力成本上升、生产成本等要素的提高，工业机器人在中国的发展日益迅猛，前景广阔。英国经济学家保罗麦基里认为，以互联网、新材料和新能源为基础，以“数字化智能制造”为核心理念的第三次工业革命浪潮已经到来，而“数字化智能制造”的主体就是工业机器人。当前全球社会组织形式和经济发展正发生深刻变化，随着人口红利的逐渐衰减和技术的飞速发展，机器人有望闪亮登场，“逆袭”人类工业化进程。（一）工业机器人的发展模式1.日本模式：此种模式的特点是：各司其职，分层面完成交钥匙工程。即机器人制造厂商以开发新型机器人和批量生产优质产品为主要目标，并由其子公司或社会上的工程公司来设计制造各行业所需要的机器人成套系统，并完成交钥匙工程。2.欧洲模式：此种模式的特点是：一揽子交钥匙工程。即机器人的生产和用户所需要的系统设计制造，全部由机器人制造厂商自己完成。3.美国模式：此种模式的特点是：采购与成套设计相结合。美国国内基本上不生产普通的工业机器人，企业需要时机器人通常由工程公司进口，再自行设计、制造配套的外围设备，完成交钥匙工程。我国从20世纪80年代开始，高校和科研单位全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，至今仍未形成具有影响力的产品和有规模的产业。目前，国内除了一家以组装为主的中日合资的机器人公司外，具有自主知识产权的工业机器人尚停留在高校或科研单位组织的零星生产，未能形成气候。近10年来，进口机器人的价格大幅度降低，对我国工业机器人的发展造成了一定的影响，我国自行制造的普通工业机器人在价格上根本无法与之竞争。特别是我国在研制机器人的初期，没有相应的零部件产业，使得国内企业在生产机器人过程中，只能依赖配套进口的零部件，更削弱了我国企业的价格竞争力。（二）工业机器人的新型机构新型机构是当前研究的热点之一。随着对机器人的柔性程度和精度要求越来越高。于是对可重构机器人和并联机构的研究成为了时代的必要。MichaelD.M.Kutzer等人设计的一种新型的独立移动可重构模块化的机器人，工作时可以是链式或晶状式，在危险环境中表现出了出色的运动能力。HongxingWei等人设计了一种自组装和自重构的模块化机器人，而GrahamGRyland等人设计了专门用于搜救行动中的可重构iMobot机器人，它有4个可控自由度，通过驱动轮子将自身举起来成为一个摄像平台。并联机构因其具有精度高、结构紧凑、刚度高等优点，引起了众多科研人员的兴趣，采用多目标遗传算法对2自由度的微型并联机构进行了优化设计。Sergiu-DanStan等人运用遗传算法和模拟退火的优化方法对一个2自由度并联微型机器人的工作空间进行了优化分析，实验表明该方法具有可行性。要缩短我国工业机器人与国外的差距，必须利用自己的优势走产业化的发展道路。因此，我国工业机器人行业在发展的道路上要认识到以下几点情况：第一，工业机器人技术是我国工厂自动化发展的必然趋势，国家要对国产工业机器人有更多的政策与经济支持，吸引高新技术人才，加大技术投入与建设；第二，在国家的科学技术发展计划中，应该继续对智能机器人研究开发与应用给予大力支持，形成产品和自动化制造装备同步协调的新局面；第三，部分国产工业机器人已经与国外相当，企业采购工业机器人时不要盲目进口，应该综合评估，大力弘扬国产工业机器人。四、结语研究和开发工业机器人、基于机器人的制造及自动化系统、智能化机器和先进制造工艺及装备所需的关键技术，为产业化发展提供技术支持；开发出一批有市场前景的、具有自主知识产权的机器人及自动化装备产品，提高企业的竞争能力。结合国家成套重大工程和典型行业的技术改造，实施若干在经济效益和社会效益方面具有相当显示度的示范工程，以应用工程带动技术和产品的发展。有选择地发展具有带动作用、关键性和自主知识产权的机器人、智能机器和先进制造装备产品。培养一支数以千计的从事工业机器人技术及自动化装备研究与开发、工程应用、产品开发与应用的队伍，建设若干工程研究开发中心，通过国家计划，加强产、学、研和金融的合作，促进科技和经济的紧密结合