工业机器人的概念与发展

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：现代工业机器人的发展开始于20世纪中期，依托计算机、自动化及原子能的快速发展。1954年，美国的戴沃尔对工业机器人的概念进行了定义，并进行了专利申请。1970年，第一届国际工业机器人学术会议在美国举行，促进了机器人相关研究的发展。日本一贯将工业机器人技术列入国家的发展计划和重大项目，不论在技术方面，还是在市场规模方面，日本称得上是“机器人大国”。

1.工业机器人的概念

国际机器人联合会（International Federation of Robotics，IFR）将机器人定义如下：机器人是一种半自主或全自主工作的机器，它能完成有益于人类的工作，应用于生产过程称为工业机器人，应用于特殊环境称为专用机器人（特种机器人），应用于家庭或直接服务人称为（家政）服务机器人。这种内涵广义的理解是机器人自动化机器，而不应该理解为如翻译的像人一样机器。

国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）对机器人的定义为“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务”。按照ISO定义，工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人，是自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器；它接受人类的指令后，将按照设定的程序执行运动路径和作业。工业机器人的典型应用包括焊接、喷涂、组装、采集和放置（如包装和码垛等）、产品检测和测试等。

2.工业机器人的发展

根据美国2013年3月发布机器人发展路线图，具有一定智能的可移动、可作业的设备与装备称为机器人，如智能吸尘器（家电）、空中机器人（无人机）、智能割草机（农机）、智能家家居（智能建筑与家具）、谷歌移动车辆（无人车）等都被认为是机器人。

现代工业机器人的发展开始于20世纪中期，依托计算机、自动化及原子能的快速发展。为了满足大批量产品制造的迫切需求，并伴随着相关自动化技术的发展，数控机床于1952年诞生，数控机床的控制系统、伺服电动机、减速器等关键零部件为工业机器人的开发打下了坚实的基础；同时，在原子能等核辐射环境下的作业，迫切需要特殊环境作业机械臂代替人进行放射性物质的操作与处理，基于此种需求，1947年美国阿尔贡研究所研发了遥操作机械手，1948年接着研制了机械式的主从机械手。1954年，美国的戴沃尔对工业机器人的概念进行了定义，并进行了专利申请。1962年，美国的AMF公司推出的“UNIMATE”，是工业机器人较早的实用机型，其控制方式与数控机床类似，但在外形上由类似于人的手和臂组成。1965年，一种具有视觉传感器并能对简单积木进行识别、定位的机器人系统在美国麻省理工学院研制完成。1967年机械手研究协会在日本成立，并召开了首届日本机器人学术会议。1970年，第一届国际工业机器人学术会议在美国举行，促进了机器人相关研究的发展。1970年以后，工业机器人的研究得到广泛、较快的发展。

1967年，日本川崎重工业公司首先从美国引进机器人及技术，建立生产厂房，并于1968年试制出第一台日本产通用机械手机器人。经过短暂的摇篮阶段，日本的工业机器人很快进入实用阶段，并由汽车业逐步扩大到制造业其他领域。1980年被称为日本的“机器人普及元年”，日本开始在各个领域推广使用机器人，这大大缓解了市场劳动力严重短缺的社会矛盾。1980—1990年日本的工业机器人处于鼎盛时期。20世纪90年代，装配与物流搬运的工业机器人开始应用。

自20世纪60年代以来，工业机器人在工业发达国家越来越多的领域得到了应用，尤其是在汽车生产线上得到了广泛应用，并在制造业中，如毛坯制造（冲压、压铸、锻造等）、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、打磨抛光、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中得到应用，提高了加工效率与产品的一致性。作为先进制造业中典型的机电一体化数字化装备，工业机器人已经成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志。

从1960年开始，经过50多年发展，工业机器人产业化整机的世界规模100亿～120亿美元，年销售台套16万台套，累计装机量120万～150万台套，考虑相关软件、零部件及系统集成应用整体规模在300亿～500亿美元市场，近5年市场增长率10%。

我国工业机器人整机规模为30亿～50亿人民币市场，考虑相关软件、零部件及系统集成应用整体规模100亿～300亿人民币，服务机器人刚刚开始，龙头企业3～5家，规模在5亿～10亿人民币，相关小企业30～50家，近3年市场增长率20%～30%。

工业机器人作为高端制造装备的重要组成部分，技术附加值高，应用范围广，是我国先进制造业的重要支撑技术和信息化社会的重要生产装备，将对未来生产和社会发展及增强军事国防实力都具有十分重要的意义，有望成为继汽车、飞机、计算机之后出现的又一战略性新兴产业。

3.世界各国工业机器人发展计划

世界各国纷纷将突破机器人技术、发展机器人产业摆在本国科技发展的重要战略地位。美国、日本、欧洲、韩国等国家和地区都非常重视机器人技术与产业的发展，将机器人产业作为战略产业，纷纷制定其机器人国家发展战略规划。

（1）美国相关机器人发展计划。美国机器人发展起步早，其发展思路是立足于相关机器人核心技术实现产业化，并提出了相关的工业机器人发展计划。2011年6月美国总统奥巴马在卡耐基梅隆大学讲话中，提出“NRI国家机器人发展计划（NASA，NSF，NIH）”，希望振兴美国制造业。接着，美国在2013年3月提出了“美国机器人发展发展路线图”，将围绕制造业攻克工业机器人的强适应性和可重构的装配、仿人灵巧操作、基于模型的集成和供应链的设计、自主导航、非结构化环境的感知、教育训练、机器人与人共事的本质安全性等关键技术。

（2）日本相关工业机器人发展计划。日本一贯将工业机器人技术列入国家的发展计划和重大项目，不论在技术方面，还是在市场规模方面，日本称得上是“机器人大国”。日本提出了机器人路线图，包含3个领域，即“新世纪工业机器人”“服务机器人”和“特种机器人”，并从技术图中的重要技术明确其性能和技术指标，并提到创建和扩大机器人的早期市场，缩短满足多种需求的机器人的开发时间、降低成本、扩大加入的企业。智能机器人技术软件计划（2007—2011年）资助9 700万人民币，基本机器人技术开放式创新改进传统技术（2008—2010年）资助约1 000万人民币，先进机器人单元技术战略开发计划（2006—2010年）预算5 447万人民币。

（3）欧洲相关工业机器人发展计划。欧盟第七研发框架计划（2007—2013年）投入机器人研究经费达6亿欧元，研究计划（2013—2020年）对机器人研究的经费投入将达到140亿欧元，另外还提出了2002—2022年欧洲机器人研究与应用的路线图。

（4）韩国相关工业机器人发展计划。韩国工业机器人产业起步较晚，但发展速度较快。韩国于20世纪80年代末开始大力发展工业机器人技术，在政府的资助和引导下，由现代重工集团牵头，用了10年的时间形成其工业机器人体系，目前韩国的汽车工业大量应用其本国的机器人。韩国将机器人与互联网相结合，提出了“839”战略计划，其中智能机器人是其提出的九项核心技术之一。韩国在2003年提出了“十大未来发展动力产业”计划，2004年韩国信息通信部提出“IT839”计划及“无所不在的机器人伙伴”项目，2008后每年4 000亿韩元（约合22亿人民币）；2009年韩国政府提出了“第一次智能型机器人基本计划”，2013年之前投入1万亿韩元（约合55亿人民币）。

4.世界工业机器人的发展模式

世界各国的工业机器人产业发展过程，分为3种不同的发展模式，即日本模式、欧洲模式和美国模式。

（1）日本模式为基于完善的工业机器人产业链分工进行发展，日本机器人制造厂商以面向开发新型工业机器人和批量化生产的机器人产品为发展目标，并由应用工程集成公司针对不同行业的具体工艺与需求，开展工业机器人生产线成套系统的集成应用。

（2）欧洲模式为用户单位提供一揽子的系统集成解决方案，工业机器人的生产、应用工艺的系统设计与集成调试，均有工业机器人的制造商承担和完成。

（3）美国模式为集成应用，在全球范围内采购工业机器人主机及成套设计的配套设备，由工程公司进口，在进行集成生产线的设计、外围设备的研发与集成调试应用。

5.大力发展工业机器人的意义及未来空间

新一轮工业革命呼唤着工业机器人产业的发展，市场激烈竞争、小批量多品种客户定制、劳动力成本不断上升、新技术突破进步对工业机器人存在着迫切的需求。信息化、智能化、绿色化将是未来制造业的重要发展方向，以工业机器人等为主体的技术与装备将成为未来制造强国的重要标志，在促进我国智能制造的发展，推动工业机器人产业化突破方面具有重要的意义。

随着我国劳动力成本的逐年增加，老龄化社会的到来，可进行传统加工制造业的一线工人将保持逐年减少的趋势，同时社会服务的成本将增加，我国对工业机器人及自动化加工装备的需求将逐步增加。国际制造环境竞争的日益激烈，客户可定制、柔性加工制造、成本投入与效率提高、整合全球资源逐渐成为制造业竞争力的核心要素。

因而，我国工业机器人的市场需求是刚性与持续的，期望一个新时代到来，厂厂都有机器人。工业机器人发展的临界点已经到来，工业机器人发展将是中国制造业历史上一次机遇与革命。

工业机器人的概念与发展

相关推荐