| 标题 | 工业机器人的现状及发展趋势研究 |
| 范文 | 田闯 [摘 要]随着国家乃至全球范围内对智能制造的大力推广，工业机器人成为智能制造执行端的核心产品之一。本文简要介绍工业机器人的基本概念，详细分析工业机器人的市场现状及影响国内机器人发展的主要因素，最后探讨工业机器人的发展趋势，旨在为相关研究提供借鉴。 [关键词]工业机器人;智能制造;发展趋势 doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2019.20.070 [中图分类号]TP242.2[文献标识码]A[文章编号]1673-0194（2019）20-0-02 0 ? ? 引 言 随着工业生产的发展，产品需求的个性化趋势越来越明显，用户至上成为企业的核心思维，用户对资源配置、产品设计的影响力不断上升，未来客户可以根据自己的要求直接参与产品工程和设计中，产品可以完全按照个人意愿进行生产。为了实现该目标，全球范围内掀起了智能制造的浪潮，德国、美国、中国先后提出了工业4.0、工业互联网、中国制造2025，预示着信息技术与传统制造业融合是传统制造业发展的必然趋势，制造业将逐步向定制化、个性化、服务化方向转型。 1 ? ? 工业机器人概述 机器人是自动执行工作的机器装置，可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序执行工作，还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。机器人的主要作用是代替人类工作，比如生产、建筑等比较危险的作业岗位。机器人有3个主要特征：①有“大脑”，“大脑”指自动控制的程序;②有“身体”，具有一定的结构形态;③能够完成一定的动作。按照机器人发展的3个阶段，主要可以分为3类：第一阶段是再现型机器人，目前的主流机器人大部分都是这种，运动轨迹规划好后让机器人重复再执行;第二阶段是有感觉机器人，通过集成视觉、触觉传感器让机器人能够感知周围环境变化;第三阶段是智能机器人，通过云计算、大数据、人工智能等技术，根据算法自动做一些决策和行动指令。 从应用环境来分类，可以分为工业机器人和特种机器人。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装置，主要应用在工业领域，比如移动机器人、焊接机器人、激光加工机器人、真空机器人、洁净机器人等。特种机器人指工业机器人之外的，应用非制造业并服务于人类的各种机器人，比如服务机器人、水下机器人、军用机器人、农用机器人、巡检机器人和空中机器人等。 焊接机器人典型应用在汽车制造业，通过使用焊接机器人实现弧焊和点焊，性能稳定，工作空间足够大，速度足够快，負荷能力强，明显优于人工焊接，大大提高焊接效率和正品率。移动机器人最早应用在电商领域，实现货物分拣、搬运。巡检机器人主要用于大型变电站所，这些地方分散在相对比较荒野的地方，辐射较大，不能长期派人驻守，从而使用巡检机器人完成日常巡检工作。激光加工机器人，通过高精度工业机器人实现更加柔性的激光加工作业。真空机器人，是一种在真空环境下工作的机器人，有些产品的生产环境需要达到真空环境，比如芯片，这时真空机器人可以派上用场。 2 ? ? 工业机器人的市场分析 2.1 ? 全球范围工业机器人销售量分析 根据国际机器人联合会（IFR）提供的2006-2017年全球范围工业机器人销售量的报告可以看出，除了2008年经济危机导致2009年工业机器人销售量萎缩，其他年份基本都按照一定比例增长，特别是2017年，增长幅度高达31%，远远超过2012-2016年14%的平均增长率。其中，2016-2017年增长幅度较大，主要受到汽车和电子两大行业的影响。汽车行业，在2017年出现了比较显著的现象是新能源汽车的开发应用，比如阿里的小鹏等，大量的生产新能源汽车工厂建设导致工业机器人用量激增;电子行业方面，2017年，日常使用的手机发生了很大变化，以苹果为代表的“刘海屏”出现，以前的智能手机屏幕相对来说只有大小区别，生产工艺变化不大，因此，改造屏幕的生产线也不会太大，而“刘海屏”这类异形屏出现使手机内部电子连线布局，屏幕组装、测试，摄像头位置调整等相关手机装配工艺发生了很大变化，大量传统手机生产线的改造和更换导致工业机器人的需求量激增。 2.2 ? 我国工业机器人销售量分析 从中国区来看，同样在2015-2017年机器人的销售量稳步增长，2017年比上年增长59%，且国内电子行业首次超过汽车行业，成为了工业机器人第一大销往的行业。我国工业机器人的保有量和增长量基本都是第一，但是衡量一个国家机器人自动化水平并不单看量，主要看机器人密度（机器人密度指每万名工人对应的工业机器人数量）。我国通过近年来工业机器人的发展，机器人密度达到97，超过了世界平均水平，但是和新加坡、美国、德国等国家相比，还有一定差距，因此，工业和信息化部、发展改革委、财政部共同印发的《机器人产业发展规划2016-2020年》提出工业机器人市场应用目标，即集成应用取得显著成效;完成30个以上典型领域机器人综合应用解决方案，并形成相应标准和规范，实现机器人在重点行业的规模化应用，机器人密度达到150以上。 3 ? ? 影响我国机器人发展的主要因素 3.1 ? 电机 工业机器人在运行过程中，对电机的快速启动、快速停止、快速转向、高精度等性能要求非常高，需要配置专用电机，这类电机区别于市场上普通的自动化电机，自动化电机一般不会突然变向（比如突然正转变反转），即使具备突然变向功能，频率也无法达到工业机器人的性能要求。 3.2 ? 减速箱 减速箱是动力源和执行机构之间的中间装置，是工业机器人的核心部件。目前，国产工业机器人的减速箱基本上都是外资的，被日本两家公司垄断，这两家公司的减速箱产品分别面向小负载和大负载工业机器人，同时，两家公司与机器人四大家族（日本的安川电机（YASKAWA）、发那科（FANUC）、德国的库卡（KUKA）、瑞士ABB）签署了价格联盟，因此，国内机器人生产公司购买减速箱的成本会高于价格联盟中的定价，导致工业机器人的生产成本增加。 3.3 ? 材料 工业机器人的应用场景是大规模重复使用，重复运行精度要求非常高，重复运行会导致材料磨损，磨损会造成定位精度下降，因此，制造机器人的材料需要具有较好的耐磨性，这也是国产机器人大部分都应用大负荷、精度要求不高场合的原因。 3.4 ? 控制软件 机器人的控制软件分两部分：一部分是底层操作系统，比如美国的风河操作系统，Windows系统等;另一部分是机器人的控制算法，又可以叫做工艺包，控制算法可以根据实际生产工艺去编写，是生产工艺在工业机器人上的具体实现，对产品生产工艺了解比对产品功能了解更重要，直接决定了自动化产线的好坏。进口和国产工业机器人的差别主要在工艺包上，工艺需要不停摸索和积累，是产品生产过程的最佳实践。 4 ? ? 工业机器人的发展趋势 4.1 ? 至简 机器人的制造更简单，使用传统制造方式研发一款新机器人大概要用一年半到两年的时间，对于两台不同型号的机器人，各个零件差异很大，在未来，机器人将采用模块化设计，工业机器人的大部分零部件可以通用，采用类似“乐高积木”模式进行零部件拼接制造，甚至可以实现工业机器人自动化生产。使用和管理方面更简单，工业机器人的使用通常需要进行培训，操作有一定的复杂性，在未来，通过APP软件控制机器人，大大降低硬件投入和维护成本，同时，工业机器人支持联网功能，加上云服务器，可以实现机器人的远程管理和维护，实时监控机器人生產运行状况，及时处理、异常故障快速排除。 4.2 ? 协作 工业机器人的协作通常经历3个阶段，第一阶段是工业机器人和人的工作区域完全不重叠，各做各的，机器人的工作区域一般会加个围栏，防止工作过程中碰到人;第二阶段是针对某些特殊的生产流水线，完全靠机器人无法实现自动化生产，需要人工和机器配合完成，但人和机器不能同时进入工作区域，需要相互等着对方完成作业后方可进入工作区域进行作业;第三阶段是人和机器人完全共享同一个工位，肩并肩一起工作，不用做围挡和隔离，这是最理想的人与机器人协作模式，这种协作模式在未来会越来越普遍，这样的工作模式需要工业机器人更加具有柔性，并集成视觉、压力等多种高精度智能传感器。 4.3 ? 数字化技术融合 4.3.1 ? 虚拟仿真技术 机器人虚拟仿真软件提供了丰富的仿真工具，使工业机器人的自动化流水线设计变得更简单，通过仿真，在自动化流水线设计初期就能够完全模拟正式的生产环境和工业机器人的运行态势，便于修改和调优设计方案。 4.3.2 ? VR技术 通过将仿真软件与虚拟现实技术相融合，能够360°体验虚拟场景，比电脑屏幕去看更加直观。只要搭好三维场景，带上VR眼镜可以在实际生产线上去体检，实现更多交互，甚至可以在虚拟场景中实际操作工业机器人。 4.3.3 ? AR技术 微软Hololens能够把一个全息图像投影到真实物理环境中，提供了一个看世界的新方式，与机器人仿真软件相结合，可以在真实世界中看到一台虚拟机器人，提供机器人项目方案可视化、随时随地查到机器人各项数据、远程操作维护指导等功能。 5 ? ? 结 语 工业机器人的应用越来越广泛，在工业领域之外，机器人可以化身各种角色，融入各种领域，比如超市售卖、医疗服务、家政服务、舞台表演等，随着工业机器人的柔性化程度及人机安全的逐步完善，未来还会有各式各样的全新领域会出现机器人的身影。 |
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