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消毒機:我國工業機器人技術現狀與產業化發展戰略

頌通生物 發布時間:2018-10-26 01:20:04

我國工業機器人技術現狀與產業化發展戰略

(北京航空航天大學機械工程及自動化學院)

摘要:隨著工業機器人的快速發展,其在汽車制造、機械加工、焊接、上下料、磨削拋光、搬運碼垛、裝配、噴涂等作業中
得到越來越多的應用。結合在機器人領域的相關工作,在分析國內外關于工業機器人發展現狀的基礎上,就工業機器人目前
涉及的靈巧操作、自主導航、環境感知、人機交互與安全性等前沿技術的研究做簡要的綜述。提出我國工業機器人產業發展
的若干思考和建議,希望能夠在把握國內外工業機器人前沿技術發展動態的同時,為發展我國工業機器人技術與產業提供相
關戰略思考與建議。
關鍵詞:工業機器人;輕巧操作;自主導航;環境感知;產業化;發展戰略
中圖分類號:TP242


Research Status and Industrialization Development Strategy of Chinese Industrial Robot

(College of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University)

Abstract:With the rapid development of industrial robots, more and more robots are applied in the automobile manufacturing, mechanical processing, welding, loading and unloading, grinding and polishing, handling and palletizing, assembling, painting and other operations. Combining the relevant work in the field of robotics, the domestic and international present and developing condition of industrial robots are discussed, and then a brief review on researches of cutting-edge technology is proposed, such as dexterous manipulation, autonomous navigation, environmental perception, human-robot interaction and security. Thinking and suggestion of Chinese industrial robot development are proposed, which keeps track of the latest developments in industrial robots, and helps to develop the theory, method and suggestion for Chinese robotics technology and industries. 

Key words:industry robot;dexterous manipulation;autonomous navigation;environmental perception;industrialization;development strategy


    0 前言


    國際機器人聯合會(International Federation of Robotics,IFR)將機器人定義如下:機器人是一種半自主或全自主工作的機器,它能完成有益于人類的工作,應用于生產過程稱為工業機器人,應用于特殊環境稱為專用機器人(特種機器人),應用于家庭或直接服務人稱為(家政)服務機器人[1]。這種內涵廣義的理解是機器人自動化機器,而不應該理解為如翻譯的像人一樣機器。

    國際標準化組織(International Organization for Standardization,ISO)對機器人的定義為“機器人是
一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手,這種機械手具有幾個軸,能夠借助于可編程序操作處理各種材料、零件、工具和專用裝置,以執行種種任務”[2]。按照 ISO 定義,工業機器人是面向工業領域的多關節機械手或多自由度的機器人,是自動執行工作的機器裝置,是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器[3];它接受人類的指令后,將按照設定的程序執行運動路徑和作業。工業機器人的典型應用包括焊接、噴涂、組裝、采集和放置(例如包裝和碼垛等)、產品檢測和測試等[4]

    根據美國 2013 年 3 月發布機器人發展路線圖[5],具有一定智能的可移動、可作業的設備與裝備稱為機器人,如智能吸塵器(家電)、空中機器人(無人機)、智能割草機(農機)、智能家家居(智能建筑與家具)、谷歌移動車輛(無人車)等都被認為是機器人。
    現代工業機器人的發展開始于 20 世紀中期,依托計算機、自動化以及原子能的快速發展[6]。為了滿足大批量產品制造的迫切需求,并伴隨著相關自動化技術的發展,數控機床于 1952 年誕生[7],同時數控機床的控制系統、伺服電動機、減速器等關鍵零部件為工業機器人的開發打下了堅實的基礎;同時,在原子能等核輻射環境下的作業,迫切需要特殊環境作業機械臂代替人進行放射性物質的操作與處理,基于此種需求,1947 年美國阿爾貢研究所研發了遙操作機械手[8],1948 年接著研制了機械式的主從機械手[9]。1954 年美國的戴沃爾對工業機器人的概念進行了定義,并進行了專利申請[10]。1962年美國的 AMF 公司推出的“UNIMATE”,是工業機器人較早的實用機型[11],其控制方式與數控機床類似,但在外形上由類似于人的手和臂組成。1965年,一種具有視覺傳感器并能對簡單積木進行識別、定位的機器人系統在美國麻省理工大學研制完成[12]。1967 年機械手研究協會在日本成立,并召開了首屆日本機器人學術會議[13]。1970 年第一屆國際工業機器人學術會議在美國舉行,促進了機器人相關研究的發展。1970 年以后,工而機器人的研究得到廣泛、較快的發展[14]
    1967 年日本川崎重工業公司首先從美國引進機器人及技術,建立生產廠房,并于 1968 年試制出第一臺日本產通用機械手機器人[15]。經過短暫的搖籃階段,日本的工業機器人很快進入實用階段,并由汽車業逐步擴大到制造業其他領域。1980 年被稱為日本的“機器人普及元年”,日本開始在各個領域推廣使用機器人,這大大緩解了市場勞動力嚴重短缺的社會矛盾。1980—1990 年日本的工業機器人處于鼎盛時期[16]。20 世紀 90 年代,裝配與物流搬運的工業機器人開始應用[17]
    自從 20 世紀 60 年代以來,工業機器人在工業發達國家越來越多的領域得到了應用,尤其是在汽車生產線上得到了廣泛應用,并在在制造業中,如毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、打磨拋光、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業中得到應用,提高了加工效率與產品的一致性[18]。作為先進制造業中典型的機電一體化數字化裝備,工業機器人已經成為衡量一個國家制造業水平和科技水平的重要標志[19]

    從 1960 年開始,經過 50 年發展,工業機器人產業化整機的世界規模 100 億~120 億美元,年銷售臺套 16 萬臺套,累計裝機量 120 萬~150 萬臺套,考慮相關軟件、零部件及系統集成應用整體規模在300 億~500 億美元市場,近 5 年市場增長率 10%[20]
    我國工業機器人整機規模為 30 億~50 億人民幣市場,考慮相關軟件、零部件及系統集成應用整體規模 100 億~300 億人民幣市場,服務機器人剛剛開始,龍頭企業 3 家~5 家,規模在 5 億~10 億,相關小企業 30 家~50 家左右,近 3 年市場增長率20%~30%[21]
    工業機器人作為高端制造裝備的重要組成部分,技術附加值高,應用范圍廣,是我國先進制造業的重要支撐技術和信息化社會的重要生產裝備,將對未來生產和社會發展及增強軍事國防實力都具有十分重要的意義,有望成為繼汽車、飛機、計算機之后出現的又一戰略性新興產業[22]
    世界各國工業機器人發展計劃。世界各國紛紛將突破機器人技術、發展機器人產業擺在本國科技發展的重要戰略地位。美國、日本、歐洲、韓國等國家和地區都非常重視機器人技術與產業的發展,將機器人產業作為戰略產業,紛紛制定其機器人國家發展戰略規劃。
    美國相關機器人發展計劃。美國機器人發展起步早,其發展思路是立足于相關機器人核心技術實現產業化[23-24],并提出了相關的工業機器人發展計劃[25-29]。2011 年 6 月美國總統奧巴馬在卡耐基梅隆大學講話中,提出“NRI 國家機器人發展計劃(NASA,NSF,NIH)”,希望振興美國制造業[30]。接著,美國在 2013 年 3 月提出了“美國機器人發展發展路線圖”,將圍繞制造業攻克工業機器人的強適應性和可重構的裝配、仿人靈巧操作、基于模型的集成和供應鏈的設計、自主導航、非結構化環境的感知、教育訓練、機器人與人共事的本質安全性等關鍵技術。
    日本相關工業機器人發展計劃。日本一貫將工業機器人技術列入國家的發展計劃和重大項目,不論在技術方面,還是在市場規模方面,日本稱得上是“機器人大國”。日本提出了機器人路線圖,包含三個領域,即“新世紀工業機器人”、“服務機器人”和“特種機器人”,并從技術圖中的重要技術明確其性能和技術指標,并提到創建和擴大機器人的早期市場,縮短滿足多種需求的機器人的開發時間、降低成本、擴大加入的企業。智能機器人技術軟件計劃(2007—2011 年)資助 9700 萬人民幣,基本機器人技術開放式創新改進傳統技術(2008—2010年)資助約 1 000 萬人民幣,先進機器人單元技術戰略開發計劃(2006—2010 年)預算 5 447 萬人 民幣[31-32]
    歐洲相關工業機器人發展計劃。歐盟第七研發框架計劃(2007—2013 年)投入機器人研究經費達 6億歐元,未來的研究計劃(2013—2020 年)對機器人研究的經費投入將達到 140 億歐元[33-34],另外還提出了 2002—2022 年歐洲機器人研究與應用的路線圖[35]
    韓國相關工業機器人發展計劃。韓國工業機器人產業起步較晚,但發展速度較快。韓國于 20 世紀80 年代末開始大力發展工業機器人技術,在政府的資助和引導下,由現代重工集團牽頭,用了 10 年的時間形成其工業機器人體系,目前韓國的汽車工業大量應用其本國的機器人。韓國將機器人與互聯網相結合,提出了“839”戰略計劃[36],其中智能機器人是其提出的九項核心技術之一。韓國在 2003年提出了“十大未來發展動力產業”計劃,2004 年韓國信息通信部提出“IT839”計劃[37],及其“無所不在的機器人伙伴”項目,2008 后每年 4 000 億韓元(約合 22 億人民幣)[38];2009 年韓國政府提出了“第一次智能型機器人基本計劃”,計劃在 2013年以前投入 1 萬億韓元(約合 55 億人民幣)[39]
    世界工業機器人的發展模式。世界各國的工業機器人產業發展過程,分為三種不同的發展模式,即日本模式、歐洲模式和美國模式[40]
    日本模式為基于完善的工業機器人產業鏈分工進行發展,日本機器人制造廠商以面向開發新型工業機器人和批量化生產的機器人產品為發展目標,并由應用工程集成公司針對不同行業的具體工藝與需求,開展工業機器人生產線成套系統的集成應用。
    歐洲模式為用戶單位提供一攬子的系統集成解決方案,工業機器人的生產、應用工藝的系統設計與集成調試,均有工業機器人的制造商承擔和完成。
    美國模式為集成應用,在全球范圍內采購工業
機器人主機及成套設計的配套設備,由工程公司進口,在進行集成生產線的設計、外圍設備的研發與集成調試應用。
    大力發展工業機器人的意義及未來空間。新一輪工業革命呼喚著工業機器人產業的發展,市場激烈競爭、小批量多品種客戶定制、勞動力成本不斷上升、新技術突破進步對工業機器人存在著迫切的需求。信息化、智能化、綠色化將是未來制造業的重要發展方向,以工業機器人等為主體的技術與裝備將成為未來制造強國的重要標志,在促進我國智能制造的發展,推動工業機器人產業化突破方面具有重要的意義[41]
    隨著我國勞動力成本的逐年增加,老齡化社會的到來[42],可進行傳統加工制造業的一線工人將保持逐年減少的趨勢,同時社會服務的成本將增加,我國對工業機器人及自動化加工裝備的需求將逐步增加。國際制造環境競爭的日益激烈,客戶可定制、柔性加工制造、成本投入與效率提高、整合全球資源逐漸成為制造業競爭力的核心要素[43]
    因而,我國工業機器人的市場需求是剛性與持續的,期望一個新時代到來,廠廠都有機器人[44]。工業機器人發展的臨界點已經到來,工業機器人發展將是中國制造業歷史上一次機遇與革命。


    2 國內外工業機器人技術與產業發展 現狀


    2.1 國外工業機器人技術與產業發展現狀


    自從 20 世紀 60 年代開始,經過近六十年的迅速發展,隨著對產品加工精度要求的提高,關鍵工藝生產環節逐步由工業機器人代替工人操作,再加上各國對工人工作環境的嚴格要求,高危、有毒等惡劣條件的工作逐漸由機器人進行替代作業,從而增加了對工業機器人的市場需求。
    在工業發達國家中,工業機器人及自動化生產線成套裝備己成為高端裝備的重要組成部分及未來發展趨勢,工業機器人已經廣泛應用于汽車及汽車零部件制造業、機械加工行業、電子電氣行業、橡膠及塑料工業、食品工業、物流、制造業等領域[45],工業機器人在主要領域的年度供應量如圖 1 所示(數據來源:IFR)。
    歐洲、日本在工業機器人的研發與生產方面占有優勢,其中知名的機器人公司包括 ABB、KUKA、FANUC、YASKAWA 等,這四家機器人企業占據的工業機器人市場份額達到 60%~80%[46]。美國特種機器人技術創新活躍,軍用、醫療與家政服務機器人產業占有絕對優勢,占有智能服務機器人市場60%[47]。我國工業機器人需求迫切,以每年 25%~30%的速度增長,年需求量在 2 萬~3 萬臺套,國產工業機器人產業化剛剛開始;在區域分布上,沿海地區企業需求高于內地需求,民營企業對工業機器人的需求高于國有企業的需求,各地政府及企業提出了相關發展規劃將大力發展機器人產業。

在國外,工業機器人技術日趨成熟,已經成為一種標準設備被工業界廣泛應用,相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業機器人公司[48],包括瑞典的 ABB Robotics,日本的 FANUCYaskawa,德國的 KUKA Roboter,美國的 Adept TechnologyAmerican RobotEmerson Industrial AutomationS-T Robotics ,意大利 COMAU ,英國的 AutoTech Robotics,加拿大的 Jcd International Robotics,以色列的 Robogroup Tek 公司,這些公司已經成為其所在地區的支柱性產業。表 1 為國際上機器人技術水平對比[49],從表 1 中可見,日本和歐盟的工業機器人技術最為先進,日本是全球范圍內國內工業機器人生產規模最大、應用最廣的國家,而隸屬于歐盟組織的德國則名列全球第二;韓國在服務類機器人上的發展較為優秀,而美國則側重于醫療和軍事機器人等方面。


根據國際機器人聯合會(IFR)統計,國際工業機器人市場從 2010 年開始增長。全球范圍內機器人的發展,受到金融危機的影響,2009 年工業機器人比2008 年下降了 0.5%2010 年,全世界新安裝的工業機器人數量逐步接近 20052008 年的高峰期,共供應了 115 000 臺工業機器人,機器人制造商的營業額總計 20 億歐元,同比增長 24%[50]

根據 IFR 預計,全球運行的工業機器人將從2009 年的 103.1 萬臺提高到 2011 年的 105.7 萬臺,增長 2.5%。到 2012 年,全球新安裝工業機器人將達到 10.4 萬臺/[50],全球工業機器人的銷量增長趨勢圖如圖 2 所示(數據來源:IFR)


我國2011年工業機器人銷售2.26萬臺,比2010年增長了 51%,成為繼日本、韓國之后的全球第三大工業機器人市場,全球工業機器人六大主要市場數據如圖 3 所示(數據來源:IFR)。據 IFR 預測,到2014 年,中國有望成為全球最大的機器人市場。

2.2 國內工業機器人技術與產業發展現狀

我國工業機器人面臨著歷史上難得的發展機遇,包括政策紅利、經濟轉型升級等剛性需求的釋放。制造業的轉型升級將推動我國高端制造裝備的發展,我國制造業需要實現從“大”到“強”,同時國內外經濟環境的變化將倒逼產業轉型升級,我國制造業將從依靠廉價勞動力、破環資源與環境的粗放式發展模式向依靠提高生產效率、環境友好型的精細式發展模式進行轉變。工業機器人作為我國高端裝備制造的基礎設備之一,是我國“十二五”發展規劃中高端制造裝備戰略性新興產業的重要組成部分,也是其他戰略性新興產業發展的重要基礎裝備。隨著我國產業的逐步轉型升級,以工業機器人為代表的智能裝備將實現爆發式增長。

長期以來,由于我國人口眾多、勞動力價格低廉、生產技術水平相對落后,工業機器人的應用受到了很大限制。但是,隨著工業機器人價格的降低和性能指標的提高,我國人工成本的增加、工作環境的改變和多元化的市場競爭,各企業面臨著重重壓力。工業機器人及配套的自動化裝備作為一個快速成長中的新興產業,將對未來生產和社會發展發揮著越來越重要的作用。

據統計,“十一五”期間,我國工業機器人的需求量快速增長,市場規模數據如圖 4、圖 5 所示(數據來源:IFR)。截止 2010 年,我國工業機器人擁有量達到 4 萬臺以上,主要包括焊接、噴涂、注塑、裝配、搬運、沖壓等各類機器人[51]

國內在工業機器人研發方面,沈陽新松機器人自動化股份有限公司在自動導引車(Automated guided vehicleAGV) 等方面取得重要市場突破[52], 哈爾濱博實自動化股份有限公司重點在石化等行業的自動包裝與碼垛機器人方面進行產品開發與產業化推廣應用[53],廣州數控設備有限公司研發了自主知識產權的工業機器人產品,用于機床上下料 [54],昆山華恒焊接股份有限公司開展了焊接機器人研發與應用[55],上海沃迪科技公司聯合上海交通大學研制成功了碼垛機器人并進行市場化推廣[56],天津大學在并聯機器人上取得了重要進展,相關技術獲得美國專利[57-58]。奇瑞裝備有限公司[59]與哈爾濱工業大學合作研制的 165 kg 點焊機器人,已在自動化生產線線開始應用,分別用于焊接、搬運等場合,自主研制出我國第一條國產機器人自動化焊接生產線,可實現 S11 車型左右側圍的生產,如圖 6所示。另外,安徽埃夫特、南京埃斯頓、安徽巨一自動化、常州銘賽、青島科捷自動化、蘇州博實、北京博創等在工業機器人整機、系統集成應用或是核心部件方面也進行了研發和市場化產業推廣[60]

3 工業機器人核心關鍵技術

我國工業機器人盡管在某些關鍵技術上有所突破,但還缺乏整體核心技術的突破,特別是在制造工藝與整套裝備方面,缺乏高精密、高速與高效的減速機、伺服電動機、控制器等關鍵部件。建議對關鍵技術開展攻關,掌握以下核心技術:模塊化、可重構的工業機器人新型機構設計,基于實時系統和高速通信總線的高性能開放式控制系統,在高速、負載工作環境下的工業機器人優化設計,高精度工業機器人的運動規劃和伺服控制,基于三維虛擬仿真和工業機器人生產線集成技術,復雜環境下機器人動力學控制,工業機器人故障遠程診斷與修復技術等。

3.1 工業機器人靈巧操作技術

工業機器人機械臂和機械手在制造業應用中模仿人手的靈巧操作[61],在感知,高精度高可靠性感知,規劃和控制性方面開展關鍵技術研發,最終達到通過獨立關節以及創新機構、傳感器,達到人手級別的觸覺感知陣列,動力學性能超過人手的高復雜度機械手能夠進行整只手的握取,并能做加工廠工人在加工制造環境中的靈活性操作工作。在工業機器人創新機構和高執行效力驅動器方面,通過改進機械裝置和執行機構以提高工業機器人的精度、可重復性、分辨率等各項性能[62-64]。進而,在與人類共存的環境中,工業機器人驅動器和執行機構的設計、材料的選擇,需要考慮工業機器人的驅動安全性。創新機構包括外骨骼、智能假肢,需要高強度的自重/負載比、低排放執行器、人與機械之間自然的交互機構等。采用新材料提高工業機器人的負載與自重比。

3.2 工業機器人自主導航技術

在由靜態障礙物、車輛、行人和動物組成的非結構化環境中實現安全的自主導航[65],對裝配生產線上對原材料進行裝卸處理的搬運機器人、原材料到成品的高效運輸的 AGV 工業機器人以及類似于入庫存儲和調配的后勤操作、采礦和建筑裝備的工業機器人均為關鍵技術,需要進一步進行深入研發技術攻關[66]

一個典型的應用為無人駕駛汽車的自主導航,通過研發實現在有清晰照明和路標的任意現代化城鎮上行駛,并能夠展示出其在安全性方面可以與有人駕駛車輛相提并論。自主車輛在一些領域甚至能比人類駕駛做得更好,比如自主導航通過礦區或者建筑區,倒車入庫,并排停車以及緊急情況下的減速和停車[67]

3.3 工業機器人環境感知與傳感技術

未來的工業機器人將大大提高工廠的感知系統,以檢測機器人及周圍設備的任務進展情況,能夠及時檢測部件和產品組件的生產情況、估算出生產人員的情緒和身體狀態,需要攻克高精度的觸覺、力覺傳感器和圖像解析算法[68-70],重大的技術挑戰包括非侵入式的生物傳感器[71]及表達人類行為和情緒的模型。通過高精度傳感器構建用于裝配任務和跟蹤任務進度的物理模型,以減少自動化生產環節中的不確定性。

多品種小批量生產的工業機器人將更加智能,更加靈活,而且將可在非結構化環境中運行,并且這種環境中包含有人類/生產者參與,從而增加了對非結構化環境感知與自主導航的難度,需要攻克的關鍵技術包括 3D 環境感知的自動化[72-73],是在非結構環境中也可實現產品批量生產,適應機器人在加工車間中的典型非結構化環境。

3.4 工業機器人的人機交互技術

未來工業機器人的研發中越來越強調新型人機合作的重要性,研究全浸入式圖形化環境、三維全息環境建模、真實三維虛擬現實裝置以及力、溫度、振動等多物理作用效應人機交互裝置[74]。為了達到機器人與人類生活行為環境以及人類自身和諧共處的目標,需要解決的關鍵問題包括:機器人本質安全問題,保障機器人與人、環境間的絕對安全共處;任務環境的自主適應問題,自主適應個體差異、任務及生產環境;多樣化作業工具的操作問題,靈活使用各種執行器完成復雜操作[75];人-機高效協同問題[76],準確理解人的需求并主動協助。在生產環境中,注重人類與機器人之間交互的安全性。根據終端用戶的需求設計工業機器人系統以及相關產品和任務,將保證人機交互的自然,不僅是安全的而且效益更高。人和機器人的交互操作設計包括自然語言、手勢、視覺和觸覺技術等,也是未來機器人發展需要考慮的問題。工業機器人必須容易示教,而且人類易于學習如何操作。機器人系統應設立學習輔助功能用以實現機器人的使用、維護、學習、和錯誤診斷/故障恢復等。

3.5 基于實時系統和高速通信總線的工業機器人開放式控制系統

基于實時操作系統和高速總線的工業機器人開放式控制系統,采用基于模塊化結構的機器人的分布式軟件結構設計[77],實現機器人系統不同功能之間無縫聯接,通過合理劃分機器人模塊,降低機器人系統集成難度,提高機器人控制系統軟件體系實時性;攻克現有機器人開源軟件與機器人操作系統兼容性、工業機器人模塊化軟硬件設計與接口規范及集成平臺的軟件評估與測試方法、工業機器人控制系統硬件和軟件開放性等關鍵技術[78];綜合考慮總線實時性要求,攻克工業機器人伺服通信總線,針對不同應用和不同性能的工業機器人對總線的要求,攻克總線通信協議、支持總線通信的分布式控制系統體系結構,支持典型多軸工業機器人控制系統及與工廠自動化設備的快速集成。


4 我國工業機器人產業發展若干思考

工業機器人產業屬于高端制造業,只有規模才有效益,而且與我國工業基礎能力關聯密切,需長期進行培育,包括培育系統集成商、整機制造商、零部件配套商等;工業機器人的集成應用工藝、應用成本與關鍵零部件一直是制約規模應用的瓶頸問題,一個企業需要上百、上千臺套市場推動才能可持續發展;有待加強培育市場認可的工業機器人規模龍頭企業、核心零部件配套企業,培育產業鏈發展,產學研緊密結合,資本投資有待加強。

4.1 工業機器人的規模化市場應用是前提

工業機器人作為一種智能制造的基礎裝備,只有結合具體的應用對象、應用環境和應用工藝,工業機器人自動化智能化才能發揮作用;工業機器人應用工程往往先行,焊接、搬運、打磨、噴涂、裝配機器人需要與周邊工作站的工裝夾具、傳送裝置、月 2014 5 月 王田苗等:我國工業機器人技術現狀與產業化發展戰略 7 檢測裝置、操作對象等緊密結合,工業機器人單臺價值僅是機器人自動化應用工程的 20%30%;應用企業第一要求的自動化效益包括投入產出比、無故障時間,其次是再考慮機器人本身型號與性能。工業機器人應堅持工程應用工藝優先,工業機器人在產業規模上,產銷 100 臺套起步、產銷 500臺套實現收入-支出的持平、產銷 1 000 臺套以上實現盈利,其中需要充分重視工業機器人應用的行業領域方向的選擇,應大力發展相關行業的應用集成商。市場需求驅動是工業機器人發展的直接動力,隨著人口紅利降低,尤其是 2 4 人口結構,工業機器人發展需求是長期的當前市場需求來源是危險、繁重、單調工種,招工難或是用工成本高,這有一個平衡點,而且隨時間是變化的。以 165 kg 焊接機器人產業化成本分析為例,隨著核心零部件的國產化,優化配套廠家資源,批量材料加工件效率,1 000 臺套的成本將由 32 萬元降到 18 萬元左右,如圖 7 所示,大幅降低了 56%

 

4.2 國產工業機器人的主機成本與可靠性是核心

我國產業化應用的工業機器人,不僅要求成本價格合理,還需要具有良好的可靠性,其自動化智能化的效率提高需要基于高可靠性的連續工作,包含的產業鏈長、投入大,需要長期發展才能在業內形成客戶信賴的品牌。通過打通工業機器人產業鏈的上下游,降低機器人及成套設備的成本將加速拐點到來,支撐工業機器人市場井噴發展的必由之路,如圖 8 所示。

 

工業機器人的可靠性涉及材料選擇、優化設計、核心部件、加工制造、工藝處理、集成調試、使用維護等關鍵因素。據統計,目前國產機器人可靠性方面較容易出故障的方面包含高速轉動的結構件精度、接口插件、頻繁操作按紐開關、元器件故障等,制造故障包含虛焊、加工精度未達標等。國外工業機器人的平均無故障時間達到了 5 h,單臺工業機器人在 8 年的時間內,機器人失效率為 0.2×104;例如某廠使用了 100 臺機器人,節拍為 120 s,因為是串聯系統,100 臺機器人的失效率為 100×0.2×104=2×103,其 MTBF 500 h,則平均 500×60/2=15 000 臺車,機器人會出現一次故障。如果出現故障后,平均維修時間為 4 h,則會損失4×60/2=120 臺車,因而,汽車生產線對工業機器人的高可靠性要求極高。

4.3 工業機器人核心零部件是關鍵

工業機器人核心零部件包含高精度減速器、伺服電動機和驅動器、控制器,對整個工業機器人的性能指標起著關鍵作用,并具有通用性和模塊化的單元構成。以安徽埃夫特機器人為例,其關鍵零部件如圖 9 所示。

 

我國工業機器人的關鍵部件依賴進口,尤其是在高精密減速器方面的差距尤為突出,制約了我國國產工業機器人產業的成熟及國際競爭力的形成,圖 10 所示為我國 50 kg 工業機器人成本分析[79];在工業機器人的諸多技術方面仍停留在仿制層面,創新能力不足,制約了工業機器人市場的快速發展;存在重視工業機器人的系統研發,但忽視關鍵技術突破,使得工業機器人的某些核心技術處于試驗階段,制約了我國機器人產業化進程。

4.4 技術與商務創新是工業機器人產業化發展的關鍵出路

工業機器人企業應重視品牌效益的作用,實現工業機器人產品的價值體現,需要不斷提高產品的可靠性使得用戶對其信任放心;在技術創新方面,通過采用新材料提高工業機器人的負載與自重比,通過仿生靈巧手的創新應用提高工業機器人操作的靈巧性[80-81],通過自主導航技術的突破實現 AGV工業機器人的自主導航,通過視覺誤差補償[82]、新型結構創新降低精密制造成本,通過人機交互技術創新實現工業機器人的示教作業,攻克可變剛度柔性關節控制技術,提高工業機器人操作過程中的安全性[83];探索工業機器人的租賃、保險等創新服務,通過創新的商業模式進一步推動工業機器人的產業化推廣。

工業機器人屬于高端制造領域,需要以大規模、長時期的投入構建完整產業鏈。雖然我國高端裝備制造業市場發展迅速,具有很大的發展潛力,我國的機器人已經進入產業化初期階段,同時也取得多項令人鼓舞的成果,但如何抓住我國工業機器人市場快速增長的歷史機遇,實現工業機器人產業的規模化發展,仍有許多問題值得思考。

國內機器人產業化發展有待秩序化與規范化。伴隨我國工業機器人需求的迅猛增長,企業紛紛看好工業機器人未來的市場規模與經濟效益,大量企業蜂擁而上,但是企業實力良莠不齊,有可能造成國內工業機器人市場的惡性競爭;同時,國內有些企業熱衷于大而全,具有一定機器人關鍵部件研發基礎的企業紛紛轉入機器人整機的試制與生產,從而難以形成工業機器人研制、生產、制造、銷售、集成、服務等有序、細化的產業鏈。

在我國機器人產業化發展戰略方面,建議堅持工業規模化、服務嵌入化的原則,培育機器人產業發展,推動智能制造技術與裝備發展的戰略目標,突破機器人新材料、3D 環境識別、導航規劃、靈巧操作等前沿技術,突破應用工藝、核心部件及可靠性集成平臺等產業技術,大力發展經濟型焊接、裝配、搬運等工業機器人,大力發展智能嵌入服務于老人、醫療、安防、能源、車輛、教育等各種設備之中的服務機器人。樹立國家科技價值觀,對機器人知名品牌的信任和尊重,實現可持續的高附加值機器人產品研發,通過不斷的技術創新實現工業機器人技術與產業的引領發展;發展有市場競爭力的龍頭企業,扶持中小型企業與系統集成商,形成良性循環的完整產業鏈配套;保護戰略產業與裝備本土企業的市場空間,簡單引資將失去寶貴市場機遇。

在國家計劃與產業有效銜接實現協同創新驅動方面,建議建立高層次工業機器人技術研發與測試平臺,加大對工業機器人核心零部件、核心關鍵技術研發的支持力度;建立機器人標準化、模塊化等共享技術公共服務平臺,推進成熟技術的產業化進程;發展工業機器人產業集群,支持工業機器人產業基地和技術組群的建設,接納全球機器人產業鏈龍頭企業的產業轉移,提升我國工業機器人產業的整體品牌效應。優化創新人才成長環境,重點培養一批高水平的研發隊伍,加快培養一批精業務、懂管理、具備市場眼光和全球視野的管理人才。優先研究和制定具有自主知識產權的工業機器人基礎標準和安全標準體系,鼓勵企業和科研院所參與國際標準的制訂,為推進機器人產品走向市場奠定 基礎。

我國工業機器人正在逐步走向產業化,具有良好的時代發展機遇,收到了投資商越來越多的關注,部分國家和地區在進行產業園或示范區的試點應用;技術創新與原始創新,依然是機器人突破性的發展關鍵要素,抓住機遇,理性發展;應遵循上游決定下游,應用考核主機,主機帶動部件,試驗研發的策略,促進我國工業機器人技術與產業化的快速發展。

5 結論

我國制造業的發展正處于工業化發展過程中,具有自動化、智能化、綠色化、網絡化、信息化的發展趨勢,隨著市場的激烈競爭、勞動力成本的逐漸上升,以及用戶對個性化、定制化的需求越來越迫切,老齡化社會的加劇形成,一線產業工人減少的趨勢不可逆轉,我國制造業普遍需要技術和設備升級改造,以增強競爭力,提高經濟效益,因此,我國工業機器人產業的發展空間巨大。

工業機器人不只有工業裝備的屬性,未來一定會成為大眾產品。一旦進入到大眾生活之后,會像互聯網一樣,成為一個國家經濟社會文化發展綜合月 2014 5 月 王田苗等:我國工業機器人技術現狀與產業化發展戰略 9 載體,會形成龐大產業。在未來幾年中國機器人產業將迎來爆發期,期望一個新時代到來。我國對工業機器人及工作站、成套生產線的需求是剛性與持續的,將迎接工業機器人發展的臨界點,工業機器人發展將有力的支撐我國制造業的升級換代。

致謝:我國工業機器人發展得到了國家科技部高新計劃發展及產業化司、科技部高技術發展研究中心劉進長研究員、國家高技術研究發展計劃的先進制造技術領域專家組的大力支持,同時我國的機器人領域專家李澤湘、黃田、譚民、孫立寧、趙杰、黃強、王耀南、劉成良、韓建達等同行也為這一基礎裝備制造產業的發展貢獻自己的一份力量,在此,作者表示深深的敬意。

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