（湖南工业大学电气与信息工程学院湖南株洲412007）
摘要：机器人是人类发展高级阶段的高科技产物，工业机器人的诞生和机器人学的建立无疑是21世纪人类科学技术的重大成就。在国内，工业机器人市场竞争越来越激烈，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，加快工业机器人技术的研究开发与生产是我们抓住这个历史机遇的主要途径。本文结合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。
关键词：工业机器人；自动化产业化；发展趋势
工业机器人是综合了计算机科学技术、机械工程技术、电子工程技术、信息传感器技术、控制理论、机构学、人工智能学、仿生学等多学科而形成的高新技术。在国外工业机器人技术日趋成熟，其己经成为一种标准设备而在工业自动化行业广泛应用，从而也形成了一批在国际上较有影响力的工业机器人公司，工业机器人技术的发展水平也成为一个国家工业自动化水平的重要标志。
工业机器人原理及分类20世纪中期，随着计算机技术、自动化技术和原子能技术的发展，工业机器人开始在美国得到研究和发展，使其在工业生产中得以广泛使用。工业机器人的最初出现是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物，如今工业机器人是综合了多学科而形成的高新技术产物，是当代十分活跃的研究开发领域。为了跟上社会进步、经济发展的步伐，工业机器人以不同的种类正逐步应用在到各行各业，对国民经济发展有着举足轻重的作用。
1.1工业机器人工作原理
现代工业自动化领域中应用的各种操作机器人是目前工业机器人技术中最成熟的一类，这种工业机器人实质上是一类能根据预先将程序编制在存储装置中，然后操作程序自动重复执行，进行完全代替人工作业的自动化机器。其系统构成如图1所示。
由图1可知，工业机器人构成是个闭环系统，通过运动控制器、伺服驱动器、机器人本体、传感器等部件可以完成人们需要的功能。
工厂中高性能通用型工业机器人一般采用关节型的机械结构，每个关节由独立的驱动电机控制，通过计算机对驱动单元的功率放大电路进行控制，实现机器人的运动控制操作。其控制系统原理流程图如图2所示。
由图2可知，关节型工业机器人的组成由人机界面(示教器)、伺服驱动器、运动控制器(下位机)、机器人本体等组成，通过机器人末端带不同的夹具来实现不同的功能。示教器是对机器人状态的监控及发出运动指令部分，是人跟机器人信息交互的唯一窗口;伺服驱动器是对伺服电机的控制，是机械手臂运动的动力源;运动控制器是各个关节的位姿运算单元，正解和逆解程序的执行、运行都在其中计算;机器人本体是执行机构，是实现要求功能的最直接部件。
1.2工业机器人分类
随着科学技术的不断进步，我国工业机器人已经走上了自主研发阶段，这样标志着我国工业自动化走向了新的里程碑。按照工业机器人的关键技术发展过程其可分为三代：
第一代是示教再现机器人，主要由机器人本体、运动控制器和示教盒组成，操作过程比较简单。第一代机器人使用示教盒在线示教编程，并保存示教信息。当机器人自动运行时，由运动控制器解析并执行存储的示教程序，使机器人实现预定动作。这类机器人通常采用点到点运动，连续轨迹再现的控制方法，可以完成直线和圆弧的连续轨迹运动，然而复杂曲线的运动则由多段圆弧和直线组合而成。由于操作的容易性、可视性强，所以在当前工业中应用最多。
第二代是离线编程机器人，该机器人编程系统是采用离线式计算机实体模型仿真技术，首先建立起机器人及其工作环境的实体模型，再采用实际的正逆解算法，通过对实体模型的控制和操作，在离线的情况下进行路径规划，然后通过编程对实体模型进行三维动画仿真，以检验编程的正确性，最后将正确的代码传递给机器人控制柜，以控制机器人运动，完成了离线编程。
第三代是智能机器人，它除了具有第一代和第二代的特点以外可带有各种传感器，这类机器人对外界环境不但具有感觉能力，而且具有独立判断、记忆、推理和决策的能力，能适应外部对象、环境协调地工作，能完成更加复杂的动作。在工作时通过传感器获得外部的信息，并进行信息反馈，然后灵活调整工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。此机器人用在弧焊和搬运工作中较多。
在我国，由于机器人技术以及研发的落后，工业机器人主要应用在制造业，如汽车制造行业和工程机械行业，主要用于汽车及工程机械的喷涂、焊接及搬运岗位。
2国外工业机器人发展
早在1954年美国乔治•德沃尔设计出第一台电子可编程序的工业机器人，并于1961年发表了该项专利，1962年美国通用汽车公司投入使用，标志着第一代机器人诞生。从此，机器人开始成为人类生活中的现实，随后日本使工业机器人得到迅速的发展。如今，日本已经成为世界上工业机器人产量和拥有量最多的国家。20世纪80年代，世界工业生产技术上的高度自动化和集成化高速发展，同时也使工业机器人得到进一步发展，并在这个时期工业机器人对世界整个工业经济的发展起到了关键性作用。目前，世界上工业机器人无论是从技术水平上还是从已装配的数量上都日趋成熟，优势集中在以日、美为代表的少数几个发达的工业化国家，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。国际上成立的具有影响力的、著名的工业机器人公司主要分为日系和欧系，日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的产品;欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奥地利的IGM公司。
工业机器人己成为柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)、工厂自动化(FA)的自动工具，据专家预测，工业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。2002年至2004年，根据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计，世界工业机器人市场前景看好，年增长率平均在10%左右。2005年增长率达到创记录的30%，其中亚洲工业机器人增长幅度最为突出，高达45%。2007年，全球新安装工业机器人的数量将超过十万套。世界主要行业占有工业机器人的比例如图3所示。
全球现役工业机器人98万台，过去的10年工业机器人的技术水平取得了惊人的进步，传统的功能型的工业机器人已趋于成熟，各国科学家正在致力于研制具有完全自主能力的、拟人化的智能机器人。机器人的价格降低约80%，现在仍继续下降，而欧美劳动力成本上涨了40%。现役机器人的平均寿命在10年以上，还可能高达15年以上，它们还易于重新使用。由于机器人及自动化成套装备对提高制造业自动化水平，提高产品质量、生产效率、增强企业市场竞争力和改善劳动条件等起到了重大的作用，加之成本大幅度降低和性能的高速提升，其增长速度较快。在国际上，工业机器人技术在制造业应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、智能化和网络化的程度也越来越高，功能越来越强，正向着成套技术和装备的方向发展，工业机器人自动化生产线成套装备己成为自动化装备的主流及未来的发展方向。与此同时，随着工业机器人向更深更广的方向发展以及智能化水平的提高，工业机器人的应用已从传统制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿、农业、建筑、灾难救援等非制造行业，而且在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域，机器人的应用也越来越多，如无人侦察机
(飞行器)、警备机器人、医疗机器人、家用服务机器人等均有应用实例。机器人正在为提高人类的生活质量发挥着越来越重要的作用，己经成为世界各国抢占的高科技制高点。
3国内工业机器人发展
工业机器人技术正在以超乎人们所预料的速度向前发展，对机器人这一概念的理解及定义也在变化。1984年末著名科学家钱学森指出:“所谓机器人，就是指那些有特定功能的自动机，它是机电一体化的，具有人工智能因素的20世纪80年代高技术，是新技术革命的重要内容之一。”据统计，我国工业机器人的需求量以每年30%以上的速度增长。我国工业机器人2005年拥有量增至7600台，年销售额约为28.7亿元;2010年拥有量为17300台，年销售额约为93.1亿元。有关专家预测，根据发达国家产业发展与升级的历程和工业机器人产业化发展趋势，到2015年中国工业机器人市场的容量约达十几万台套以上。
3.1国内工业机器人的发展现状
我国工业机器人起步于20世纪70年代初期，经过30多年的发展，大致可分为3个阶段:20世纪70年代的萌芽期，80年代的开发期，90年代的实用化期。在高新技术发展的推动下，随着改革开放方针的实施，我国工业机器人在工业自动化的发展进程中扮演着极其重要的角色。为了迅速缩短与工业发达国家的差异，并在高起点的平台上发展我国自己的机器人工业，要积极吸收和利用国外已经成熟的机器人技术，并且要得到国家的重视和支持。
现在，我国从事机器人研发的单位有200多家，专业从事机器人产业开发的企业有50家以上。在众多专家的建议和规划下，“七五”期间由机电部主持，中央各部委、中科院及地方科研院所和大学参加，国家投入相当资金，进行了工业机器人基础技术、基础元器件、几类工业机器人整机及应用工程的开发研究。“九五”期间，在国家“863”高技术计划项目的支持下，沈阳新松机器人自动化股份有限公司、哈尔滨博实自动化设备有限责任公司、上海机电一体化工程公司、北京机械工业自动化所、四川绵阳思维焊接自动化设备有限公司等确立为智能机器人主题产业基地。此外，还有上海富安工厂自动化公司、哈尔滨焊接研究所、国家机械局机械
研究院及北京机电研究所、首钢莫托曼公司、安川北科公司、奇瑞汽车股份有限公司等都以其研发生产的特色机器人或应用工程项目而活跃在当今我国工业机器人市场上。
据统计，近几年国内厂家所生产的工业机器人有超过一半是提供给汽车行业。可见，汽车工业的发展是近几年我国工业机器人增长的原动力之一。近三年主要研发、生产及应用工业机器人单位的情况如表1所示。
“十五”期间是中国工业机器人产业发展的一个关键转折点，市场需求也有一个井喷式的发展，需求量每年以15%—20%的速度增长。如今，国内市场年需求量在3000台左右，年销售额在20亿元以上。统计数据显示，中国市场上工业机器人总共拥有量近万台，占全球总量的0.56%，国产工业机器人目前只要以国内市场应用为主，年出口量为100台左右，年出口额为0.2亿以上。国内的机器人技术研发力量已经具备了大型机器人工程设计和应用的能力，整体性能已达到国际同类产品的先进水平，而整体价格仅为国外同类产品的三分之二甚至一半，具有良好的性能价格比和市场竞争力。
3.2国内工业机器人技术应用现状
我国工业机器人经过“七五”攻关计划、“九五”攻关计划和“863”计划的支持已经取得了较大进展，其市场也逐渐成熟，应用上已经遍及各行各业，但进口机器人仍占了绝大多数。目前取得较大进展的工业机器人技术有:数控机床关键技术与装备、隧道挖掘机器人相关技术、装配自动化机器人相关技术、工程机械智能化机器人相关技术等。虽然工业机器人技术有很大进步，但是仍然相当于国外发达国家20世纪80年代初的水平，特别是在制造工艺与装备方面不能生产高精密、高速与高效的关键部件。所以我国工业机器人技术发展的战略目标是:“根据2l世纪初我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求，瞄准国际前沿高新技术发展方向，创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。”未来我国工业机器人技术发展的重点:一是危险、恶劣等环境作业的机器人。主要有防暴、星球探测、高压带电清扫、油汽管道清淤等工业机器人;二是仿生工业机器人。主要有移动机器人，无线遥控操作机器人等;三是医药行业、建筑行业、机械加工行业等。其发展趋势是智能化、低成本、高可靠性和易于集成控制。
3.2.1工业机器人硬件部分技术发展
工业机器人硬件部分主要由机器人本体、电控柜、人机交互器组成。以奇瑞自主研发机器为例，机器人本体结构由自己的研发团队完成，减速机采用日本进口RV减速机;电控部分采用松下、三羊、贝加莱等伺服驱动器，很好地完成插补、前馈的等功能，使工业机器人性能能达到国际同行标准，其中电控柜采用自主研发的基于双循环系统的温控电柜，适用环境恶劣的焊装、冲压等车间;人机交互器才有自主研发功能的示教盒，操作简单，功能齐全，其已经申请国家专利。目前，我们正在研发自己的伺服驱动器和工业机器人专用减速机，在不久的将来我们会实现所有硬件国产化，在工业机器人行业会有大的技术飞跃。
3.2.2工业机器人软件部分技术发展
软件控制部分是工业机器人的“心脏”，随着科技的发展，工业机器人软件部分也急速发展，根据实际需要研发了点焊、弧焊、搬运、视觉、涂胶等功能。自主研发的工业机器人从下位机到上位机都自主开发出了应用软件。下位机的正、逆解运动学算法，上位机的离线编程及在线编程程序，这些技术及其方便地满足了我国制造业现场应用情况。软件界面的简单、美观、操作方面、功能齐全，对没有学历的操作者进行简单的培训就可以熟练操作，其中下位机算法软件，上位机编程软件已经申请国家专利，并且在奇瑞汽车股份有限公司的焊装一、二、三车间及冲压车间应用多年，系统稳定，应用效果较好。
目前，我国在工业机器人的应用工程方面已建立了多条用于汽车制造业上的焊装生产线、装配生产线、喷涂生产线和总装生产线。在上海、沈阳、北京、芜湖等地建立了工业机器人及其自动化生产线工厂和产业基地，开发出一批有市场前景的，具有自主知识产权的工业机器人及其自动化生产线产品。同时，进一步加强与外企合作，引入先进技术及资金使我国成为国际生产工业机器人基地，占领国内市场，走向世界。
4我国工业机器人发展的必由之路
随着工业机器人技术发展的深度和广度以及智能水平的提高，工业机器人已在众多领域得到了应用，并还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到如机械加工行业、电子电气行业、食品工业、橡胶及塑料行业、木材与家具制造业等领域中。从我国加入世界贸易组织(WTO)以后，工业机器人产业将面临着新的发展机遇和来自国外的挑战，要把握这一机遇，迎接新的挑战，我国工业机器人必须走产业化之路。
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。
5结束语
以上论述分析了工业机器人在国内、国外的发展状况和应用趋势，以及带来的经济效益。随着计算机科学技术的不断发展，工业机器人应用领域也随之不断扩展和深化。我国必须依靠自身优势，提高自主创新，寻求发展道路，是中国工业机器人生产企业在激烈市场竞争中需面对的问题。力争在新的世纪里，工业机器人技术大发展的新技术时代，使我国的工业机器人产业在世界上占有一席之地。
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作者简介
孔玲爽（1979.9-），女，河北任县人，湖南工业大学，副教授，单位：电气学院，研究方向：智能控制。