工业机器人的研究现状与发展趋势

田 涛，邓双城，杨朝岚，张 泽，郑海洋，王福利，周唐恺

(1.北京工业大学，北京 100124；2.北京石油化工学院，北京 102617；3.北京化工大学，北京 100029)

工业机器人的研究现状与发展趋势

田 涛1，邓双城2，杨朝岚2，张 泽1，郑海洋3，王福利2，周唐恺2

(1.北京工业大学，北京 100124；2.北京石油化工学院，北京 102617；3.北京化工大学，北京 100029)

工业机器人为多种科学技术综合运用，自动化技术高度发展的产物，其是继汽车和计算机之后新的高新技术产业，对生产和社会的发展都起着至关重要的推动作用。首先，介绍了工业机器人的组成，并按不同标准进行了分类；然后，对国内外研究现状进行了对比分析，明确了国内外的巨大差距；最后，预言了工业机器人的发展趋势。

工业机器人；自动化；高新技术产业；研究现状；发展趋势

Beijing 102617，China； 3. Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029，China)

工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器和人工智能等多学科先进技术于一体的重要现代制造业自动化装备[1]。美国于1962年研制出世界上第1台示教型工业机器人，从此引领了机器人技术及相关产品的飞速发展。经过多年发展，国外工业机器人技术日趋成熟，而国内由于相关研究展开得比较晚，虽然取得了一定的成绩，但技术基础仍然很薄弱。

工业机器人的产生引起了生产和生活方式的剧变，带来了巨大的便利，如提高了劳动生产率及加工精度，降低了工作人员的工作强度，可以在工人难以适应的环境下工作等。随着近些年机器人研究广泛而又深入的开展，工业机器人不再仅仅局限于制造业，还被推广到采矿、救援和水电系统维修等非制造业领域。工业机器人及其成套产品成为自动化产业的主要方向，逐渐构成国家产业的重要组成部分，不断推动其他支柱产业的升级，成为推动国家社会和经济发展的重要力量。

1 工业机器人的组成及分类

1.1 工业机器人的组成

工业机器人一般由人机界面、运动控制器、驱动器和机械本体等部分组成(见图1)，各部分功能紧密联系，构成一个闭环系统。人机界面是操控人员向机器人发送指令的窗口；运动控制器是各关节的位姿运算单元，使机器人按照规定的要求工作，控制机器人的起动及停止；驱动器是为执行机构提供动力及运动的装置；机械本体即操作机，是完成各种动作的最直接部件，包括各种动作执行机构，如机械手。另外，还有一些辅助装置，如传感器，可以辅助机械本体进行位置和力等信息的检测。

图1 工业机器人系统基本构成

1.2 工业机器人的分类

在科技迅猛发展的今天，工业机器人的更新换代非常快，种类也越来越多,可以依据不同的标准对其进行划分，如采用的关键技术、应用领域、动力源、承载能力和顺序信息等；然而也存在一些机器人，很难用具体的标准对其进行划分。按照关键技术的发展，工业机器人可以分为3代：第1代是示教再现工业机器人，采用示教盒在线示教编程并保存示教信息，当机器人工作时，运动控制器解析并执行示教指令，该类机器人控制简单，容易实现，因而在工业上被广泛采用；第2代是离线编程机器人，其采用了离线计算机模型仿真技术，先对实体模型进行运动仿真，然后将验证过的编程以代码的形式传递给机器人控制柜，从而控制机器人的运动，并且使其具有一些简单智能(如视觉、触觉和力感觉等)；第3代是智能机器人，即机器人具有自主控制能力的装置，可以通过所带有的各种传感器感应周围复杂的动态环境信息，然后做出自主判断，进而自行发出正确指令，完成预期工作[2]。

工业机器人广泛应用于诸多领域，如工业、医疗、军事、抢险和家政服务等，包括广泛应用于汽车行业等制造业的点、弧焊机器人，喷涂机器人，搬运机器人；广泛应用于通信和远距离控制的网络机器人；广泛应用于其他非制造业的机器人，如救援机器人、军用机器人和服务机器人等。

工业机器人想要实现运动，需要对其提供动力，按照动力源的方式可分为液动、气动和电动机器人。3种驱动方式各有利弊：液动机器人提供的动力比较大，适合于搬运重载的物体，而且反应速度比较快，但是容易产生泄漏，且油液容易被污染；气动机器人由于气体的可压缩性，很难保证运动过程的平稳性以及工作的精度；电动机器人不需要泵或空气压缩机，结构设计较简单，而且工作精度较高，是当前工业机器人大多采用的驱动方式。

任何一款工业机器人都只能承载一定范围的负荷，否则就会失效，而承载能力是表示机器人工作“力量强度”的指标。根据承载能力可以将工业机器人划分为超大型机器人(>1 t)、大型机器人(100 kg～1 t)、中型机器人(10～100 kg)、小型机器人(0.1～10 kg)和超小型机器人(<0.1 kg)。明确了各种类型机器人的承载能力后，就可以根据实际工作需要选择合适的类型[3]。

顺序信息即机器人软件程序的机能，是衡量机器人智能水平的1个指标，据此可以分为操纵机械手机器人、单机能机器人、反复作业机器人和智能机器人。操纵机械手没有记忆功能，只能够直接进行操作；单机能机器人仅具有固定记忆功能，无法进行多种反复作业；大部分反复作业机器人的作业程序可以变更，能够实现多种反复作业；智能机器人能够自行处理和决定行动。

2 国内外发展现状

2.1 国外发展现状

1962年，美国通用汽车公司将第1台示教工业机器人投入使用，标志着工业机器人的诞生，之后经过数十年的发展，美国已经成为最顶尖的机器人强国之一。起步晚于美国5年的日本在这一领域得到了更为快速的发展，无论在机器人拥有数目还是密度上都在世界处于领先地位，成为名副其实的机器人王国。20世纪90年代中期开始，欧洲和北美的工业机器人产业在日本机器人发展的短暂低潮期强大了起来。随着机器人技术的日趋成熟，其标准化、模块化和智能化程度越来越高，工业机器人自动化成套装备已经成为自动化作业的主流方向，工业机器人的装机数和销售营业额都有了极大的提升；同时，工业机器人被推广到了建筑、采矿和救援等非制造领域。当前，国际上知名的工业机器人公司有日系的安川、OTC、FANUC、松下和川崎等，以及欧系中瑞典的ABB，德国的KUKA、CLOOS，意大利的COMAU及奥地利的IGM公司等[4]。日本安川电机公司于1977年研制出了第1台全电动工业机器人，公司的核心产品还包括半导体晶片传输机器人，其最早将工业机器人应用到半导体领域。日本FANUC公司成立于1972年，致力于工业机器人与工厂自动化的研究。公司所研制的R-2000iA系列多功能智能机器人上安装有视觉传感器和压力传感器，能够将无序放置的工件捡起并正确装配起来。瑞典ABB公司于1974年研制的用于搬送物料的工业机器人IRB6是世界上第1台能够实现全电控的机器人。德国KUKA公司生产的机器人种类繁多，负荷为5～1 300 kg，工作领域可小到部件检测、小部件装配或打磨等作业，大到汽车车身侧面加工或货盘堆垛等较重的作业。

2.2 国内发展现状

工业机器人可以降低制造成本，减轻劳动强度，同时我国又是世界制造业大国，因此对工业机器人的研究与推广显得十分迫切。在此背景下，我国于20世纪70年代对工业机器人开始展开研究，“七五”期间，我国对基础技术、基础元器件、几类工业机器人整机及应用工程进行了开发研究，实现了我国机器人产业从无到有的跨越。经过“八五”和“九五”科技攻关，我国工业机器人开始进入实际应用阶段，而且，“九五”期间在国家“863”项目的支持下，建立了沈阳新松机器人自动化股份有限公司、上海机电一体化工程公司和北京机械工业自动化所等9个智能机器人主题产业基地和7个科研基地。90年代后期，我国实现了机器人的商品化，为工业机器人产业化发展奠定了基础。“十五”期间国内工业机器人的需求以每年15%～20%的速度增长，应用领域也不断扩大。

国内知名机器人企业与科研机构取得了突出的研究成果，例如沈阳新松作为国内知名的机器人产业基地，研制出了RH6弧焊机器人、RD120点焊机器人等工业机器人及特种机器人。首钢莫托曼机器人有限公司作为国内最主要的机器人生产基地，引进安川UP系列机器人生产技术生产了“SG-MOTOMAN”机器人，并且研制出适用于工业领域的焊接、装配、搬运等机器人和机器人工作站。

目前，我国工业机器人主要是满足国内市场，只有小部分用于出口，并且机器人主要应用于国内汽车行业，包括弧焊、点焊、检测、搬运、研磨抛光和装配等复杂作业，在其他领域仍有广阔的发展空间与市场前景。虽然我国发展水平跟国外仍有一定差距，但是总体而言已经基本掌握了工业机器人设计、制造及应用中的多项关键技术，工业机器人产业得到了长足发展，在世界工业机器人领域占有了一席之地。

3 工业机器人的发展方向

为了推动工业机器人的进一步发展，适应新时代的产业化需求，提出了“敏捷制造”策略。“敏捷制造”的基本思想是企业能迅速以多种形式实现竞争环境下的敏捷性,主要包括个性化需求满足、快速反应性、低成本、生产系统重组与资源重用等[5]。为此，工业机器人的发展呈现出3个方向，即模块化、结构创新和智能化。

1) 模块化。所谓模块化就是为实现产品(系统)的总功能，在功能分析的基础上，将整个产品分解为若干特定模块，然后通过模块的不同组合得到不同品种、不同功能的产品，以满足市场的各种需求[6]。模块化设计具有下述几个优点：能够使机器人便于拆卸，减小安装空间，方便组件的运送；便于组件的替换，方便维修；通过组件的不同搭配，既可以满足不同用户群体的诸多需求，又可以降低制造成本。

2) 结构创新。随着工业机器人技术的日益成熟，机器人不再仅被应用于制造业领域，其也被广泛地应用于非制造业的各个领域。由于工作环境复杂多变，因此对机器人的环境适应性提出了更高的要求，为了适应各种恶劣的作业环境，需要对机器人的结构进行改进和创新，例如为了服务于抢险救援场所，仿生足式机器人等新型行走机构成为机器人研究的热点。固定作业机器人中，为了提高动作灵活度，多关节、多自由度的机械臂等直杆机构开始出现。

3)智能化。在柔性制造自动化及特殊作业中，要求机器人要有一定的智能，即检测功能和判断功能。为了实现该功能要求，需要大力发展多传感器信息融合技术，通过传感器获取的信息与信息库中存储的信息进行对照分析，完成检测识别，进而通过智能系统进行判断分析，例如在地震救灾机器人的研制中，为了实现对未知灾难现场环境信息的获取，需要安装视觉传感器；为了实现机器人行进中的自主避障，需要安装红外测距传感器等。

4 结语

工业机器人的出现是人类科技史上的一个重大成就，如美国和日本等资本主义国家都在工业机器人领域取得了突出的成绩，从而带动了本国自动化产业经济的发展，而我国在这一领域尚处于劣势地位。为了尽快缩短与国外的差距，需要政府大力扶植，发挥人才优势，在吸取国外先进理论的基础之上走出一条适合于我国的自主研发道路，推动我国工业机器人技术的飞速发展，带动我国经济的发展。

[1] 孙志杰,王善军,张雪鑫.工业机器人发展现状与趋势[J].吉林工程技术师范学院学报，2011, 27(7):61-62.

[2] 曹文祥,冯雪梅.工业机器人研究现状及发展趋势[J].机械制造，2011,(2):41-43.

[3] 余达太.工业机器人技术的现状及其展望[J].自动化学报,1987,13(2):1.

[4] 徐方.工业机器人产业现状与发展[J].机器人技术与应用,2007(5):2-3.

[5] 真彤,祈国宁,吴昭同，等.敏捷制造的总体技术研究[J].计算机集成制造系统,1999,5(3)：1-10.

[6] 单以才.机器人机械操作臂的模块化设计及其控制的研究[D].扬州:扬州大学，2003.

责任编辑李思文

ResearchStatusandDevelopmentTrendofIndustrialRobot

TIAN Tao1,DENG Shuangcheng2,YANG Zhaolan2,ZHANG Ze1,ZHENG Haiyang3,WANG Fuli2, ZHOU Tangkai2

(1.Beijing University of Technology, Beijing 100124，China; 2. Beijing Institute of Petro-chemical Technology,

Industrial robot is integrated usage of a variety of science and technology, and it′s also the product of highly developed automation technology. Industrial robot is the new high-tech industry after automobile and computer. Industrial robot plays a vital role in promoting the development of production and society. First，the paper introduced the composition of industrial robot, and classified it according to different criteria, second, the research status were compared, and a huge gap between domestic and foreign was presented, last, the paper forecasted its development trend.

industrial robot, automation, high-tech industry, research status, development trend

TP 24

：A

田涛(1988-)，男，硕士研究生，主要从事机器人结构设计与控制算法等方面的研究。

2014-08-18