工业机器人重新定义工厂

　　工业机器人的概念和分类

　　根据ISO（国际标准化组织）8373的定义，工业机器人指的是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人，它可以自动执行工作，靠自身动力和控制能力来实现各种功能，既可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。工业机器人一般由两大部分组成：一部分是机器人执行机构，一般称作机器人操作机，负责完成机器人的操作和作业；另一部分是机器人控制系统，主要完成信息的获取、处理、作业编程、规划、控制以及整个机器人系统的管理等功能。国际机器人联合会认为工业机器人有四个特点：第一，可重新编程，工业机器人被设计为在不进行物理改动的情况下更改编程的运动或辅助功能；第二，具有多种用途，可以适应不同的环境变化；第三，可以进行机械系统的改变；第四，具有用于指定线性或旋转模式下的控制机器人运动方向的轴设计。

　　根据不同的分类标准，工业机器人有多种不同的分类方式。例如，以机械结构为标准，工业机器人可分为串联机器人和并联机器人：串联机器人指的是一个轴的运动会改变另一个轴的坐标原点，如六关节机器人；并联机器人指的是一个轴运动不影响另一个轴的坐标原点，如蜘蛛机器人。以操作机坐标形式为标准，工业机器人可分为圆柱坐标型机器人、球坐标型机器人、多关节型机器人、平面关节型机器人、直角坐标型机器人，它们的区别在于：圆柱坐标型机器人的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型机器人的臂部能回转、俯仰和伸缩；多关节型机器人的臂部有多个转动关节；平面关节型机器人的轴线相互平行，实现平面内定位和定向；直角坐标型机器人的臂部可沿三个直角坐标移动。

　　最常见且利于加深对工业机器人理解的分类标准是其功能作用，现有的工业机器人主要可分为八类：焊接机器人、码垛机器人、搬运机器人、喷涂机器人、装配机器人、激光加工机器人、真空机器人、洁净机器人。焊接机器人是从事焊接(包括切割与喷涂)的工业机器人，主要包括机器人和焊接设备两部分。目前已广泛应用在汽车制造业，并尤其在汽车底盘焊接生产中得到了广泛的应用。国内生产的桑塔纳、帕萨特、别克、赛欧、波罗等后桥、副车架、摇臂、悬架、减振器等轿车底盘零件大都是以工业机器人焊接为主的受力安全零件，焊接主要以搭接、角接接头形式为主，焊接质量要求相当高，其质量的好坏直接影响到轿车的安全性能。码垛机器人是从事码垛的工业机器人，将已装入容器的物体，按一定顺序码放在托盘、栈板(木质、塑胶)上，进行自动堆码。目前已广泛应用于纸箱、塑料箱、瓶类、袋类、桶装、膜包产品及灌装产品等。搬运机器人是可以进行自动化搬运作业的工业机器人，目前世界上使用的搬运机器人逾10万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家甚至已制定出人工搬运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成。喷涂机器人是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人，主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成，液压驱动的喷涂机器人还包括液压油源，如油泵、油箱和电机等。目前已广泛用于汽车、仪表、电器、搪瓷等工艺生产部门。装配机器人是为完成装配作业而设计的工业机器人，由机器人操作机、控制器、末端执行器和传感系统组成。目前主要用于各种电器制造(电视机、录音机、洗衣机、电冰箱、吸尘器)、小型电机、汽车及其部件、计算机、玩具、机电产品及其组件的装配等方面。激光加工机器人是将机器人技术应用于激光加工中，通过高精度工业机器人实现更加柔性的激光加工作业。系统通过示教盒进行在线操作，也可通过离线方式进行编程。真空机器人是一种在真空环境下工作的机器人，主要应用于半导体工业中，实现晶圆在真空腔室内的传输。但真空机械手难进口、受限制、用量大、通用性强，这成为制约我国半导体装备整机的研发进度和整机产品竞争力的关键部件。洁净机器人是在洁净环境中使用的工业机器人。随着生产技术水平不断提高，很多现代工业产品生产都要求在洁净环境进行，洁净机器人因而成为洁净环境下进行生产所需要的关键设备。

　　工业机器人的发展历程

　　从国外的技术发展历程来看，工业机器人技术的发展经历了三个阶段。产生和初步发展阶段：1958年-1970年。工业机器人领域的第一件专利由乔治.德沃尔在1958年申请，名为可编程的操作装置。约瑟夫.恩格尔伯格对此专利很感兴趣，联合德沃尔在1959年共同制造了世界上第一台工业机器人，称之为Robot，其含义是“人手把着机械手，把应当完成的任务做一遍，机器人再按照事先教给它们的程序进行重复工作”，并主要用于工业生产的铸造、锻造、冲压、焊接等生产领域，特称为工业机器人。技术快速进步与商业化规模运用阶段：1970年—1984年。这一时期的技术相较于此前有很大进步，工业机器人开始进行具有一定的感知功能和自适应能力的离线编程，可以根据作业对象的状况改变作业内容。伴随着技术的快速进步发展，这一时期的工业机器人还突出表现为商业化运用迅猛发展的特点，工业机器人的“四大家族”——库卡、ABB、安川、FANUC公司分别在1974年、1976年、1978年和1979年开始了全球专利的布局。

　　智能机器人阶段：1985年至今。智能机器人带有多种传感器，可以将传感器得到的信息进行融合，有效地适应变化的环境，因而具有很强的自适应能力、学习能力和自治功能。在2000年以后，美国、日本等国都开始了智能军用机器人研究，并在2002年由美国波士顿公司和日本公司共同申请了第一件“机械狗”（BostonDynamicsBigDog）智能军用机器人专利，2004年在美国政府DARPA/SPAWAR计划支持下申请了智能军用机器人专利。我国的工业机器人发展历程具有不同于国外的特点，起步相对较晚，大致可分为4个阶段。

　　理论研究阶段：20世纪70年代到80年代初。由于当时国家经济条件等因素的制约，我国主要从事工业机器人基础理论的研究，在机器人动力学、机构学等方面取得了一定的进展，为后续工业机器人的研究奠定了基础。

　　样机研发阶段：20世纪80年代中后期。随着工业发达国家开始大量应用和普及工业机器人，我国的工业机器人研究得到政府的重视和支持，国家组织了对工业机器人需求行业的调研，投入大量的资金开展工业机器人的研究，进入了样机开发阶段。

　　示范应用阶段：20世纪90年代。我国在这一阶段研制出平面关节型统配机器人、直角坐标机器人、弧焊机器人、点焊机器人等7种工业机器人系列产品，102种特种机器人，实施了100余项机器人应用工程。为了促进国产机器人的产业化，在90年代末建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地。

　　初步产业化阶段：21世纪以来。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》突出增强自主创新能力这一条主线，着力营造有利于自主创新的政策环境，加快促进企业成为创新主体，大力倡导企业为主体，产学研紧密结合，国内一大批企业或自主研制或与科研院所合作，加入工业机器人研制和生产行列，我国工业机器人进入初步产业化阶段。

　　经过上述四个阶段的发展，我国的工业机器人得到一定程度的普及。数据显示，到2016年，中国工业机器人的保有量达到30万台。但是，与先进的制造业国家相比，我国工业机器人使用密度仍有不少差距，工业机器人的保有量仍有巨大上升空间。

　　工业机器人的作用和前景

　　在具体探讨工业机器人的作用和前景之前，一系列相关数据可以让我们清楚了解到其近年来的发展势头。国际机器人联合会发布的《2018年世界机器人报告》显示，2017年全球的工业机器人销量高达38.1万台，同比增长29%。在2012年-2017年间，全球的工业机器人销量以年均19%的增速迅猛增长。中国自2013年以来就成为全球工业机器人的最大买家，并在2017年买下13.8万台设备，占全球总销量的36%，较2016年购买的数量增加了59%。除中国外，其他主要买家分别为日本、韩国、美国和德国，以上5个国家在2017年所购买的工业机器人数量占全球总销量的73%。据估计，从2018年到2021年，全球将新增210万台工业机器人。

　　销量的迅猛增加意味着更大的需求，更多的工业机器人被投放到工业生产领域之中。出现这一趋势的原因在于使用工业机器人的实质是用机器生产代替人力生产，是生产力的进步，这一进步至少会带来以下三方面的优势：提供更安全的工作环境，减少劳动风险；减少生产成本，提高企业竞争力，提高生产效率；增强生产的可控性，加快产品更新换代。例如，一台搬运机器人的成本相当于3年的工人工资，寿命却达到10年以上，企业出于成本考虑，选择用机器替代部分工人。此外，一些在危险、恶劣环境中如冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工以及对于人体有害物料进行的作业，使用工业机器人可以避免危险环境对人体造成的伤害。

　　综合工业机器人的优势和当下技术特点，可以预见到工业机器人的发展会呈现出四大趋势。第一，机器人与信息技术深度融合。大数据和云存储技术使得机器人逐步成为物联网的终端和节点，信息技术的快速发展将工业机器人与网络融合，组成复杂性强的生产系统，使其具有类人的学习能力，多台机器人协同技术使一套生产解决方案成为可能。第二，机器人产品易用性与稳定性继续提升。随着机器人标准化结构、集成一体化关节、自组装与自修复等技术的改善，机器人的易用性与稳定性不断被提高；机器人将向着体积小、应用广的方向发展；机器人制造成本继续下降；机器人能够通过简易的感应方式理解人类语言、图形、身体指令。第三，机器人向模块化、智能化和系统化方向发展。模块化改变了传统机器人的构型仅能适用有限范围的问题，工业机器人的研发更趋向采用组合式、模块化的产品设计思路；工业机器人控制系统向开放性控制系统集成方向发展；技术不断延伸，嵌入到工程机械、食品机械、实验设备、医疗器械等传统装备之中。第四，新型智能机器人市场需求增加。精细作业能力进一步提升，对外界的适应感知能力不断增强；机器人与人协作能力的要求不断增强。

　　既然使用工业机器人其实就是用机器生产代替人力生产，且工业机器人将呈迅猛发展的趋势，一个可能产生的问题就是工业机器人将带来失业。例如《纽约时报》曾提供了两位经济学家的证据，他们量化了机器人对就业的负面影响，发现每新增一个机器人，将使得六名工人失业，其余工人的工资下降3%-5%。但与此同时，也有数据显示工业机器人并不会带来工作机会的减少：从2010年到2016年，美国汽车工业的就业人数从67.9万增长到94万，年复合增长率达6%，而机器人的数量也增长了9%。此外，波士顿咨询集团还认为，更广泛的机器人应用将在中期内将每位员工的产出提高30％。

　　无论工业机器人是否会带来失业问题，一个可以肯定的事实就是工业机器人不可能完全取代人类的工作，正如麦肯锡的报告所指出的，90%以上的工作无法完全自动化，所以未来机器人将跟人类一起工作。那么，什么样的工作将被工业机器人取代？什么样的工作还将继续由人类从事？国际机器人联合会认为，在工业机器人时代，传统制造业将从大批量、单一化生产向小批量、多元化生产转型，生产设备安全性需求将进一步提高，并且制造业还将面临高级技工的严重短缺。并且，伴随着自动化和机器人的使用，通过提高生产力创造新的工作，教育和培训体系必须进行调整，从而使工人们能在未来享受到机器人带来的好处。换句话说，工业机器人时代的来临将是必然，在这一背景之下，较高的工作技能仍非常重要，具有利用工业机器人进行生产的技能则更加重要，对于这些工作的需求将随着工业机器人的发展而进一步增大。

　　文/王公博

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