工业机器人技术研究与发展综述

韩峰涛

（珞石（北京）科技有限公司，北京，110108）

0 引言

当前新一轮的科技革命和产品改革正在进行中，其中机器人技术受到各国普遍的青睐。

机器人技术是集机械、电子、计算机、控制、传感器等多技术交叉、综合运用的高精端技术。国际标准化组织将工业机器人定义为一种自动化的、速度与位置可控的、可编程的，依靠自身及控制处理各种零件、工具，执行并完成多种任务的多功能操作机器[1-2]。根据美国在2013年发布的机器人路线图中，只要具有智能移动、可完成相关作业的设备或装备，即为机器人，例如家电方面的扫地机、家具方面的智能家居、车辆方面的自主移动车辆等[3]。在机器人技术中，工业机器人技术的发展水平代表了一个国家的制造业自动化程度，体现了一个国家的制造业水平。

工业机器人是指在工业领域完成相关作业的机器人，该机器人具有多个自由度、高附加值、宽广的应用范围[4-6]。工业机器人具有较高的效率、速度、质量等优点，可以完成包括搬运、装配、垃圾分类、喷漆、焊接等在内的，具有高污染、高有害、高低温等危险环境作业的，且需要重复、单调劳动的工作，解放劳动力。从上世纪50～60年代开始，经过几十年的发展，工业机器人产业化的世界规模已达100亿～200亿美元，累计装机量120万～150万台。结合工业机器人的控制软件、基础零部件等配套，其市场规模达300亿～500亿美元[5]。并且，工业机器人还可以与自动搬运导航车（AGV）、数控加工中心、自动生产线等组合成柔性生产系统，达到生产平台的高智能化、高柔性化及无人化，再一次扩大了工业机器人的市场规模。

根据IFR2020年发布的全球工业机器人统计数据，2019年全球工业机器人安装量为37.3万台，比上年减少12%。截至2019年底，全球工业机器人累计安装量270万台套，增长了12%。

亚洲市场机器人增长速度放缓，但依旧保持强劲势头。其中，中国依旧是全球最大的机器人市场，2019年工业机器人新安装约14.05万台，虽然比上年下降9%，但仍比5年前的销量（2014年5.7万台）翻了一番，高居榜首。中国工业机器人累计安装量已经达到了78.3万台，总量亚洲第一，年增长21%。日本排名第二，约有35.5万台，增长了12%。印度新纪录达到2.63万台，年增加15%。五年时间，印度工业机器人年安装量翻了一番。在国内，超过一半的工业机器人市场由外国机器人公司占据，而国内机器人公司主要面向国内市场，并且市场份额也在逐步增加。

美洲市场新安装量明显下降。2019年美国工业机器人新安装量下降了17%，约3.33万台，但仍是历史第二高位。美国工业机器人产品大多是从日本和欧洲进口，其国内企业以集成商为主。墨西哥近4600台的新安装量，与上年相比下降了20%，排名第二。2019年加拿大的工业机器人新安装量略微增长了1%，达到3600台，创下新记录。巴西工业机器人新安装量下降了17%，约1800台，但是这一数字仍然属于该国历史上的较高位置。

欧洲各个国家工业机器人年安装量变化很大。德国2019年新安装了约20500个机器人，下降23%；而法国、意大利和荷兰2019年工业机器人新安装量分别增长了15%、13%和8%。英国工业机器人新安装量也较低，下降了16%。截至2019年底，欧洲工业机器人累计安装量58万台，年增长7%。德国仍然是主要的用户，累计安装量为22.15万台，约是意大利（7.44万台）的3倍，法国（4.2万台）的5倍和英国（2.17万台）的10倍。

随着作业环境的复杂化，作业任务的深度化，越来越多的机器人供应商开始提供可以完成高难度作业任务的协作机器人方案，而协作机器人的应用范围也正在变得越来越广。截止到2019年底，在新安装的工业机器人数量中，协作机器人新安装数量占据5%的市场份额。2019年，协作机器人的安装量增加了11%，与工业机器人的安装量下降，形成了鲜明对比。

工业机器人技术结合当下的人工智能技术，再一次得到了迅猛发展。世界上的发达国家和一些发展中国家面对当下工业机器人技术的新形势、新机遇、新挑战，纷纷出台了一系列的国家政策与方针，例如美国的“工业互联网”计划与2011年提出的“NRI国家机器人发展计划（NASA、NSF、NIH）”等、德国政府出台的“工业4.0”、日本发布的“重振制造业”以及中国政府实施的“中国制造2025”计划等，均使得工业机器人技术再一次腾飞[7]。

1 工业机器人系统及特点

多轴的工业机器人是一种软、硬件的多系统组合，其形式与人类的手臂相似。在结构上，工业机器人一般由基座、关节、末端执行器组成，如图1所示。在控制上，其主要由电机控制组成，其中还有各个传感器的信号反馈等。工业机器人通过控制各个关节的电机转速，完成各种高精度、高复杂度、高灵敏度的任务[8]。

图1 机械臂结构组成

工业机器人的特点具体表现为以下几个方面[9]：

1）能充分利用编程技术、软件开发等，精确开展作业，完成高精密的任务，实现柔性化和智能化；

2）应用于多领域，提高生产效率；

3）充分发挥数字化技术，体现自动化、网络化；

4）可带动多学科发展，包括但不限于机器人控制技术、生产线自动化技术、有限元分析技术等。

2 工业机器人发展现状

2.1 国外工业机器人发展现状

世界上第一台工业机器人是由美国在上个世纪60年代、为生产制造汽车而设计加工的一款类似于手臂的机器人。自此，世界上开始了工业机器人技术的研究与发展，也奠定了美国在工业机器人技术领域的领先地位[10]。

从20世纪70-80年代始，西方各国开始工业机器人技术的研究，并将工业机器人技术开始应用到各个领域。如今，美国在行业内依旧是技术霸主的地位，无可撼动。自1952年数控机床诞生之后，用于数控机床的伺服电机、控制系统等相关技术得到突破，这为工业机器人的发展奠定了一定的技术基础。随着在特殊环境下的作业任务越来越多，美国阿尔贡研究所在1974年发布了遥操作机械手。在之后的20年内，包括该研究所在内的众多美国企业及科研机构，例如戴沃尔、AMF、麻省理工大学等，研发了众多工业机械手及工业机器人的实用机型，并对工业机器人的相关概念进行定义[11]，促进了机器人技术的发展[12]。

在1968年，日本研制出一台通用型机械手（机器人）后，开始了工业机器人的发展之路，并迅速应用于市场。到1980年，日本大力推广机器人在市场上的应用，使得工业机器人从汽车行业扩大到了制造业，有效缓解了市场上的劳动力供求问题，被称为“机器人普及元年”。自1980年起，日本进入了工业机器人技术的鼎盛时期，并且逐步扩大到了物流行业[13]。在工业机器人技术及市场应用方面，日本称得上是“机器人大国”。在提出的机器人路线中，日本从“新世纪工业机器人”、“服务机器人”、“特种机器人”三个方面，细化重要技术，明确技术指标，从而加快研发周期、降低生产成本、扩大应用范围[14]。

欧洲在欧盟提出的一系列机器人技术发展规划中，也快速发展着工业机器人技术。欧盟第七研发框架计划（2007-2013年）投入研发经费达6亿欧元，在2013-2020年研发计划中，加大经费投入力度，达140亿欧元。欧洲还提出了2002-2022年欧洲机器人研究与应用路线规格图[15]。时至今日，日本和欧洲的工业机器人技术依旧具有较大优势，在工业机器人领域，属于日本的安川、发那科和属于欧洲的ABB、KUKA，四家机器人公司占据了全球工业机器人市场的半壁江山[16]。

韩国的工业机器人技术起步较晚。在上世纪80年代，韩国开始引进工业机器人技术，在政府的引导下，由企业牵头，逐步形成了自有的工业机器人技术体系，并得到了飞速发展。在2003年至2004年，韩国分别提出了“十大未来发展动力产业”、“IT839”计划和“无所不在的机器人伙伴”项目，发展工业机器人技术。从2008年开始，韩国政府加大工业机器人技术研发经费，以此推动本国机器人技术的发展[17]。

工业机器人技术在世界各国遍地开花，在推动行业发展的同时，也为建立行业标准打下了坚实的基础，也促使着工业机器人朝着更加便捷、智能等良性方向发展。

2.2 国内工业机器人发展现状

我国在上个世纪70年代展开对工业机器人技术的研究与应用工作。从第7个五年规划开始，国家开始加强与工业机器人领域有关的技术研究，例如机械制造技术、电子技术、电子元件等[18]。到90年代，国家“863”计划在全国范围内建立了多个工业机器人技术研发基地，加速技术突破，培养研发人员。进入21世纪后，工业机器人的市场需求猛增，依靠国内广阔的市场，我国的工业机器人技术再一次得到质的发展。

到如今，我国形成了掌握关键技术、产品实际应用、具有自主知识产权的技术格局，与此同时，国内也涌现了多家具有自主产权、优势产品的工业机器人技术公司。沈阳新松机器人自动化股份有限公司在自动导引车（AGV）方面取得了重大市场突破[19]。哈尔滨博实自动化股份有限公司则在石化等行业的包装与码垛机器人方面进行了大量的产品研发与市场推广[20]。奇瑞装备与哈尔滨工业大学自主研制出了自动焊接生产线，并在相关行业中进行了应用。上海沃迪自动化装备股份有限公司联合上海交通大学成功研制的码垛机器人，并进行了市场化应用推广[21]。天津大学则在并联机构上取得技术突破，并取得了美国专利[22]。珞石科技有限公司在轻型机器人方面取得了领先地位，专注研发柔性协助机器人、轻型工业机器人等相关技术，其业务分布法、德、韩、日等发达国家。还有南京埃斯顿自动化股份有限公司、青岛科捷自动化设备有限公司、江苏汇博机器人技术股份有限公司、安徽埃夫特智能装备有限公司等众多国内企业，在工业机器人技术领域发力，取得了工业机器人整机方面、系统集成方面、关键零部件技术方面等，追赶甚至反超发达国家的工业机器人技术。

我国从一开始依托引进国外技术，到现在形成自主技术，培育了自身人才，走出了一条具有中国特色的工业机器人技术发展之路。但不可忽视的是，与国外相比，我国的工业机器人技术虽然在某一领域领先于国外技术，还依旧存在一定差距，需继续研究突破。

3 发展趋势

3.1 基于深度学习的工业机器人技术

深度学习是当下的研究热点之一。在面对日趋复杂的环境时，基于深度学习的大数据分析技术可以有效地解决高复杂度环境下产生的多维度问题。

随着技术的不断进步，将工业机器人与深度学习技术相结合，可极大提高工业机器人的智能化，使得工业机器人可完成更高精度、更高效率的任务，且降低发生事故的可能性，实现人机共融、相互协作完成作业任务。

3.2 多机器人协作

工业机器人能够完成的任务正朝着复杂化、精密化发展，这也提高了机器人完成作业的困难度。因此，多机器人协助作业成为工业机器人的研究热点之一。

多机器人协助作业需要解决机器人的通信、决策问题，否则会降低作业完成度及作业效率，甚至会引起更大的生产事故。这部分相关内容还涉及多传感器融合技术。

3.3 模块化可重构技术

当下，工业机器人只能满足单一作业要求，或高度重复性的不同作业。当作业要求或作业环境发生改变时，工业机器人往往不能快速满足新需求。因此，模块化、可重构的工业机器人技术成为研究热点之一。

模块化、可重构的工业机器人技术，就是将工业机器人进行系统集成时，通过不同模块之间的组合，快速构建出不同能力的机器人，以完成不同要求、不同环境的作业任务，满足高效率、高品质的任务需求。

3.4 基于多传感器融合的工业机器人技术

面对非结构化的工作环境或多种需求的任务时，依靠单一传感器工作的工业机器人不能够快速有效地完成任务作业。因此，基于多传感器融合的工业机器人技术越来越受到欢迎。当下，多传感器融合技术需要解决多传感器的通信、数据传送等诸多问题，以此保证工业机器人在实际运用中的高可靠性、高稳定性及高效率。

3.5 基于软体的工业机器人技术

目前，工业机器人的工作环境大多较为单一，但随着技术的发展及任务的拓展，其应用场景也会发生改变。因此，研究工业机器人与软体相结合成为一大热点。

工业机器人结合软体技术，可扩大机器人的应用范围，提高作业效率。

4 结束语

在全球范围内，COVID-19对2020年工业机器人的安装会产生重大影响，同时，该事件也为智能化和数字化生产提供了复苏的契机。初步预计，2020年全球工业机器人市场不大可能有大规模的订单，虽然中国已于第二季度恢复生产，全年机器人安装量或会有较好表现，但是全球受到COVID-19疫情影响，经济可能要到2022年或2023年才能恢复到疫情前的水平。

工业机器人的应用领域不断扩大，从快速、精确地处理工业生产的传统工业机器人，到可以与人类安全地工作并完全集成到工作台中的新型协作机器人，工业机器人的产品形式也在发生根本的改变。

从长远来看，工业机器人安装量增加的趋势不会改变：以有竞争力的价格快速生产和交付个性化定制产品是企业安装机器人最主要的诱因；其次，自动化使制造商能够在不牺牲成本效益的前提下，保持先进发达的生产方式。

工业机器人技术已经有几十年的发展历史，形成了自有的成熟技术。然而，这样的工业机器人未能够满足人们对美好生活的进一步追求，因此，将来的工业机器人技术不仅仅只应用在工业领域，还将通过不断创新，把机器人技术推向新的高点，扩展到人们生活的方方面面。届时，整个行业技术将得到质的飞跃，也能更好地促进社会经济发展。