浅谈工业机器人技术的发展与现状

曾棋俊 安鹏芳 陶泉兆

摘 要：工业机器人是集各种技术于一身的先进产物，相比以往，在工业、医疗、生活、教育等诸多方面，工业机器人带来的改变无疑是颠覆性的。在第一台工业机器人诞生时，就足以看出这是具有划时代性的。全球主要机器人品牌竞争激烈，工业机器人的功能、性能不断更新，市场规模的年均增长率持续提升。本文以国内外的工业机器人的发展，以及工业机器人的技术革新与各项技术融合作为研究对象，将国内外机器人应用技术进行了对比，研究了我国机器人使用总占比率、国内行业分布近况，并对下一代机器人的发展做了推测。

关键词：工业机器人技术融合技术运用未来发展前景分析

我国是制造大国，同时也是人口大国，在工业方面，不仅种类众多，岗位也是数不胜数，自我国拥有工业机器人后，制造面貌逐年发生变化，尤其在近年，工业机器人在我国得到飞速发展，代替人工的优势被逐渐扩大，同时也带来了一大批新兴岗位，而许多院校设有工业机器人专业，这为我国培养了一大批新型技術人才，更为我国实现制造强国的目标奠定了一定基础。高新技术的大步迈进，全球逐步踏入智能化、数字化、信息化时代，近年来各项前沿技术在工业机器人领域正逐渐呈现出蓬勃的景象。工业机器人应用面较广，不仅可减少人口劳动力，还能有效地控制成本，尤其在工业方面已然具有不可或缺的作用。同时，智能时代的到来标志着工业机器人的功能将更加人性化，其应用将给人们的生活和工作带来更大的价值。

我国工业机器人在2015—2019年期间，总体取得了很好的销售情况，市场销售额度超过363亿人民币，发展上升态势逐年增高，其带来的技术改革深远影响具有核心优势。本文以我国工业机器人技术的成长态势、发展空间与机会为主要研究出发点，对未来的市场趋势和机遇提出了新看法。同时，基于我国工业机器人的运用领域及状态，结合国外工业机器人制造商的主要品牌进行了对比分析，并对我国工业机器人未来发展机会、运用空间进行了大致趋势的判断。

1国内外发展现状

工业机器人主要为模仿人的工作行为，代替人的工作而设计制造，因其具有智能化及先进性等特点，也象征了一个国家所具有的科技发展水平与科技力量国际地位[1-2]。

在智能化、数据化、自动化的背景下，全球各国家积极推动本国工业机器人技术的发展。目前，由于工业机器人的全球市场逐年稳定增长，工业机器人的成品数量再创新高。工业机器人在全球各区域取得了大量应用，代表了一个国家的自动化平，同时也是一个国家是否具有长期投入研发能力的体现。工业机器人近年来高速发展，其展现出的各项优势引起了全球各制造大国及制造厂商的广泛关注。

工业机器人不仅具有更高的连续工作效率与更长的工作时间，可减少人力成本而增加产品效益与质量，更重要的是适应时代的发展，帮助人类迈步进入“工业4.0”，打造智能时代。现阶段，大量制造企业迫切想要进行转型，跟上时代步伐，因此在原有的基础上做出改变。而绝大部分企业首选应用工业机器人替换掉人工[3]。

越来越集中的工业机器人市场逐渐由世界各个强国占领，美国、韩国、中国、日本、德国和其他国家占全球销量的73%。中国是工业机器人领域的后来者，也正因如此，我国拥有庞大的销售市场，在《中国智造2025》的背景下，我国在工业机器人领域的发展前景无疑是潜力巨大。

国外知名工业机器人制造商有日本FANUC、那知Syusuke Fuji、川崎重工、爱普生安川电机、瑞士ABB、德国KUKA、瑞士Stabile、意大利Coma等。目前，国内在工业机器人领域较具备实力的工业机器人公司有江苏哈工智能机器人、埃斯顿自动化、广州昊志机电、上海新时达电气、广州数控设备、沈阳新松机器人自动化、埃夫特智能装备、深圳汇川技术、上海节卡机器人、江苏北人机器人系统、广东拓斯达等。其中，汇川技术的经营业务在六自由度机器人等核心部件;哈工智能对应智能制造业;江苏北人在焊接机器人的系统集成领域有一定建树;拓斯达主要面向于工业机器人及自动化应用系统;新时达面向机器人及运动控制类型产品。目前，我国各大工业机器人公司的发展态势呈上升趋势，由此可见，我国的工业机器人制造已形成良好的制造体系，为工业机器人领域技术的提升奠定了基础、创造了机会。

我国工业机器人在各领域的应用市场已居世界第一位，其产量也在逐年增加。然而，在主要部件方面仍与其他强国存在一定差距，特别是在控制器、减速器、伺服电机3个方面。而在工业机器人产业规模方面，产业基础相对薄弱，尚未形成能够支撑长期面对波动市场的发展体系。发展工业机器人核心高端技术，需要很长的时间去探索、试错。国外主要大型工业机器人厂商拥有许多核心技术，其大量地应用于高精制造与装配、汽车的大批量焊接与部件搬运、冶金、芯片制造等。我国工业机器人在上述领域也均有应用，但不少还处于码垛、搬运等较为中低端的领域。此外，其长时间使用质量、寿命、精度不高，缺乏高精技术人员，受到国外关键零部件的垄断，也是阻碍我国工业机器人发展的部分原因。

截至2020年，我国长期占据工业机器人市场的大部分，在2019年，全球工业机器人销售额中我国就占据了其中的43.81%。而紧跟其后的日本，销量为4.99万台，占全球销量的15.56%;美国销量为3.33万台，占全球销量的10.38%;韩国销量为2.79万台，占全球销量的8.70%;德国销量为2.05万台，占全球销量的6.39%;意大利销量为1.11万台，占全球销量的3.46 %。目前，我国工业机器人增速为全球最快，剩余各国工业机器人销量都较为低迷。面对新冠疫情，我国因实施了有效手段，疫情得以快速控制，经济也得以快速恢复，而其他各国受疫情影响，不得不长时间关闭制造企业，这对正飞速发展中的工业机器人或多或少都会产生负面影响。

我国目前相对具有实力的工业机器人企业大多分布于中长三角与西部地区，以及环渤海、珠三角地区[4]。其各有各的优缺点，例如：中西部地区能提供的科技、资源不足;其中珠三角地区的应用市场相对较大，且在控制系统方面具有一定优势;环渤海地区以AGV技术、焊接机器人为主要方向，在科研方面具有优势;长三角与珠三角同样具有较大的工业机器人应用市场，尤其是与国外的企业合作较多，经验、技术更为扎实，同时有可能成为我国最大的工业机器人研发、应用基地。

近年来，随着我国工业机器人技术的蓬勃发展，应用的行业更加广泛，越来越多的企业对工业机器人的需求在逐渐增加，这也积极推动了工业机器人技术向更好的方向发展。现代工业机器人的发展很有可能在未来工业领域中做出重要贡献，特别是在《中国制造2025》规划中，将机器人作为十大重点发展方向之一。

我国许多大型汽车制造企业逐渐引用工业机器人代替人工，在汽车领域的工业机器人使用率达到了38%。其余占比较大的3C、金属加工、家用电器行业分别为23%、13%、10%。后续衍生出的芯片封装机器人、激光打标机器人在元器件、芯片、电子零件生产组装与包装产业中的应用也相当普遍。由于工业机器人的工作环境广泛，以及工业机器人具有的高效率、高精度、高稳定的工作特点，其还应用到了钢铁铸造、食品加工包装、玻璃制造行业，例有专门用于焊接的机器人、对整体外形进行切割分离的机器人、产品封装的机器人等。这些占比大的行业也是我国主要的机器人应用市场，同时，也迫切需要更高标准的工业机器人给企业带来更高的经济效益，带动我国工业机器人在这些领域的发展。

20世纪70年代，工业机器人技术得以快速发展，此阶段工业机器人逐渐拥有更多功能，开始能够进行离线编程等操作。而工业机器人的应用在此时期也逐渐踏入商业化，出现了以ABB、安川、库卡、发那科为代表的工业机器人品牌。

从20世纪80年代开始，逐渐走向智能化，开始步入各领域。在商业化规模扩大的同时，工业上的应用密度更是显著提高。全球走向智能化，许多国家对工业机器人的需求日益增长，这也进一步扩大了工业机器人的市场，给各个国家带来了一定的经济效益。

我国在工业机器人技术领域相对国外起步较晚，缺乏关键技术，在后续发展中多次受到制约。我国在20世纪70年代陆续开始相关的技术研究，受国家当时的经济、技术、人才等条件约束，主要的研究实施方向在工业机器人的理论方面。20世纪90年代，由于国外工业机器人的蓬勃發展，我国越来越重视工业机器人的发展。在此期间，大量资金投入到工业机器人的研究中，工业机器人在我国逐渐稳定下来。与此同时，研发出的新类型工业机器人，为我国的技术实践提供了很大帮助。同时，使得我国拥有一批专业化的机器人产业化基地，这宣告着我国工业机器人的产业发展得到了进一步提高[5]。21世纪，国内出现了一大批国产企业，在自主研发与国家科研院合作的同时，收购了国外知名企业达98%的股份，为我国进一步提升相关技术能力、加快我国工业机器人的发展、提高我国工业机器人市场经济做出了硕大贡献。

2工业机器人基本构成

工业机器人主体可分为机械部分、传感部分和控制部分。其机械部分主要由手部、手腕、手臂、机身四部分构成[6]。工业机器人的关键技术就在于：交互系统、网络通信、示教编程、控制系统、传感检测。其核心技术目前都主要由世界主要发达国家掌握，其蕴含的先进技术成为一个国家的智能智造水平高度体现，因此工业机器人的相关核心技术在自动化、智能化、数字化制造领域极具代表性、前沿性、先进性。

交互系统主要分为人机交互与环境交互。人机交互决定了人类是否能通过交互来获得工业机器人系统信息来进行下一步操作。通过交互系统，可以实现人类与工业机器人更加高效率的协同工作。环境交互不仅可以应用在单台工业机器人上，还能在多台设备、多台工业机器人、多个存储装置中集成为一个具有执行复杂的工作任务的生产单元。环境交互的意义在于，通过实现工业机器人与周围工作环境的协作、协调系统，避免工业机器人与周围设备发生冲突。工业机器人无论运行、维修、调试还是编程，都需要进行网络通信，其中最常见的莫过于ProfiNet（工业以太网），有利于构建基础的控制网络。

离线编程和示教编程是工业机器人常用的编程方式[7]。示教器编程时，工业机器人处于停机状态，在工业机器人的实际系统上进行编程操作、试验程序，示教编程方式总的可以分为集中示教方式和分离示教方式。离线编程通过允许的仿真软件完成，可以实现复杂环境、复杂动作轨迹的编程，并且编程时不影响工业机器人的运行。

工业机器人控制器主要为控制系统提供一个稳定的物理平台，其重要性着重体现在对控制系统的性能和可扩展性，是工业机器人系统中重要性极高的部分。其控制器对于工业机器人主要实现的功能为坐标设定与伺服驱动。工业机器人控制器的功能包括多任务功能、网络功能、操作历史记录功能、海量存储、用户接口丰富。机器人控制系统按其控制方式可分为集中控制系统、主从控制系统、分散控制系统，其主要负责系统的运行状态，负责控制示教位置、运动轨迹、逻辑动作顺序、工作速度，以及工业机器人运行中的许多其他关键因素。

传感系统包含内部与外部之分，执行机构包含驱动装置、传动装置、执行构件三部分，控制系统包含控制柜与示教器。

工业机器人的传感与感知通过合理利用对应传感器，去感知环境条件与内部部件的信息。内部传感器一般情况下安装在机器人本体内或者控制系统内，是工业机器人完成运动控制的传感器，进行采集信息的功能占主要部分。外部传感器对工业机器人在工作环境所处位置、与工件之间的接触距离、机器人与抓握对象间滑移程度、作用在末端执行器上的各向力和力矩、夹持物体时的受力情况进行检测。其中，大致种类有接近度传感器、触觉传感器、电磁传感器、仿生传感器、压力传感器、滑觉传感器、倾角传感器、力矩传感器、红外传感器、碰撞传感器、加速度传感器、角度传感器等。

机械手主要由机械臂、传感器、驱动装置和传动装置组成，其中机械臂是工业机器人的主要载体和动作执行机构。工业机器人的驱动机构是重要组成部分，其中以气压方式和液压方式为大部分机器人的驱动类型。工业机器人的动力连接、运动连接则由传PLC在工业机器人中的应用主要体现在以下6点：运动控制、信息控制、开关量控制、联网与通信、模拟量控制、信号监控。如果需要PLC去处理模拟量就需要将模拟量离散化、数字化转换，再进行存储，最后进行模拟输出。信息控制包含了数据存储、数据采集、变换、处理数表、传输等功能，对工业机器人的内外部分的数据进行采集处理。

自动化程序的控制基本都由PLC来实现，工业机器人获得的各种信息由PLC处理后提供给工业机器人，因此在工业机器人系统集成方面也是作为重点突破点之一。

我国工业机器人正朝向更加智能化的关键点迈进，突破核心技术，应用于更加广泛工业领域，相信技术发展空间会进一步扩大[8]。

3未来发展机会与趋势

一个国家科技水平、制造水平可以从工业机器人的应用率中得出部分结论，因此工业机器人对一个国家而言具有很强的代表性。我国拥有全球最大的制造体系，随着国内相关政策红利不断出台，国内工业机器人行业产量不断上升。

2020年，新冠肺炎疫情爆发，在短短几个月内的时间里遍布全球，这导致全球工业机器人市场规模缩小。然而，由于我国及时采取了有效的措施，新冠疫情很快得到控制，因此，对我国的工业机器人影响不大。在2020年，我国工业机器人行业整体市场销售额突破了400亿人民币，结合我国工业机器人发展现状，加上不久前在减速机领域取得的成就，预计，未来的市场销量将保持增长态势，在2025年达到接近900亿人民币的整体市场容量。我国的工业机器人市场在汽车制造、3C、机加工、电子电气方面的应用体现最多，目前仍然在逐步增长。随着我国智能化水平的提高，工业机器人的技术水平更加成熟，有望在医药、化学、服装等行业中获得更广泛的应用。

提高我国工业机器人的关键技术，同时也代表着我国在智能制造领域的技术增长。在我国应用市场中，工业机器人多样化的发展与需求将会有更加广阔的空间。国家越来越重视人才的创新能力、技术能力，通过各类竞赛选拔出了一批又一批的技能人才。许多高校响应国家政策，陆续开设了智能控制、工业机器人等诸多智能化方向专业，开展面向工业机器人技术专业的现场编程、离线编程、离线仿真等多方位一体教学[9]。这为我国未来的智能人才培养创造了良好的条件，为我国工业机器人领域在未来的深入研发能力和持续创新能力提供了持续的动力。

目前，我国工业机器人企业整体规模不大，相比国外已经拥有长期经验、深厚技术的企业，仍然存在一定差距。国内中小型企业技术水平不高，大量偏于低端产业，相比国外品牌竞争力差距明显。但是，未来我国长期存在的优势在于拥有全球最大的应用市场，因此，具有较大的试错空间。同时，要加大研发力度，突破壁垒，引进国外先进技术，在现有基础上学习具有良好效果的制造体系，后期演化成符合自身国情的制造体系。

我国工业机器人在自主研发的同时，也在不断追求智能化、人性化、标准化、仿生化、系统化，在现有的基础上，国家相关政策给予了有力支持，在与国外企业合作的同时，也创造了有利的发展条件。随着我国工业机器人的性价比的提高，其也逐渐走向国外，占据国外一部分市场，同时拥有了更多的发展空间及学习机会。

在军事与基建等方面，也同样立足于当下国家经济发展的巨大需要，专门打造了属于本国的工业机器人，并同样以这些工业机器人为原型加以推广升级，是中国特色的工业机器人的主要发展升级路线[10]。我国的工业机器人已经经历了30年的研发，现已达到了一定的技术水平。目前我国正着重突破诸多关键技术，随着我国由制造大国向制造强国的转换，相信国内越来越多的工业机器人的关键技术会实现国产化、自主化。

4 结论与展望

4.1 结论

如今是趋向智能化、万物互联的时代，工业机器人作为我国重要发展方向之一，其未来发展空间会是广阔的，成长过程中会充满挑战与机遇。其发展过程及成果将使我国相关技术的工作状态发生巨大改变，为全球工业经济产生更大的推动力，随着更多更加先进的工业机器人的应用，全球经济的发展又将向新阶段迈进。（1）根据国内外工业机器人的目前发展水平进行比较分析，结合我国现阶段发展情况，阐述了国内外工业机器人的主要生产厂商的行业使用分布。（2）浅析了我国在全球工业机器人总体销售空间中的占比及我国在所应用的领域中的分别与占比。（3）阐述了工业机器人的发展历程及工业机器人基本构成及关键技术的运用。（4）对我国工业机器人未来发展机会、运用空间进行大致趋势判断。（5）结合我国教育、企业合作等方面对国内工业机器人的技术发展做出前景分析。

4.2  展望

由于学术水平有限，在工业机器人的技术应用分类、技术态势分析等方面没有进行更加深层次的研究，如果能完成其更多相关技术知识内容的研究，相信在整体发展分析方面会具有更加详细、针对性的内容，各个学者对此的参考性会更加深入、透彻，从而发挥更大作用。

参考文献

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[5]魏涛.SCARA机器人运动信号分析及应用[D].南京：东南大学， 2010.

[6]刘健.基于MH50六轴机器人的运动轨迹规划研究[D].大连：大连海事大学，2013.

[7]郑荣.机器人离线编程系统设计与研究[J]. 世界制造技术与装备市场，2010（5）：90-92.

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[9]樊泽明，余孝军，王鹏博，等.面向工业机器人专业的混合式教學系统[J].高等工程教育研究，2021（6）：7.

[10]李锶，祝新洋，周洪波.工业机器人发展现状与趋势[J].数码世界，2020（10）：266-267.