劉 蕊

（北京市電子科技情報研究所 北京100009）

1 小型工業(yè)機器人的概念

工業(yè)機器人是一種固定或移動地應用在工業(yè)自動化中的可自動控制、可重復編程、多用途、三軸或更多軸的機器[1]。小型工業(yè)機器人又稱機械手，一般指最大有效載荷可達20 kg，最遠處理距離可達1 300 mm的機器人。小型機器人通常由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和交互系統(tǒng)這幾個基本部分組成，有些添加了感知系統(tǒng)、決策系統(tǒng)等，各組成部分主要功能歸納如表1所示。

表1 小型機器人的主要組成部分及功能

工業(yè)機器人由編程人員通過人機交互系統(tǒng)，向機器人控制器單元下達任務指令；感知系統(tǒng)在工作過程中不斷對環(huán)境信息進行反饋學習，通過深度學習軟件系統(tǒng)對機器人的工作不斷進行調(diào)整。之后，由控制器對這兩種指令進行任務解析，規(guī)劃出工作路徑，生成執(zhí)行程序代碼，驅(qū)動伺服電機和減速器提供動力，由機器人的傳動機構(gòu)、關(guān)節(jié)機構(gòu)和末端執(zhí)行器來完成作業(yè)。最后，感知系統(tǒng)會對機器人作業(yè)結(jié)果進行評估，繼續(xù)調(diào)整對工作路徑的規(guī)劃，工作原理如圖1所示。

圖1 工業(yè)機器人的工作原理

2 我國小型工業(yè)機器人的發(fā)展

2.1 我國工業(yè)機器人發(fā)展階段

到目前為止，機器人應用發(fā)展大致可分為三個階段：工業(yè)機器人初始階段、普及發(fā)展階段、智能化階段。

初始階段主要利用簡單的機械設計原理，使機器手臂在人力不易操作的領(lǐng)域工作。例如在汽車裝配領(lǐng)域，用小型工業(yè)機器人完成焊接、裝配、噴漆、搬運等工作，把原先人工使用機械進行工作的模式，變?yōu)榱藱C械自動化工作模式。上世紀七十年代初期，國際工業(yè)機器人應用產(chǎn)業(yè)開始發(fā)展，我國也于1972年開始研制自己的工業(yè)機器人。在“七五”期間（1986-1990年），國家對工業(yè)機器人及其零部件投入大量資金進行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人成套技術(shù)的開發(fā)。

在工業(yè)機器人的普及階段，隨著精密加工技術(shù)的提高，工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)以降低生產(chǎn)成本為突破口，使用的普及率得到大幅提高。我國在九十年代，先后研制出了點焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運、包裝碼垛等各種用途的工業(yè)機器人，并實施了一批機器人應用工程[2]。

工業(yè)機器人的智能化階段，小型工業(yè)機器人不僅僅是跟著預設的程序進行工作，而是有了中樞大腦，會自己分析工作任務，并在工作中不斷自我改進，即能夠進行智能化、仿生化。智能機器人可透過傳感器感知環(huán)境，由程序化發(fā)展為智能化，執(zhí)行各種生產(chǎn)活動、與人互動。

目前我國小型工業(yè)機器人正處于由普及向智能化蛻變的階段，一方面工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)以降低生產(chǎn)成本為突破口使用普及率得以大幅提高；另一方面，隨著加入視覺、力覺等人工智能感知系統(tǒng)組件，小型工業(yè)機器人能夠做到自己分析工作任務，并在工作中不斷自我改進，達到初步智能化。

2.2 我國工業(yè)機器人市場

據(jù)國際機器人聯(lián)合會統(tǒng)計，我國工業(yè)機器人市場規(guī)模居世界第1位。2015年全球工業(yè)機器人銷量超過24萬臺[3]，國產(chǎn)工業(yè)機器人卻僅有2萬臺。

我國國產(chǎn)工業(yè)機器人市場2011年銷售量為800臺，2012年為2 252臺，增長率達到181.50%；2013年為9 500臺，增長率達到321.85%，可以說從井噴式的市場拓展過程期，現(xiàn)在已經(jīng)進入了高速發(fā)展期，如圖2所示。

圖2 我國市場工業(yè)機器人銷量及增速

2.3 工業(yè)機器人的分類

工業(yè)機器人可以按照程序輸入方式、運動坐標形式、驅(qū)動方式、應用領(lǐng)域四個方面進行分類。按程序輸入方式區(qū)分有編程輸入型和示教輸入型兩類；按運動坐標形式分為關(guān)節(jié)式機器人、圓柱坐標機器人、直角坐標機器人、并聯(lián)機器人、SCARA機器人五類；按驅(qū)動方式分為液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動等；按照應用領(lǐng)域，主要有焊接、裝配、搬運碼垛、上下料、打磨噴涂、切割加工等應用，如圖3所示。

圖3 工業(yè)機器人的分類

依 2018年中國工業(yè)機器人行業(yè)市場前景預測報告[4]，北京市電子科技情報研究所整理了小型裝配工業(yè)機器人的細分應用，主要集中在裝配、上下料、打磨噴涂等領(lǐng)域?，F(xiàn)在，很多小型機器人都配置了力學傳感器、光學傳感器等部件，用深度學習系統(tǒng)來指導機器進行智能化作業(yè)。

3 我國小型工業(yè)機器人的應用

3.1 我國小型工業(yè)機器人的一般應用

1）組裝過程中的應用

小型工業(yè)機器人的精密組裝已經(jīng)在PC、家電、通訊、汽車等行業(yè)實現(xiàn)了廣泛應用。小型工業(yè)機器人的準確度高，貼合精度可達0.1 mm；速度快，設備運行周期7 s左右時，可貼4片；使用維護方便，機器人和視覺集成在RC+軟件。

2）上下料過程中的應用

模塊化自動上下料柔性制造機構(gòu)作為數(shù)控機床的基礎和輔助部件，越來越受到機床制造商和用戶的重視，該部件實際上是數(shù)控機床中一個典型點位控制機床的延伸和發(fā)展，對工件輸送的速度要求高和定位準確，特別是速度要求較高，必須符合主機的工作節(jié)拍要求[5]。

在 CNC上下料操作過程中，需要在完成一個工件或物料加工后進行工件或物料更換。小型工業(yè)機器人能夠自動完成加工件的上下料、裝夾、吹屑、完工件自動放置等動作。采用小型工業(yè)機器人代替人工操作，可實現(xiàn)1人值守數(shù)十臺數(shù)控車床，大幅度減少用人數(shù)量，降低用人成本，提升企業(yè)利潤；可以避免工傷事故發(fā)生，降低企業(yè)風險；還避免人工操作誤差，保障產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定。

在精度要求高或者工件受力易損壞的的情況下，可以增加壓力傳感器在機器人末端和治具中間，它可以控制和檢測力的大小。

3）打磨應用

機械零件形狀不斷向復雜化、多樣化發(fā)展，對打磨拋光工藝的機器人有廣泛的技術(shù)需求[6]。小型工業(yè)機器人不僅生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品品質(zhì)高，成本低，更重要的是安全性和穩(wěn)定性都有保障。由于打磨涉及到的工作環(huán)境中含有大量有害氣體、粉塵，在人們越來越重視健康的現(xiàn)代社會，最適合使用工業(yè)機器人來代替人工。

3.2 我國小型工業(yè)機器人的智能化應用

1）高精度嵌入應用

在高精度嵌入的應用中，當工件位置有偏移，機器人可以靠力反饋左右探索到目標位置。因工件位置有誤差，非智能機器人在嵌入過程中經(jīng)常損壞工件。引入智能模塊后，通過仿形動作，嵌入時不僅對位置有精確要求，對角度也有精確要求。如各種電容、晶體、光耦、電器、整流器等的嵌入。

某實例中，將模組安裝到手機按鍵孔，要求排線不能被觸碰，精度達到0.01 mm，壓力為20 N。這種特殊條件下的操作對于工人來講，失敗率是很高的，但小型工業(yè)機器人卻可以輕松完成，如圖 4所示。

圖4 高精度嵌入應用例

2）打螺絲應用

用于PC、家電、通訊等行業(yè)的打螺絲機器人，通過力傳感器可以根據(jù)受力情況，讓機器人自動調(diào)整螺絲的位置以及打入的深淺，防止產(chǎn)生不良品，如圖5所示。

圖5 打螺絲應用例

3）零部件精密檢測

小型工業(yè)機器人視覺部件的應用目前主要集中在檢測、定位、運動控制、計量等幾個領(lǐng)域[7]。機器視覺是利用機器代替、執(zhí)行人眼的觀察、辨識以及檢測等功能[8]。由于其具有高精度、可實現(xiàn)非接觸測量和可長時間穩(wěn)定工作等特點，在國內(nèi)外工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應用，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)線自動化程度[9]。機器視覺系統(tǒng)主要包括三部分：基于相機的圖像獲取、基于計算機的圖像處理和分析、輸出或顯示[10]。隨著人工智能高速發(fā)展，圖像識別和深度學習完全可以應用在小型工業(yè)機器人中，以進一步提高我國機器視覺產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平。

在實際應用中，小型工業(yè)機器人及多組視覺部件配合應用，與測試箱實時通訊，能夠?qū)崿F(xiàn)自動抓取，通過校準相機和固定位置功能進行檢測，最后將零件分類擺放到指定地點。小型工業(yè)機器人與人工測試線相比每條線可節(jié)省13人，提升良率、提高產(chǎn)能、降低成本，并且可以在不同產(chǎn)品測試步驟間任意切換，如圖6所示。

圖6 零部件監(jiān)測應用例

4 我國小型機器人應用的發(fā)展趨勢

4.1 我國小型工業(yè)機器人的市場不斷擴大

首先，小型工業(yè)機器人的普及是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。工業(yè)機器人技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，很多制造業(yè)發(fā)達國家的工業(yè)機器人數(shù)量已經(jīng)相當高。例如 2014年每萬名產(chǎn)業(yè)工人所擁有的工業(yè)機器人數(shù)量，韓國是478臺、日本是314臺、德國是292臺、美國是164臺，而我國是36臺，剛剛超過國際平均水平66臺的一半。跟國外相比，我國工業(yè)機器人的普及程度尚處于較低水平，距制造業(yè)發(fā)達國家尚有較大的差距。

其次是受成本因素的影響，我國人力成本在上升，而自動化成本在下降。伴隨著人口紅利的消失，我國體力勞動者適齡人口數(shù)量呈現(xiàn)持續(xù)減少的趨勢。制造業(yè)平均工資的持續(xù)快速增長，從2008年到2014年，我國就業(yè)人員平均工資以每年 10%以上的速度增長，增長速度最快的2011年達到了18%的增長率。

與此同時，自動化設備的價格卻呈逐年下降趨勢，全球工業(yè)機器人均價從2008年的5.49萬美元下降到了2014年的4.67萬美元。這將使制造企業(yè)選擇工業(yè)機器人替代人工來從事大規(guī)模和重復性勞動以降低生產(chǎn)成本。

第三是技術(shù)因素的影響。隨著機器人技術(shù)的不斷進步，機器人從事的工作領(lǐng)域在不斷的拓寬。尤其在精密組裝等領(lǐng)域。人工智能作為選件，正在逐步導入。

第四是政策因素，各地政府都在大力推動中國制造2025項目，這無疑給了工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展插上了一對翅膀。很多制造業(yè)廠商都在乘著政策的東風，升級產(chǎn)業(yè)，大幅拉動了工業(yè)機器人的市場需求。

根據(jù)2011年3月發(fā)布的《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》，“發(fā)展戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)已成為世界主要國家搶占新一輪經(jīng)濟和科技發(fā)展制高點的重大戰(zhàn)略”，其包括“高端裝備制造產(chǎn)業(yè)”、“新材料產(chǎn)業(yè)”、“新能源產(chǎn)業(yè)”及“節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)”等。

今后十年我國高端裝備制造業(yè)的銷售產(chǎn)值將占全部裝備制造業(yè)銷售產(chǎn)值的30%以上。工業(yè)機器人行業(yè)作為高端裝備制造產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，必將在此期間得到更多的政策扶持，實現(xiàn)進一步增長。

綜上所述，我國工業(yè)機器人的低使用密度疊加高人力成本、勞動力結(jié)構(gòu)性短缺，這些都將使中國機器人市場擁有巨大的潛力，機器人替代底端勞動力逐漸成為行業(yè)趨勢。

4.2 小型工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢

工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢是向“高速、高精、重載、輕量化和智能化”方向發(fā)展。隨著機器人標準化結(jié)構(gòu)、集成一體化關(guān)節(jié)、自組裝與自修復等技術(shù)的改善，機器人的易用性與穩(wěn)定性不斷被提高，小型工業(yè)機器人的應用領(lǐng)域和服務對象不斷被拓展。

1）小型工業(yè)機器人與人工智能深入融合

信息技術(shù)的快速發(fā)展將工業(yè)機器人與網(wǎng)絡融合，大數(shù)據(jù)和云存儲技術(shù)使得機器人逐步成為物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點，共同構(gòu)成了復雜性強的生產(chǎn)系統(tǒng)。而深度學習應用于小型工業(yè)機器人，使其具有類人的學習能力，多臺機器人協(xié)同技術(shù)使一套生產(chǎn)解決方案成為可能。

2）小型工業(yè)機器人向模塊化和系統(tǒng)化發(fā)展

小型工業(yè)機器人的研發(fā)已經(jīng)趨向于采用組合式、模塊化、系統(tǒng)化的產(chǎn)品設計思路，從而提高了機器人的適用性。工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向開放性控制系統(tǒng)集成方向發(fā)展，伺服驅(qū)動技術(shù)向非結(jié)構(gòu)化、多移動機器人系統(tǒng)改變。

3）人機關(guān)系發(fā)生深刻改變

對每個崗位的工作量、工作效率、良品率、機器人成本加以精確測算，機器人成本低于人工成本時，設置機器人崗位，機器人和操作工人組合搭配于同一條生產(chǎn)線上。工業(yè)機器人在可見的未來將逐漸取代工業(yè)生產(chǎn)中的人類勞力，將把人類的工業(yè)社會推向一個新的高度 。 當機。器人能夠理解人類語言指令和身體指令，工人和機器人可以共同完成目標，人機關(guān)系就會變成協(xié)作關(guān)系。

5 結(jié)語

綜上所述，我國的小型工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)在近半個世紀中，經(jīng)歷了從無到有、從工業(yè)自動化向智能化的發(fā)展歷程，目前已經(jīng)廣泛應用于精密組裝、打磨噴漆、零部件監(jiān)測等領(lǐng)域。今后，隨著小型工業(yè)機器人市場的不斷擴大，發(fā)展前景廣大。預計今后，我國小型工業(yè)機器人會向著高速、高精、重載、輕量化和智能化、模塊化的方向發(fā)展，人機關(guān)系也會向人機協(xié)作型關(guān)系轉(zhuǎn)變。

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