工业机器人技术体系梳理分析

随着我国生产力的发展和经济结构调整的不断深入，相关基础科学与技术（尤其是信息技术）研究的巨大进步，电机、IC、工业计算机等机器人基础部件的性能不断提高，成本不断降低，机器人的发展正面临重大发展机遇。大力发展智能机器人的核心技术和产业标准，结合我国在制造业方面的成本优势，鼓励和扶持一批大中型企业发展机器人产业，早日成为智能机器人的研发和制造大国，对于提升国家竞争力具有重要的战略意义。

对工业机器人的定义各国并不统一。GB/T 12643-1997认为：“（操作型）工业机器人是自动控制的，可重复编程，多用途，并可对三个和三个以上轴进行编程。可以是固定式或移动式，在工业自动化中使用”。可见，工业机器人多指面向工业领域的，可编程并实现多种用途的多关节机械手或多自由度机器人。

工业机器人的广泛应用是我国装备制造业转型升级的重要手段和内容，这对于上海地区更具有现实意义。工业机器人可以在以下几方面发挥重要作用：产品的复杂化、多样化，生产的周期缩短要求产品的可靠性、精度等得到更有效的控制，避免人为因素的干扰；“以人为本”和人力成本的提高要求把劳动力从单调、枯燥、有危害的环境中解放出来；市场经济要求企业不断提高劳动生产率，增强核心竞争力；用户的个性化需求要求不断降低生产调整时间，提高生产过程的“柔性”。

1．工业机器人行业现状

工业机器人生产企业可分成几种类型：

（1）

国际机器人公司及合资公司

跨国企业：发那科、库卡、ABB、安川电机、川崎等。

合资企业：首钢莫托曼等。

（2）

已形成产业的国内骨干机器人企业

沈阳新松机器人公司、海尔机器人公司、奇瑞机器人公司等。

（3）

机床企业的机器人(设备)部门

沈阳机床、华中数控、大连机床、友嘉等机床企业都在进行工业机器人研发，初步形成产业化的只有广州数控。

（4）

小型机器人专业公司

生产某些类型或系列的机器人产品或从事集成、应用开发。

2．工业机器人应用领域

机器人主要产销国日本2010年的统计数据显示，工业机器人主要应用在：装配（普通装配、贴片、钎焊、涂胶等）、焊接（弧焊、点焊、气焊等）、净室（平板显示、半导体等）、原料输送、注塑、涂装、机械加工（上下料、切割等）及其它领域（按销售额递减排序）。08、09年资料也表明，中国工业机器人的主要种类为搬运、焊接和净室，应用行业为汽车及零部件、电子电器和化工（塑料和橡胶）等。和全球工业机器人情况类似，所占比例略有不同。

3．工业机器人主流产品

（1）

焊接机器人

包括点焊、弧焊、激光焊等。主要用于汽车整车、零部件的焊接工作。

（2）

搬运机器人

用于机床上下料、码垛搬运、冲压自动化生产线、自动装配流水线等。

（3）

装配机器人

用于普通装配、贴片工艺、钎焊、钻孔和连接（铆接、螺栓连接、粘接）等。

（4）

喷涂机器人

用于汽车、马达、箱体、工程机械等的喷涂生产线。

（5）

净室机器人 在洁净环境中使用的机器人，多用于电子电器行业。

（6）

真空机器人

多用于半导体工业中，实现晶圆在真空环境中的传输。

4．上海在工业机器人方面的技术水平

上海市已成功研制了“上海一号”、“上海二号”、“上海三号”、“上海四号”等工业机器人，在机器人优化设计制造技术、机器人控制技术及驱动系统等积累了多年的研发经验。在工业机器人应用领域，已掌握多关节、桥架、码垛等工业机器人系统及周边自动化设备集成技术，具备搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等机器人工作单元成套、成线能力。

5．未来产业化发展的要求

（1）

注重功能组件核心技术的研究和产业化

开展面向应用的机器人核心部件的国产化开发（机器人用伺服系统、机器人控制器、机器人智能控制技术、高精度减速机等），把企业行为提升为国家行为；深入开展机器人控制技术的研究。提升机器人的高速平稳性、动态跟踪精度、智能控制等方面的性能。

（2）

着力提升机器人系统的可靠性和产业体系的建立。

从样机到成熟产品要通过长时间应用验证和不断改进，需要由企业牵头开展国产机器人稳定性、可靠性等问题的研究和应用测试；加强研发、加工、装配、检测、维护、管理等机器人产业体系的建立。

（3）

瞄准未来，支持研发智能型工业机器人技术

（一）

主流产品体系架构及研发重点

产品分类体系、功能模块分解

1．产品分类体系

工业机器人的分类方法众多，可以按照运动机构分（直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型、移动型），按照驱动方式分（电力、液压、气动驱动），按照运动方式分（点位控制、连续轨迹控制），按程序输入方式分（编程输入、示教输入）及按照完成功能（操作、移动）等。根据1990年工业机器人国际标准大会的文件，把工业机器人按控制方式分为四类[2]：

（1）

顺序型。这类机器人拥有规定的程序动作控制系统；

（2）

沿轨迹作业型。这类机器人执行某种移动作业，如焊接。喷漆等；

（3）

远距作业型。比如在月球上自动工作的机器人；

（4）

智能型。这类机器人具有感知、适应及思维和人机通信机能；能在较为复杂的环境下工作；能按照人的指令自选或自编程序去适应环境，并自动完成更为复杂的工作。

目前，机器人强国日本的工业机器人已在第发展（3）、（4）类工业机器人的路上取得了举世瞩目的成就。国内应用大多局限在（1）、（2）类上，某些大公司的产品中部分单元模块（如视觉）体现出智能化，但整体智能化水平不高。

2．

产品功能模块

工业机器人产品主要由本体、驱动系统、控制系统、感知系统等部分组成。

（1）

本体，即机座和执行机构（即机械壳体部分）

包括机械臂、腕部和手部，有的机器人还有移动机构；机械主体占全部成本的15%左右，国产化程度最高，很多国外机器人的本体也叫国内工厂代工。

（2）

驱动系统，包括动力装置和传动机构

用以使执行机构产生相应动作的装置。国产伺服电机、驱动器、减速器等与欧洲和日本的产品还有较大差距。主要表现在对运动控制核心技术和制造工艺的掌握上；高精度减速机的国产化也是影响工业机器人发展的难题，其它大部份关键部件则要依赖进口，使国内机器人成本居高不下。

（3）

控制系统

控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等，我国缺少机器人控制器和相应机器人控制器硬件平台。

（4）

感知系统

是实现工业机器人与人、环境互操作的人机接口，也是工业机器人智能化以完成更复杂操作的必备条件。由各种传感器和接口组成。

3．智能型工业机器人研究的重要领域

（1）

面向与人类近距离或有接触作业的高负载自重比机械臂的安全性、轻型化、灵巧性技术；

（2）

基于新材料（如碳纤维材料）机构轻量化、模块化设计、加工工艺，基于力反馈的安全性控制和柔顺控制等方法；

（3）

面向运动的核心部件，包括电机总成、驱动器、控制器、传感器及大载荷、高功率比密度结构与驱动集成设计等，制定各硬件模块互联的接口标准；

（4）

提高工业机器人安全防护性及系统可靠性的措施；

（5）

控制与规划；

（6）

高精度和健壮性的传感器；

（7）

人机接口方式；

（8）

机器人协作系统；

（9）

自学习和自适应性；

（10）建模仿真及分析；

（11）低成本技术。

区域重点产品或方向

根据上海市“两个中心”的定位和产业布局，建议：重点发展面向汽车、电子电器行业、飞机制造、光伏、风电设备制造等产业需求的工业机器人；着力提高传统汽车行业国产工业机器人运行的可靠性；长期、持续投入，深入开展新一代智能型工业机器人的研究。

统计数据表明，日、韩等国近年来在电子电器行业销售额增长迅速，而在汽车焊接等传统领域有所下降。长三角地区是中国电子电器行业的心脏，也是劳动密集型企业的聚集地，在此行业大力推广工业机器人产品具有特殊意义。该行业对应的机器人类型主要有：小型装配机器人（装配、贴片、钎焊等）、净室加工机器人、真空机器人等。

积极探索面向飞机制造、新能源汽车、太阳能发电、风电设备制造等新兴产业的工业机器人和柔性自动化生产线的开发。目前，库卡等机器人国际巨头已经开始面向这些新兴产业所需产品的研发和布局。

汽车及零部件生产是上海的传统优势产业，也是工业机器人使用量最大的行业。典型类型有：点焊机器人、弧焊机器人、涂装机器人等。在此应着力开展国产机器人运行可靠性的研究和测试，大力推广国产工业机器人及相关设备。

加大投入，开展新一代智能化工业机器人长期、持续的研发和应用测试。争取在高起点上与主要机器人生产大国的技术水平同步，避免始终走重复研究、追赶国外技术的老路。

（二）

关键技术体系分析

关键技术体系框架

1．整机设计制造技术

2．机器人控制技术

3．可重构装配技术

4．末端执行器

5．机器人协作

6．人机合作

7．非结构化环境下的信息感知

8．建模及仿真

技术实现方案和路径：主流的、潜在的

1．

整机设计制造技术

以往工业机器人的研究方法主要在借鉴国外先进技术的基础上进行二次开发，造成自身创新技术少，基础零部件制造能力和关键技术落后，制约了工业机器人的发展。应着力解决工业机器人的整机设计制造能力，大力支持高性能伺服电机、基于高速总线的新型控制器、高精度减速器、健壮性高精度传感器等机器人关键部件设计制造技术的研发，加速机器人产业化和高端制造业发展步伐。通过5-15年的长期研究开发，下列目标可能得到突破：

短期（2015）：初步解决关键部件的设计制造技术，设计开发汽车、电子工业中常用主流型号的机器人，具备机器人整机设计及制造能力。

中期（2020）：解决机器人关键部件的设计制造技术，电子、汽车等主流行业机器人产品系列化、产业化，在飞机制造、太阳能发电、风电设备制造等新兴产业开发出亟需的典型产品和配套自动化生产线。

短期（2025）：完全掌握代表世界先进水平的机器人关键部件的设计制造，成为相关产品的主要研发、制造基地之一。智能型工业机器人及配套生产线的设计制造能力达到国际同类水平

2．

机器人控制技术

机器人控制技术是机器人技术的核心，直接影响着机器人性能。为提高机器人的动态响应、轨迹跟踪精度、抑制运动中的振动等，除了关注机器人控制器，还要注重机器人控制方法和相关软件的研究和开发。加强对与人类近距离或有接触作业的“人机合作”环境中控制技术的研究。经过不断的研究工作，希望在5-15年内在以下方面实现突破：

短期（2015）：为电子、汽车工业中常用主流型号机器人及其组成的自动化生产线控制提供技术支持和配套的控制软件，在基于力反馈的安全性控制、柔顺控制和多机器人协调控制方面取得明显进展。

中期（2020）：提供满足主流行业和新兴产业中工业机器人控制要求的控制技术，开发具有预测功能、分布式、自调整的自整定控制器。

长期（2025）：为智能型工业机器人及配套生产线提供技术支撑，开展容错、自动可重组控制器的研究。 3．末端执行器

国内使用的机械手等机器人末端执行器在力量和速度上已获得很大发展，但在完成抓取细小物体等灵巧操作任务时与国外产品差距很大。因为要达到的操作性能往往受到机器视觉、运动规划、高性能传感器、数据处理方法等诸多条件的限制。经过5-15年长期研发后，希望未来的末端执行器能够达到如下目标：

短期（2015）：应用具有几个关节、复杂程度较低的专用末端执行器在特定的工业环境下实现抓、拾、放等简单操作，能完成一般经济精度的装配工作。

中期（2020）：用中等复杂程度的多关节末端执行器实现对工业环境下典型工件、工具的抓取和实现一定的灵巧动作，对典型零部件完成精度较高的装配。

长期（2025）：用具有类似人的触觉传感器和高性能执行机构的末端执行器进行复杂程度很高的抓取，实现工业环境下需要的各种灵巧动作，完成复杂的装配工作。

4．可重构的装配生产线

目前从设计到产品推出的开发周期仍然过长，大量的时间花费在新产品生产前的设备调整、调试上，要求未来设备应具有自适应性强的可重构生产能力，体现设备的“柔性”。在未来5-15年间希望通过持续的研发，达到如下目标：

短期（2015）：在较短的时间内完成包括工业机器人、刀具安装到附属设备安装在内的典型新产品装配生产线的安装、调配、编程、调试等工作。

中期（2020）：在24小时内完成包括工业机器人、刀具安装到附属设备安装在内的典型新产品生产线的安装、调配、编程、调试等工作。

长期（2025）：在5-8小时内完成包括工业机器人、刀具安装到附属设备安装在内的典型新产品生产线的安装、调配、编程、调试等工作，包括工业机器人、工具和其它外部设备等。

5．机器人协作

机器人协作是多个机器人共同完成或分工完成复杂任务，工作过程涉及多台机器人的任务规划、协调控制等，是分布式人工智能理论的典型应用。目前，协作中控制任务通常预先人工设定和划分，在中央控制单元控制下由各台机器人分别执行。经过5-15年的长期研发，未来的机器人协作希望达到如下目标：

短期（2015）：能够协作完成如汽车焊接、喷涂、装配等系列工作，采用集中控制、通信和公共地图，为各台机器人分别划分任务。

中期（2020）：为团队确定明确的任务，采用分布式控制和内部智能通信实现任务协作。粒子群理论和规则得到应用。

长期（2025）：由机器人自主进行任务的获取和分配，完成协作任务。

6．人机合作

人与机器人共存、合作共处的工作环境是未来工厂的普遍场景，在这种生产线中，工业机器人以人类助手或智能机器等多种方式与人合作。因此需要在人机接口、安全性等方面进行深入研究。经过5-15年的长期的研发，未来的人-机器人合作（co-robot）希望达到如下目标：

短期（2015）：机器人能够理解人的自然语言、肢体语言等，能根据人的要求，在一段不需要人干预的时间（5个小时）完成生产线上的简易装配。

中期（2020）：机器人有效理解人的自然语言、肢体语言等，根据人的要求要求完成生产线上较复杂的装配任务，维持10-20小时不需要人的干预。

长期（2025）：机器人有效理解理解人的自然语言、肢体语言等，根据人的要求与人共处，完成生产线的复杂装配任务，维持40-60小时不需要人干预。

7．非结构化环境下的信息感知

面向小批量、多样化客户需求的柔性自动化生产线需要工业机器人的智能化水平更高，能够在与人近距离接触的非结构化环境中安全运行，这就要求工业机器人的信息感知能力大幅提升。信息感知能力与传感器技术、计算机技术和通信技术的发展密切相关，它们为机器人的信息获取提供保障。经过5-15年的深入研究，在机器人信息感知方面希望达到如下目标：

短期（2015）：三维视觉、力觉及其它传感技术获得长足发展，工业机器人在半结构化或非结构化典型工作环境下（针对典型产品）可利用感知到的三维信息完成批量操作任务。

中期（2020）：利用信息感知技术完成小规模、成批生产任务，使工业机器人广泛应用到小型加工企业；

长期（2025）：利用信息感知技术，使工业机器人可以完成单件个性化生产需求。

8．建模及仿真

建立数学模型的是对现实世界的一种描述方式。虽然在很多领域都会用到这种方法，但由于工业机器人的多自由度机电一体化系统的特点和运动形态，决定其在设计制造过程中对实际对象及组件进行建模、仿真显得格外重要。在数学建模方面我国有较好的理论基础和人才储备，希望经过5-15年的深入研究，在这方面不断取得进展，达到如下目标：

短期（2015）：探索建立描述机器人模型的标准语言；

中期（2020）：形成描述机器人模型的标准语言，采用优化算法建立了可互换的模型。

长期（2025）：完成对机器人和环境状态的精确判断，实现实时动态建模。