系统集成方案实现机器人工程产业

内容摘要：机器人产品的一种工程实现方案，系统集成概念来自于西方大工业社会。我国的机器人产业发展较薄弱，但市场很大。本文引入系统集成的观念来快速开发机器人产品，与国际市场及国际技术同步发展。 关键词：机器人，智能控制，系统集成

一、机器人的定义和市场现状

机器人是个不过百年的近代新名词，源于捷克幻想小说《I’m Robot》。智人见智，人们真创造出了机器人这个产品，开始是一味地仿真人类去造机器人，如电影《未来世界》所述，只差情感仿真不了，其它一如真人。现在对机器人有很多种版本的定义，随着深入争论和探讨观念逐渐趋于一致，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。”（1） 由此，我们给机器人一个引申的定义和分类：借助于人工智能控制平台，能独立完成某特定工艺的作业。其具备自学习、逻辑思维、信息反馈和专家系统(11)的特点。狭义机器人是仿生物形的，广义机器人是接受（上位机）指令，完成作业并反馈信息给上位机。

现在市场上最多的是广义机器人，如焊接机器人、搬运机器人、消防机器人，最牛的是美国的“捕食者”号无人机也被规范到机器人范畴内，它曾经为抓捕拉登而名声大振。我们更关心的产品就是“广义机器人”，发展该产业有良好的市场前景。（2）

2014年的人工劳务成本是5年前的3倍，而机器人的成本却是5年前的二分之一（3），这个反差决定了机器人市场将成指数曲线扩增。虽然目前机器人主流产品还依赖进口，国产的产品还只在低端徘徊，但相信中国实际潜力一定会发掘出来，例如二十年前的电梯市场和汽车市场，十年前的高铁市场和光伏市场。因为我国既是产品制造者也是产品消费者大国，巨大的市场会支撑起这一产业的阳光发展平台。

目前工业机器人产品主要还集中在电子产业、汽车产业领域，潜力更大的应是轻工、矿山、重工和化工行业，军工、消防等领域是利润高，市场采购集中的特殊市场，把握得好，事倍功半。所以现在抓住机遇从事机器人产业，虽然技术门槛高，但市场门槛很低。

以笔者2014年9月在深圳某厂完成的“触摸屏清洗机”为例，这款产品也可以理解为广义机器人，因为0.3毫米的触摸屏人工清洗效率很低，质量不稳定，机器清洗后，一台设备可抵20个工人的工作效率，虽然设备售价120万元，但用户愿意采用，其正常运行2年就可回收成本。富士康这样的大型企业就是这种设备的客户。该设备的控制器是三菱Fx3U PLC，5轴数控，人机界面是威伦的 EB8000，执行机构是步进电机开环驱动，该设备固定安装，产品流动，放入生产线后作为触摸屏生产线上的一个单元。

二、机器人工程实现步骤

首先确定机器人要完成什么工作，其适应环境参数有哪些，技术指标如何，可行性评估怎么样？有了这些数据，我们建立模型分析，进行实现方案比较，然后确定路径，开始设计。设计过程就要引进国外成熟的技术和产品了，我们称之为系统集成。这是我们与国内其他机器人同行走的路径不一样的地方，他们更多的精力放在“研发”上，使用单片机、C语言，非标设备（4），所以要走许多弯路，虽然成果出来后成本更低和方便保护自有知识产权。

机器人首先是运动模型的建立，看它有几个关节点和自由度，俗称几轴，运动方程很复杂，但不用担心，人家成熟的运算程序都做好了，只要我们能理解就行。（5）

然后是构架系统建立，需多少执行机构，电机、气动元件、液压元件选型，控制平台选型，传感器选型，通讯模式，人机界面，上位机接口。这些部件一旦确定，机器人实物模型就出来了。

精确设计和系统调试是复杂、繁琐、重复、耗时最长的阶段，在方案正确的前提下，需要团队的齐心协力和不屈不挠，从成功与失败中总结经验和教训，最后逐步成型，研制出样机。

研制出样机后，组织专家和同行进行评估，根据评估意见进行改进设计和调试，然后进行试验考核，实验验证，一项复杂并看好的机器人产品，在此过程反反复复是要好事多磨的。

如果产品可以定型，则由公司管理部门组织专家机构进行鉴定，申报成果，造势宣传，组织小批量生产投放市场检验，在此过程要特别注意知识产权的保护和侵权的防止，并保障质量稳定，市场的任何不利信息反馈都会影响大批量生产的决策。

如果产品还需改进，则又返回研制过程重新再来；若是市场信息反馈需改进，则以新型号进行完善和满足不同客户的技术指标要求。该产品能持续大批量生产3年，则利润是很可观的。之后就要看市场竞争的走向了，谁也不能保证能好多久。但是，持续的新产品研发则是企业的真正生命潜力。深圳市场上那句宣言值得借鉴：“从来被模仿，从未被超越。”

三、机器人项目选择

从网上随机调查一下，有这些机器人：

3.1 焊接机器人

3.2 搬运机器人

3.3 消防机器人

3.4 特种专业机器人

3.5 机器人品牌企业

以上不胜枚举，我们关心自己的企业选择。笔者推荐几项，但愿能抛砖引玉，提供几种思路。

3.6 负重爬楼机器人。我们从事电梯行业的，深知将曳引机搬上楼顶的不容易。其实实现起来很简单，做成个乌龟壳的形状，履带行走，爬行角度小于35度，功率0.75Kw，速度0.01米/秒，负重600Kg至1200Kg，在倾角爬行时能保证负载物基本水平不至于滑下来就行。

3.7 利用电瓶叉车改造成搬运机器人和堆码机器人。实际上就是做一个控制器配接在电瓶叉车上，取代工人操作。陀螺定向，二维码或条形码扫描定位，上位机群控，在无线WIFE 环境下协调工作。

3.8 消防机器人，利用越野车改造成无人驾驶的，GPS定位，程序控制或遥控操作。

3.9 从钢厂或化工企业那些高污染企业中调研新产品开发灵感，研发出市场对路的产品。

攀枝花钢铁厂

刘建平摄于2014年12月19日

3.10 单柱悬臂立体停车装置，这是笔者2012年研发出的一款停车装置，并获得了实用新型专利，外表结构也有点像机器人结构。同期获得的专利还有双柱悬臂停车装置及一款双柱悬臂的家庭电梯装置。这种电梯相对于普通电梯来说可以做到无机房、无井道、无地坑，无随行电缆的全景观光，很适合于别墅家庭使用。（10）

四、研发团队的建立

市场是企业赖以生存发展的平台，若看中了机器人市场，决策者就应抓住机遇，纳入十年规划发展途径。人才是企业的核心，在海内外物色适合企业利用的人才，建立一个高效的研发团队，不断出新产品，补充市场需求。

中国有个特殊的人才群体，他们是军工、央企或国企的高级工程师和教授，正值事业巅峰，但也到退休年龄了，能有效引进他们来参与，是一个巨大的知识财富团。同时又通过他们引荐一些刚硕士毕业的有为精英，则企业有望高速发展。

企业形成一个赛马不养马的竞争机制，会优选到千里马的。衷心祝福。

参考资料及文中摘录到的文献。

1，

《百度》 机器人词条定义 2，

《工业机器人的发展和应用》无名氏 3，

张瑜

王元元《瞭望东方周刊》机器人文献 4，

刘志伟 《四轴工业机器人嵌入式运动控制器的设计》硕士论文 哈尔滨工大 2012 5，

庄鹏 《工业机器人原理和应用》2006 6，

朱继平 《三自由度圆柱坐标型工业机器人设计》学士论文 2012 7，

《汽车生产线AGV无线通讯解决方案》

8，

《KIRK_1500无线通信解决方案》 9，

《ABB机器人操作培训》 10，

刘建平《单柱悬臂立体停车装置》2012 11，

张拔 《EMAICY专家系统》清华大学出版社 1988 12，

李清泉《自适应控制》清华大学出版社 1987