任務1.1 工業機器人的發展歷程認知

學習任務描述

在簡單了解世界各地對機器人的定義的基礎上，能夠了解工業機器人的發展歷史和發展趨勢。

學習任務實施

1.1.1 工業機器人的定義

工業機器人的定義有很多，原因之一是機器人還在繼續發展，新的機型、新的功能不斷涌現。下面將介紹國際上對于工業機器人給出的定義。

美國機器人協會將工業機器人定義為：一種用于移動各種材料、零件、工具或專用裝置的，通過程序動作來執行各種任務，并具有編程能力的多功能操作機。

日本工業機器人協會指出：工業機器人是一種帶有存儲器件和末端操作器的通用機械，它能夠通過自動化的動作代替人類勞動。

我國科學家對工業機器人的定義是：工業機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的能力，如感知能力、規劃能力、動作能力和協同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。

國際標準化組織定義：工業機器人是一種仿生的、具有自動控制能力的、可重復編程的、多功能、多自由度的操作機械。

由此不難發現，工業機器人是由仿生機械結構、電動機、減速器和控制系統組成的，用于從事工業生產，能夠自動執行工作指令的機械裝置。它可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的程序運行，現在工業機器人還可以根據人工智能技術制定的原則和綱領行動，如圖1-1所示。

1.1.2 工業機器人的發展歷史

大千世界，萬事萬物都遵循著從無到有、從低到高的發展規律，機器人也不例外。早在三千多年前的西周時代，中國就出現了能歌善舞的木偶，稱為“倡者”，這可能是世界上最早的“機器人”。然而真正工業機器人的出現并不久遠，20世紀50、60年代，隨著機構理論和伺服理論的發展，機器人開始進入了實用化和工業化階段。

1954年，美國的喬治·德沃爾提出了一個與工業機器人有關的技術方案，并申請了“通用機器人”專利。該專利的要點在于借助伺服技術來控制機器人的各個關節，同時可以利用人手完成對機器人工作的示教，實現機器人動作的記錄和再現。

1959年，德沃爾與美國發明家約瑟夫·英格伯格聯手制造出第一臺工業機器人Unimate，如圖1-2所示，機器人的歷史才真正拉開帷幕。1960年，美國機器和鑄造公司AMF生產了柱坐標型機器人Versatran，如圖1-3所示。Versatran機器人可進行點位和軌跡控制，是世界上第一臺用于工業生產的機器人。

20世紀70年代的日本正面臨著嚴重的勞動力短缺，這個問題已成為制約其經濟發展的一個主要問題。此時在美國誕生并已投入生產的工業機器人給日本帶來了福音。日本在1967年從美國引進第一臺機器人。1967年以后，隨著微電子技術的快速發展和市場需求的急劇增加，工業機器人在日本企業里受到了“救世主”般的歡迎，并得到了快速發展。如今，無論是機器人的數量還是機器人的密度，日本都位居世界第一，素有“機器人王國”之稱。

德國引進機器人的時間比英國和瑞典晚了五六年，但戰爭所導致的勞動力短缺，國民的技術水平較高等因素卻為工業機器人的發展、應用提供了有利條件。此外，德國規定，對于一些危險、有毒、有害的工作崗位，必須以機器人來代替普通人的勞動。這為機器人的應用開拓了廣泛的市場，并推動了工業機器人技術的發展。目前，德國工業機器人的總數占世界第二位，僅次于日本。

法國政府一直比較重視機器人技術，通過大力支持一系列研究計劃，建立了一個完整的科學技術體系，使法國機器人的發展比較順利。政府組織的項目特別注重機器人基礎技術方面的研究，把重點放在開展機器人的應用研究上。而由工業界支持開展應用和開發方面的工作，兩者相輔相成，使機器人在法國企業界得以迅速發展和普及，從而使法國在國際工業機器人界擁有不可或缺的一席之地。

近年來，意大利、瑞士、西班牙、芬蘭、丹麥等國家由于本國內機器人市場的需求較大，發展速度非?？臁?/p>

目前，國際上的工業機器人公司主要為日系和歐系。日系機器人公司主要有安川、OTC、松下和發那科。歐系機器人公司主要有德國的KUKA、CLOOS，瑞士的ABB，意大利的COMAU，英國的Autotech Robotics等。

我國工業機器人起步于20世紀70年代初期。經過40多年發展，大致經歷了三個階段：70年代萌芽期、80年代的開發期和90年代后的應用期。20世紀70年代，清華、哈工大、華中科大、沈陽自動化研究所等一批高校和科研院所最早開始了工業機器人的理論研究。20世紀80~90年代，沈陽自動化研究所和中國第一汽車制造集團進行了機器人的試制和初步應用工作。進入21世紀以來，在國家政策的大力支持下，廣州數控、沈陽新松、安徽埃夫特、南京埃斯頓等一批優秀的本土機器人公司開始涌現，工業機器人也開始在中國形成了初步產業化規模?，F在，國家更加重視機器人工業的發展，也有越來越多的企業和科研人員投入到機器人的開發研究中。

目前，我國的科研人員已基本掌握了工業機器人的結構設計和制造技術、控制系統硬件和軟件技術、運動學和軌跡規劃技術，也具備了機器人部分關鍵元器件的規模化生產能力。一些公司開發出的噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人已經在多家企業的自動化生產線上獲得規模應用。

總體來看，我國的工業機器人由于起步較晚，在技術開發和工程應用水平上與國外相比還有一定的差距。主要表現在以下幾個方面：

1）創新能力較弱，核心技術和核心部件受制于人，尤其是高精度的減速器長期需要進口，缺乏自主研發產品，影響總體機器人的產業發展。

2）產業規模小，市場滿足率低，相關基礎設施服務體系建設明顯滯后。中國工業機器人企業雖然形成了自己的部分品牌，但不能與國際知名品牌形成有力競爭。

3）行業歸口、產業規劃需要進一步明確。

隨著工業機器人應用越來越廣泛，國家也在積極推動我國機器人產業的發展。尤其是進入“十三五”以來，國家出臺的《機器人產業發展規劃（2016—2020）》對機器人產業進行了全面規劃，要求行業、企業搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進工業機器人產業化進程。

1.1.3 工業機器人的發展趨勢

工業機器人在許多生產領域的應用實踐中證明，它在提高生產自動化水平、提高勞動生產率、提升產品質量及經濟效益、改善工人勞動條件等方面，取得了令世人矚目的成績。隨著科學技術的進步，機器人產業必將得到更加快速的發展，工業機器人將得到更加廣泛的應用。

1.技術發展趨勢

在技術發展方面，工業機器人正向結構輕量化、智能化、模塊化和系統化的方向發展。未來主要的發展趨勢如下：

1）機器人結構的模塊化和可重構化。

2）控制技術的高性能化、網絡化。

3）控制軟件架構的開放化、高級語言化。

4）伺服驅動技術的高集成度和一體化。

5）多傳感器融合技術的集成化和智能化。

6）人機交互界面的簡單化、協同化。

2.應用發展趨勢

自工業機器人誕生以來，汽車行業一直是其應用的主要領域，2014年，北美機器人工業協會在年度總結報告中指出，截至2013年年底，汽車行業仍然是北美機器人最大的應用市場，但其在電子、電氣、金屬加工、化工、食品等行業的出貨量卻增速迅猛。由此可見，未來工業機器人的應用依托汽車行業，并迅速向各行業延伸。對于機器人行業來講，這是一個非常積極的信號。

3.產業發展趨勢

近年，隨著勞動力成本不斷上漲，工業領域“機器換人”現象普遍，工業機器人市場與產業也因此逐漸發展起來。由于中國城鎮單位就業人員平均工資已經從10年前的18200元飆漲至56399元，高成本勞動力施壓下，利用工業機器人轉型智能制造成為發展趨勢，也是中國制造業的重大戰略之一。

2014年，中國工業機器人銷量為5.7萬臺，同比增長了55%；2015年，銷量達到6.8萬臺，同比增長19%；2016年，銷量達到近9萬臺；2017年，銷量突破10萬臺。綜合以上因素，我們預計，2018年中國工業機器人銷量將達到12.7萬臺，未來五年（2018~2022）年均復合增長率約為23.24%，2022年中國工業機器人銷量將達到29.3萬臺，2018~2022年中國工業機器人銷量預測如圖1-4所示。

自2013年以來，中國已成為全球最大的機器人消費國。我們預計，2018年中國工業機器人市場規模將達到22.3億美元，未來五年（2018~2022）年均復合增長率約為22.73%，2022年中國工業機器人市場規模將達到50.6億美元，2018~2022年中國工業機器人市場規模預測如圖1-5所示。

未來中國市場各種機器人的增長潛力巨大。一方面，隨著人口紅利減少，勞動力短缺、勞動力成本上升，中國相對于其他發展中國家的勞動力成本優勢慢慢弱化，勞動密集型產業逐步向東南亞其他國家轉移。印度為吸引外資制定了較中國更為優惠的政策措施，而其專業人才的質量也不在中國之下，兩國在勞動密集型產品上的競爭很激烈。另一方面，政府也在促進關鍵崗位機器人應用，尤其是在危害健康、作業環境危險、重復繁重勞動、智能采樣分析等崗位上推廣一批專業機器人。就我國而言，現階段是工業機器人發展的一個重大挑戰與機遇，迎接挑戰并克服困難就能使我們在日益激烈的競爭中處于有利地位。抓住這次機遇，努力進行研發工作，力求使我國工業機器人的技術水平在國際上占有一席之地。