一、工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展背景

(資料圖片)

1920年，捷克劇作家卡里洛·奇別克在其科幻劇本《羅薩姆萬能機(jī)器人制造公司》（Rossum"s Universal Robots）首次使用了ROBOT這個(gè)名詞，之后便成為機(jī)器人的代名詞。

1938年3月，The Meccano Magazine報(bào)道了一款搬運(yùn)機(jī)器人模型，這是最早的關(guān)于以工業(yè)應(yīng)用為目標(biāo)的機(jī)器人模型的報(bào)道。它由GriffithP．Taylor于1935年設(shè)計(jì)，可以通過一個(gè)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)5個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)。到了1954年，美國(guó)的G.C.Devol設(shè)計(jì)出第一臺(tái)電子可編程序的工業(yè)機(jī)器人。而1960年美國(guó)AMF公司生產(chǎn)了柱坐標(biāo)型Versatran機(jī)器人，可進(jìn)行點(diǎn)位和軌跡控制，這是世界上第一種應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)器人。

在1974年，Cincinnati Milacron公司成功開發(fā)了多關(guān)節(jié)機(jī)器人。到了1979年，Unimation公司推出PUMA機(jī)器人，它是一種多關(guān)節(jié)、全電機(jī)驅(qū)動(dòng)、多CPU二級(jí)控制的機(jī)器人，采用VAL專用語言，可配視覺、觸覺、力覺傳感器，在當(dāng)時(shí)是技術(shù)最先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人?，F(xiàn)在的工業(yè)機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上大體都以此為基礎(chǔ)。這一時(shí)期的機(jī)器人屬于“示教再現(xiàn)”（Teach-in/Playback）型機(jī)器人，只具有記憶、存儲(chǔ)能力，按相應(yīng)程序重復(fù)作業(yè)，對(duì)周圍環(huán)境基本沒有感知與反饋控制能力。

進(jìn)入80年代，隨著傳感技術(shù)，包括視覺傳感器、非視覺傳感器以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了第二代機(jī)器人——有感覺的機(jī)器人。它能夠獲得作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對(duì)象的部分相關(guān)信息，進(jìn)行一定的實(shí)時(shí)處理，引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)。第二代機(jī)器人已在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。

目前各國(guó)正在研究的“智能機(jī)器人”，它不僅具有比第二代機(jī)器人更加優(yōu)秀的環(huán)境感知能力，而且還具有邏輯思維、判斷和決策能力，可根據(jù)作業(yè)要求與環(huán)境信息自主地進(jìn)行工作。

二、工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景

自從20世紀(jì)60年代初人類創(chuàng)造了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以后，機(jī)器人就顯示出它極大的生命力，在短短50多年的時(shí)間中，機(jī)器人技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，在眾多制造業(yè)領(lǐng)域中，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域是汽車及汽車零部件制造業(yè)，并且正在不斷地向其他領(lǐng)域拓展，如機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中，焊接機(jī)器人、磨拋加工機(jī)器人、焊接機(jī)器人、激光加工機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、真空機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人都已被大量采用。下面是對(duì)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景及技術(shù)特點(diǎn)的一些介紹。

三、工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)狀

伴隨著工業(yè)機(jī)器人的日漸興起，“機(jī)器換人”將成為趨勢(shì)。富士康此前曾宣布，將在三年內(nèi)購(gòu)置百萬臺(tái)機(jī)器人，預(yù)計(jì)到2016年將在山西晉城建成“世界最大智能化機(jī)器人生產(chǎn)基地”。

汽車、電子、食品、化工、塑膠橡膠、金屬制品六大制造行業(yè)，被看做是當(dāng)前應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的主要領(lǐng)域，機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)未來會(huì)有100萬～200萬臺(tái)的年需求量，占中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)需求的七成左右。

截至今年9月份，整個(gè)中國(guó)機(jī)器人企業(yè)已達(dá)近420多家。另外，目前中國(guó)各地正在建設(shè)逾30個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)園。

工業(yè)機(jī)器人之所以能在中國(guó)市場(chǎng)異軍突起，首先是因?yàn)樵诔杀旧?，機(jī)器人通常僅為人工成本的四分之一；其次，機(jī)器人在質(zhì)量、效率、管理等方面還能帶來很多新的附加值。所以，在機(jī)器人技術(shù)快速提升、價(jià)格大幅下降、人工短缺、人力成本上升等因素的綜合作用下，中國(guó)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)正處于一個(gè)井噴時(shí)代。

四、工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

1.機(jī)器人基本系統(tǒng)構(gòu)成

工業(yè)機(jī)器人由3大部分6個(gè)子系統(tǒng)組成。3大部分是機(jī)械部分、傳感部分和控制部分。6個(gè)子系統(tǒng)可分為機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、機(jī)器人環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

1)工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由機(jī)座、手臂、末端操作器三大部分組成，每一個(gè)大件都有若干個(gè)自由度的機(jī)械系統(tǒng)。若基座具備行走機(jī)構(gòu)，則構(gòu)成行走機(jī)器人；若基座不具備行走及彎腰機(jī)構(gòu)，則構(gòu)成單機(jī)器人臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。末端操作器是直接裝在手腕上的一個(gè)重要部件，它可以是二手指或多手指的手抓，也可以是噴漆槍、焊具等作業(yè)工具。

2)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，要使機(jī)器人運(yùn)作起來，需要在各個(gè)關(guān)節(jié)即每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度上安置傳動(dòng)裝置，這就是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以是液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電動(dòng)傳動(dòng)、或者把它們結(jié)合起來應(yīng)用綜合系統(tǒng)，可以是直接驅(qū)動(dòng)或者通過同步帶、鏈條、輪系、諧波齒輪等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行間接傳動(dòng)。

3)感知系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成，用以獲得內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。智能傳感器的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。人類的感受系統(tǒng)對(duì)感知外部世界信息是極其靈巧的，然而，對(duì)于一些特殊的信息，傳感器比人類的感受系統(tǒng)更有效。

4)機(jī)器人環(huán)境交換系統(tǒng)是現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備互換聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人與外部設(shè)備集成為一個(gè)功能單元，如加工單元、焊接單元、裝配單元等。當(dāng)然，也可以是多臺(tái)機(jī)器人、多臺(tái)機(jī)床或設(shè)備、多個(gè)零件存儲(chǔ)裝置等集成為一個(gè)去執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。

5)人機(jī)交換系統(tǒng)是操作人員與機(jī)器人控制并與機(jī)器人聯(lián)系的裝置，例如，計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)終端，指令控制臺(tái)，信息顯示板，危險(xiǎn)信號(hào)報(bào)警器等。該系統(tǒng)歸納起來分為兩大類：指令給定裝置和信息顯示裝置。

6)機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，是決定機(jī)器人功能和性能的主要因素。

控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及傳感器反饋回來的信號(hào)支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。假如工業(yè)機(jī)器人不具備信息反饋特征，則為開環(huán)控制系統(tǒng)；若具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制原理，控制系統(tǒng)可分為程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運(yùn)行的形式，控制系統(tǒng)可分為點(diǎn)位控制和軌跡控制。點(diǎn)位型只控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)由一點(diǎn)到另一點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，適用于機(jī)床上下料、點(diǎn)焊和一般搬運(yùn)、裝卸等作業(yè)；連續(xù)軌跡型可控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按給定軌跡運(yùn)動(dòng)，適用于連續(xù)焊接和涂裝等作業(yè)。

控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)指令程序以及傳感器反饋回來的信號(hào)支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。假如工業(yè)機(jī)器人不具備信息反饋特征，則為開環(huán)控制系統(tǒng)；若具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制原理，控制系統(tǒng)可分為程序控制系統(tǒng)、適應(yīng)性控制系統(tǒng)和人工智能控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運(yùn)行的形式，控制系統(tǒng)可分為點(diǎn)位控制和軌跡控制。一套完整的工業(yè)機(jī)器人包括機(jī)器人本體、系統(tǒng)軟件、控制柜、外圍機(jī)械設(shè)備、CCD視覺、夾具/抓手、外圍設(shè)備PLC控制柜、示教器/示教盒。

下面重點(diǎn)對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)作出介紹。

2.機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，按動(dòng)力源分為液壓，氣動(dòng)和電動(dòng)三大類。根據(jù)需要也可由這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各有自己的特點(diǎn)。

液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)。它具有動(dòng)力大、力(或力矩)與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。適于在承載能力大，慣量大以及在防焊環(huán)境中工作的這些機(jī)器人中應(yīng)用。但液壓系統(tǒng)需進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換(電能轉(zhuǎn)換成液壓能)，速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低。液壓系統(tǒng)的液體泄泥會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪聲也較高。因這些弱點(diǎn)，近年來，在負(fù)荷為100kg以下的機(jī)器人中往往被電動(dòng)系統(tǒng)所取代。

青島華東工程機(jī)械有限公司研制的全液壓重載機(jī)器人如圖所示。其大跨度的承載可達(dá)到2000kg，機(jī)器人的活動(dòng)半徑可達(dá)到近6m，應(yīng)用在鑄鍛行業(yè)。

全液壓重載機(jī)器人

氣壓驅(qū)動(dòng)具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。但是由于氣壓裝置的工作壓強(qiáng)低，不易精確定位，一般僅用于工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)。氣動(dòng)手抓、旋轉(zhuǎn)氣缸和氣動(dòng)吸盤作為末端執(zhí)行器可用于中、小負(fù)荷的工件抓取和裝配。氣動(dòng)吸盤和氣動(dòng)機(jī)器人手爪如圖所示。

氣動(dòng)吸盤和氣動(dòng)機(jī)器人手爪

電機(jī)驅(qū)動(dòng)是現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的一種主流驅(qū)動(dòng)方式，分為4大類電機(jī)：直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和直線電機(jī)。直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)采用閉環(huán)控制，一般用于高精度、高速度的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)；步進(jìn)電機(jī)用于精度和速度要求不高的場(chǎng)合，采用開環(huán)控制；直線電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)在技術(shù)上已日趨成熟，已具有傳統(tǒng)傳動(dòng)裝置無法比擬的優(yōu)越性能，例如適應(yīng)非常高速和非常低速應(yīng)用、高加速度，高精度，無空回、磨損小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無需減速機(jī)和齒輪絲杠聯(lián)軸器等。鑒于并聯(lián)機(jī)器人中有大量的直線驅(qū)動(dòng)需求，因此直線電機(jī)在并聯(lián)機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。

3.機(jī)器人的感知系統(tǒng)

機(jī)器人感知系統(tǒng)把機(jī)器人各種內(nèi)部狀態(tài)信息和環(huán)境信息從信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人自身或者機(jī)器人之間能夠理解和應(yīng)用的數(shù)據(jù)、信息，除了需要感知與自身工作狀態(tài)相關(guān)的機(jī)械量，如位移、速度、加速度、力和力矩外，視覺感知技術(shù)是工業(yè)機(jī)器人感知的一個(gè)重要方面。

視覺伺服系統(tǒng)將視覺信息作為反饋信號(hào)，用于控制調(diào)整機(jī)器人的位置和姿態(tài)。這方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在半導(dǎo)體和電子行業(yè)。機(jī)器視覺系統(tǒng)還在質(zhì)量檢測(cè)、識(shí)別工件、食品分揀、包裝的各個(gè)方面得到了廣泛應(yīng)用。

通常，機(jī)器人視覺伺服控制是基于位置的視覺伺服或者基于圖像的視覺伺服，它們分別又稱為三維視覺伺服和二維視覺伺服，這兩種方法各有其優(yōu)點(diǎn)和適用性，同時(shí)也存在一些缺陷，于是有人提出了2.5維視覺伺服方法。

基于位置的視覺伺服系統(tǒng)，利用攝像機(jī)的參數(shù)來建立圖像信息與機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置/姿態(tài)信息之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端執(zhí)行器位置的閉環(huán)控制。末端執(zhí)行器位置與姿態(tài)誤差由實(shí)時(shí)拍攝圖像中提取的末端執(zhí)行器位置信息與定位目標(biāo)的幾何模型來估算，然后基于位置與姿態(tài)誤差，得到各關(guān)節(jié)的新位姿參數(shù)?；谖恢玫囊曈X伺服要求末端執(zhí)行器應(yīng)始終可以在視覺場(chǎng)景中被觀測(cè)到，并計(jì)算出其三維位置姿態(tài)信息。消除圖像中的干擾和噪聲是保證位置與姿態(tài)誤差計(jì)算準(zhǔn)確的關(guān)鍵。

二維視覺伺服通過攝像機(jī)拍攝的圖像與給定的圖像（不是三維幾何信息）進(jìn)行特征比較，得出誤差信號(hào)。然后，通過關(guān)節(jié)控制器和視覺控制器和機(jī)器人當(dāng)前的作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行修正，使機(jī)器人完成伺服控制。相比三維視覺伺服，二維視覺伺服對(duì)攝像機(jī)及機(jī)器人的標(biāo)定誤差具有較強(qiáng)的魯棒性，但是在視覺伺服控制器的設(shè)計(jì)時(shí)，不可避免地會(huì)遇到圖像雅克比矩陣的奇異性以及局部極小等問題。

針對(duì)三維和二維視覺伺服方法的局限性，F(xiàn).Chaumette等人提出了2.5維視覺伺服方法。它將攝像機(jī)平動(dòng)位移與旋轉(zhuǎn)的閉環(huán)控制解耦，基于圖像特征點(diǎn)，重構(gòu)物體三維空間中的方位及成像深度比率，平動(dòng)部分用圖像平面上的特征點(diǎn)坐標(biāo)表示。這種方法能成功地把圖像信號(hào)和基于圖像提取的位姿信號(hào)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，并綜合他們產(chǎn)生的誤差信號(hào)進(jìn)行反饋，很大程度上解決了魯棒性、奇異性、局部極小等問題。但是，這種方法仍存在一些問題需要解決，如怎樣確保伺服過程中參考物體始終位于攝像機(jī)視野之內(nèi)，以及分解單應(yīng)性矩陣時(shí)存在解不唯一等問題。

在建立視覺控制器模型時(shí)，需要找到一種合適的模型來描述機(jī)器人的末端執(zhí)行器和攝像機(jī)的映射關(guān)系。圖像雅克比矩陣的方法是機(jī)器人視覺伺服研究領(lǐng)域中廣泛使用的一類方法。圖像的雅克比矩陣是時(shí)變的，所以，需要在線計(jì)算或估計(jì)。

4.機(jī)器人關(guān)鍵基礎(chǔ)部件

機(jī)器人共4大組成部分，本體成本占22%，伺服系統(tǒng)占24%，減速器占36%，控制器占12%。機(jī)器人關(guān)鍵基礎(chǔ)部件是指構(gòu)成機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)，對(duì)機(jī)器人性能起到關(guān)鍵影響作用，并具有通用性和模塊化的部件單元。機(jī)器人關(guān)鍵基礎(chǔ)部件主要分成以下三部分：高精度機(jī)器人減速機(jī)，高性能交直流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，高性能機(jī)器人控制器等。

1）減速機(jī)

減速機(jī)是機(jī)器人的關(guān)鍵部件，目前主要使用兩種類型的減速機(jī)：諧波齒輪減速機(jī)和RV減速機(jī)。

諧波傳動(dòng)方法由美國(guó)發(fā)明家C.WaltMusser于20世紀(jì)50年代中期發(fā)明。諧波齒輪減速機(jī)主要由波發(fā)生器、柔性齒輪和剛性齒輪3個(gè)基本構(gòu)件組成，依靠波發(fā)生器使柔性齒輪產(chǎn)生可控彈性變形，并與剛性齒輪相嚙合來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，單級(jí)傳動(dòng)速比可達(dá)70～1000，借助柔輪變形可做到反轉(zhuǎn)無側(cè)隙嚙合。與一般減速機(jī)比較，輸出力矩相同時(shí)，諧波齒輪減速機(jī)的體積可減小2/3，重量可減輕1/2。柔輪承受較大的交變載荷，因而其材料的抗疲勞強(qiáng)度、加工和熱處理要求較高，制造工藝復(fù)雜，柔輪性能是高品質(zhì)諧波齒輪減速機(jī)的關(guān)鍵。

德國(guó)人LorenzBaraen于1926年提出擺線針輪行星齒輪傳動(dòng)原理，日本帝人株式會(huì)社（TEIJINSEIKICo.，Ltd）于20世紀(jì)80年代率先開發(fā)了RV減速機(jī)。RV減速機(jī)由一個(gè)行星齒輪減速機(jī)的前級(jí)和一個(gè)擺線針輪減速機(jī)的后級(jí)組成。相比于諧波齒輪減速機(jī)，RV減速機(jī)具有更好的回轉(zhuǎn)精度和精度保持性。

陳仕賢發(fā)明了活齒傳動(dòng)技術(shù)。第四代活齒傳動(dòng)——全滾動(dòng)活齒傳動(dòng)（oscillatory roller transmission，ORT）已成功地應(yīng)用到多種工業(yè)產(chǎn)品中。在ORT基礎(chǔ)上提出的復(fù)式滾動(dòng)活齒傳動(dòng)（compound oscillatory roller transmission，CORT）不但具有RV傳動(dòng)類似的優(yōu)點(diǎn)，而且克服了RV傳動(dòng)曲軸軸承受力大、壽命低的缺點(diǎn)，進(jìn)一步提高了使用壽命和承載能力；CORT的結(jié)構(gòu)使其在同樣的精度指標(biāo)下回差更小，運(yùn)動(dòng)精度和剛度更高，緩解了RV傳動(dòng)要求制造精度高的缺陷，可相對(duì)降低加工要求，減少制造成本。CORT是我國(guó)自主開發(fā)的，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。鞍山耐磨合金研究所和浙江恒豐泰減速機(jī)制造有限公司均開發(fā)成功了機(jī)器人用CORT減速機(jī)。

ORT減速機(jī) CORT減速機(jī)

目前在高精度機(jī)器人減速機(jī)方面，市場(chǎng)份額的75%均兩家日本減速機(jī)公司壟斷，分別為提供RV擺線針輪減速機(jī)的日本Nabtesco和提供高性能諧波減速機(jī)的日本Harmonic Drive。包括 ABB, FANUC, KUKA,MOTOMAN在內(nèi)國(guó)際主流機(jī)器人廠商的減速機(jī)均由以上兩家公司提供，與國(guó)內(nèi)機(jī)器人公司選擇的通用機(jī)型有所不同的是，國(guó)際主流機(jī)器人廠商均與上述兩家公司簽訂了戰(zhàn)略合作關(guān)系，提供的產(chǎn)品大部分為在通用機(jī)型基礎(chǔ)上根據(jù)各廠商的特殊要求進(jìn)行改進(jìn)后的專用型號(hào)。國(guó)內(nèi)在高精度擺線針輪減速機(jī)方面研究起步較晚，僅在部分院校，研究所有過相關(guān)研究。目前尚無成熟產(chǎn)品應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人。近年來國(guó)內(nèi)部分廠商和院校開始致力高精度擺線針輪減速機(jī)的國(guó)產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化研究，如浙江恒豐泰，重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津減速機(jī)廠，秦川機(jī)床廠，大連鐵道學(xué)院等。在諧波減速機(jī)方面，國(guó)內(nèi)已有可替代產(chǎn)品，如北京中技克美，北京諧波傳動(dòng)所，但是相應(yīng)產(chǎn)品在輸入轉(zhuǎn)速，扭轉(zhuǎn)高度，傳動(dòng)精度和效率方面與日本產(chǎn)品還存在不小的差距，在工業(yè)機(jī)器人上的成熟應(yīng)用還剛剛起步。

國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人主流高精度諧波減速機(jī)性能比較如下表所示。

表1 主流高精度諧波減速機(jī)性能比較

注：上表比較數(shù)據(jù)來自相近型號(hào)：

HD ：CSF-17-100

中技克美：XB1-40-100

傳動(dòng)效率測(cè)試工況：輸入轉(zhuǎn)速1000r/min，溫度40°

扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)試條件：20%額定扭矩內(nèi)

國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人主流高精度擺線針輪減速機(jī)性能比較如下表所示。

表2 主流高精度RV擺線針輪減速機(jī)性能比較

注：上表比較數(shù)據(jù)來自相近型號(hào)：

RV：100C

CYCLO：F2CF-C35

傳動(dòng)效率測(cè)試工況：輸出轉(zhuǎn)速15r/min，額定扭矩

2）伺服電機(jī)

在伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)方面，目前歐系機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)部分主要由倫茨，Lust，博世力士樂等公司提供，這些歐系電機(jī)及驅(qū)動(dòng)部件過載能力，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，驅(qū)動(dòng)器開放性強(qiáng)，且具有總線接口，但是價(jià)格昂貴。而日系品牌工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵部件主要由安川，松下，三菱等公司提供，其價(jià)格相對(duì)降低，但是動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力較差，開放性較差，且大部分只具備模擬量和脈沖控制方式。國(guó)內(nèi)近年來也開展了大功率交流永磁同步電機(jī)及驅(qū)動(dòng)部分基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)，北京和利時(shí)，廣州數(shù)控等單位，并且具備了一點(diǎn)的生產(chǎn)能力，但是其動(dòng)態(tài)性能，開放性和可靠性還需要更多的實(shí)際機(jī)器人項(xiàng)目應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證。

3）控制器

在機(jī)器人控制器方面，目前國(guó)外主流機(jī)器人廠商的控制器均為在通用的多軸運(yùn)動(dòng)控制器平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行自主研發(fā)。目前通用的多軸控制器平臺(tái)主要分為以嵌入式處理器（DSP，POWER PC）為核心的運(yùn)動(dòng)控制卡和以工控機(jī)加實(shí)時(shí)系統(tǒng)為核心的PLC系統(tǒng)，其代表分別是Delta Tau的PMAC卡和Beckhoff的TwinCAT系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)的在運(yùn)動(dòng)控制卡方面，固高公司已經(jīng)開發(fā)出相應(yīng)成熟產(chǎn)品，但是在機(jī)器人上的應(yīng)用還相對(duì)較少。

5.機(jī)器人操作系統(tǒng)

通用的機(jī)器人操作系統(tǒng)（robot operating system，ROS）是為機(jī)器人而設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化的構(gòu)造平臺(tái)，它使得每一位機(jī)器人設(shè)計(jì)師都可以使用同樣的操作系統(tǒng)來進(jìn)行機(jī)器人軟件開發(fā)。ROS將推進(jìn)機(jī)器人行業(yè)向硬件、軟件獨(dú)立的方向發(fā)展。硬件、軟件獨(dú)立的開發(fā)模式，曾極大促進(jìn)了PC、筆記本電腦和智能手機(jī)技術(shù)的發(fā)展和快速進(jìn)步。

ROS的開發(fā)難度比計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)更大，計(jì)算機(jī)只需要處理一些定義非常明確的數(shù)學(xué)運(yùn)算任務(wù)，而機(jī)器人需要面對(duì)更為復(fù)雜的實(shí)際運(yùn)動(dòng)操作。

ROS提供標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)服務(wù)，包括硬件抽象、底層設(shè)備控制、常用功能實(shí)現(xiàn)、進(jìn)程間消息以及數(shù)據(jù)包管理。

ROS分成兩層，低層是操作系統(tǒng)層，高層則是用戶群貢獻(xiàn)的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)不同功能的各種軟件包。

現(xiàn)有的機(jī)器人操作系統(tǒng)架構(gòu)主要有基于linux的Ubuntu開源操作系統(tǒng)。另外，斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院、德國(guó)慕尼黑大學(xué)等機(jī)構(gòu)已經(jīng)開發(fā)出了各類ROS系統(tǒng)。微軟機(jī)器人開發(fā)團(tuán)隊(duì)2007年也曾推出過一款“Windows機(jī)器人版”。

6.機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

為了提高工作效率，且使機(jī)器人能用盡可能短的時(shí)間完成特定的任務(wù)，必須有合理的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。離線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃分為路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃。

路徑規(guī)劃的目標(biāo)是使路徑與障礙物的距離盡量遠(yuǎn)同時(shí)路徑的長(zhǎng)度盡量短；軌跡規(guī)劃的目的主要是機(jī)器人關(guān)節(jié)空間移動(dòng)中使得機(jī)器人的運(yùn)行時(shí)間盡可能短，或者能量盡可能小。軌跡規(guī)劃在路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上加入時(shí)間序列信息，對(duì)機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí)的速度與加速度進(jìn)行規(guī)劃，以滿足光滑性和速度可控性等要求。

示教再現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃的方法之一，通過操作空間進(jìn)行示教并記錄示教結(jié)果，在工作過程中加以復(fù)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)示教直接與機(jī)器人需要完成的動(dòng)作對(duì)應(yīng)，路徑直觀且明確。缺點(diǎn)是需要經(jīng)驗(yàn)豐富的操作工人，并消耗大量的時(shí)間，路徑不一定最優(yōu)化。為解決上述問題，可以建立機(jī)器人虛擬模型，通過虛擬的可視化操作完成對(duì)作業(yè)任務(wù)的路徑規(guī)劃。

路徑規(guī)劃可在關(guān)節(jié)空間中進(jìn)行。Gasparetto以五次B樣條為關(guān)節(jié)軌跡的插值函數(shù)，并將加加速度的平方相對(duì)于運(yùn)動(dòng)時(shí)間的積分作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以確保各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)足夠光滑。劉松國(guó)通過采用五次B樣條對(duì)機(jī)器人的關(guān)節(jié)軌跡進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的速度、加速度端點(diǎn)值，可根據(jù)平滑性要求進(jìn)行任意配置。另外，在關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃可避免操作空間的奇異性問題。Huo等人設(shè)計(jì)了一種關(guān)節(jié)空間中避免奇異性的關(guān)節(jié)軌跡優(yōu)化算法，利用6自由度弧焊機(jī)器人在任務(wù)過程中某個(gè)關(guān)節(jié)功能上的冗余，將機(jī)器人奇異性和關(guān)節(jié)限制作為約束條件，采用TWA方法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

關(guān)節(jié)空間路徑規(guī)劃與操作空間路徑規(guī)劃對(duì)比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①避免了機(jī)器人在操作空間中的奇異性問題；

②由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是通過控制關(guān)節(jié)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，因此在關(guān)節(jié)空間中，避免了大量的正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算；

③關(guān)節(jié)空間中各個(gè)關(guān)節(jié)軌跡便于控制的優(yōu)化。

五、工業(yè)機(jī)器人分類

工業(yè)機(jī)器人按不同的方法可分下述類型：

工業(yè)機(jī)器人分類

1.從機(jī)械結(jié)構(gòu)來看，分為串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人。

1）串聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)是一個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)會(huì)改變另一個(gè)軸的坐標(biāo)原點(diǎn)，在位置求解上，串聯(lián)機(jī)器人的正解容易，但反解十分困難；

2）并聯(lián)機(jī)器人采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其一個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)則不會(huì)改變另一個(gè)軸的坐標(biāo)原點(diǎn)。并聯(lián)機(jī)器人具有剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、承載能力大、微動(dòng)精度高、運(yùn)動(dòng)負(fù)荷小的優(yōu)點(diǎn)。其正解困難反解卻非常容易。串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人如圖所示。

串聯(lián)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人

2.工業(yè)機(jī)器人按操作機(jī)坐標(biāo)形式分以下幾類：（坐標(biāo)形式是指操作機(jī)的手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)所取的參考坐標(biāo)系的形式。）

1）直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人

其運(yùn)動(dòng)部分由三個(gè)相互垂直的直線移動(dòng)（即PPP）組成，其工作空間圖形為長(zhǎng)方形。它在各個(gè)軸向的移動(dòng)距離，可在各個(gè)坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高，控制無耦合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但機(jī)體所占空間體積大，動(dòng)作范圍小，靈活性差，難與其他工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作。

2）圓柱坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人

其運(yùn)動(dòng)形式是通過一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和兩個(gè)移動(dòng)組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，其工作空間圖形為圓柱，與直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人相比，在相同的工作空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大，其位置精度僅次于直角坐標(biāo)型機(jī)器人，難與其他工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作。

3）球坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人

球坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人又稱極坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其手臂的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)直線移動(dòng)（即RRP,一個(gè)回轉(zhuǎn)，一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮運(yùn)動(dòng)）所組成，其工作空間為一球體，它可以作上下俯仰動(dòng)作并能抓取地面上或教低位置的協(xié)調(diào)工件，其位置精度高，位置誤差與臂長(zhǎng)成正比。

4）多關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人

又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，這種工業(yè)機(jī)器人的手臂與人一體上肢類似，其前三個(gè)關(guān)節(jié)是回轉(zhuǎn)副（即RRR），該工業(yè)機(jī)器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂見形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和俯仰擺動(dòng)，小臂做仰俯擺動(dòng)。其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，能與其他工業(yè)機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，但位置精度教低，有平衡問題，控制耦合，這種工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用越來越廣泛。

5）平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人

它采用一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（即PRR），移動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，而兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)則控制前后、左右運(yùn)動(dòng)。這種形式的工業(yè)機(jī)器人又稱（SCARA(Seletive Compliance Assembly Robot Arm)裝配機(jī)器人。在水平方向則具有柔順性，而在垂直方向則有教大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)的插接、裝配中應(yīng)用廣泛。

3.工業(yè)機(jī)器人按程序輸入方式區(qū)分有編程輸入型和示教輸入型兩類：

1）編程輸入型是將計(jì)算機(jī)上已編好的作業(yè)程序文件，通過RS232串口或者以太網(wǎng)等通信方式傳送到機(jī)器人控制柜。

2）示教輸入型的示教方法有兩種：示教盒示教和操作者直接領(lǐng)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)示教。

示教盒示教由操作者用手動(dòng)控制器（示教盒），將指令信號(hào)傳給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按要求的動(dòng)作順序和運(yùn)動(dòng)軌跡操演一遍。采用示教盒進(jìn)行示教的工業(yè)機(jī)器人使用比較普遍，一般的工業(yè)機(jī)器人均配置示教盒示教功能，但是對(duì)于工作軌跡復(fù)雜的情況，示教盒示教并不能達(dá)到理想的效果，例如用于復(fù)雜曲面的噴漆工作的噴漆機(jī)器人。

機(jī)器人示教盒

由操作者直接領(lǐng)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行示教，則是按要求的動(dòng)作順序和運(yùn)動(dòng)軌跡操演一遍。在示教過程的同時(shí)，工作程序的信息即自動(dòng)存入程序存儲(chǔ)器中在機(jī)器人自動(dòng)工作時(shí)，控制系統(tǒng)從程序存儲(chǔ)器中檢出相應(yīng)信息，將指令信號(hào)傳給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)再現(xiàn)示教的各種動(dòng)作。

六、工業(yè)機(jī)器人性能評(píng)判指標(biāo)

表示機(jī)器人特性的基本參數(shù)和性能指標(biāo)主要有工作空間、自由度、有效負(fù)載、運(yùn)動(dòng)精度、運(yùn)動(dòng)特性、動(dòng)態(tài)特性等。

1.工業(yè)機(jī)器人性能評(píng)判指標(biāo)

工作空間（Work space）工作空間是指機(jī)器人臂桿的特定部位在一定條件下所能到達(dá)空間的位置集合。工作空間的性狀和大小反映了機(jī)器人工作能力的大小。理解機(jī)器人的工作空間時(shí)，要注意以下幾點(diǎn)：

1)通常工業(yè)機(jī)器人說明書中表示的工作空間指的是手腕上機(jī)械接口坐標(biāo)系的原點(diǎn)在空間能達(dá)到的范圍，也即手腕端部法蘭的中心點(diǎn)在空間所能到達(dá)的范圍，而不是末端執(zhí)行器端點(diǎn)所能達(dá)到的范圍。因此，在設(shè)計(jì)和選用時(shí)，要注意安裝末端執(zhí)行器后，機(jī)器人實(shí)際所能達(dá)到的工作空間。

2)機(jī)器人說明書上提供的工作空間往往要小于運(yùn)動(dòng)學(xué)意義上的最大空間。這是因?yàn)樵诳蛇_(dá)空間中，手臂位姿不同時(shí)有效負(fù)載、允許達(dá)到的最大速度和最大加速度都不一樣，在臂桿最大位置允許的極限值通常要比其他位置的小些。此外，在機(jī)器人的最大可達(dá)空間邊界上可能存在自由度退化的問題，此時(shí)的位姿稱為奇異位形，而且在奇異位形周圍相當(dāng)大的范圍內(nèi)都會(huì)出現(xiàn)自由度進(jìn)化現(xiàn)象，這部分工作空間在機(jī)器人工作時(shí)都不能被利用。

3)除了在工作空間邊緣，實(shí)際應(yīng)用中的工業(yè)機(jī)器人還可能由于受到機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，在工作空間的內(nèi)部也存在著臂端不能達(dá)到的區(qū)域，這就是常說的空洞或空腔?？涨皇侵冈诠ぷ骺臻g內(nèi)臂端不能達(dá)到的完全封閉空間。而空洞是指在沿轉(zhuǎn)軸周圍全長(zhǎng)上臂端都不能達(dá)到的空間。

2.運(yùn)動(dòng)自由度是指機(jī)器人操作機(jī)在空間運(yùn)動(dòng)所需的變量數(shù)，用以表示機(jī)器人動(dòng)作靈活程度的參數(shù)，一般是以沿軸線移動(dòng)和繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目來表示。

自由物體在空間自六個(gè)自由度（三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和三個(gè)移動(dòng)自由度）。工業(yè)機(jī)器人往往是個(gè)開式連桿系，每個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副只有一個(gè)自由度，因此通常機(jī)器人的自由度數(shù)目就等于其關(guān)節(jié)數(shù)。機(jī)器人的自由度數(shù)目越多，功能就越強(qiáng)。日前工業(yè)機(jī)器人通常具有4—6個(gè)自由度。當(dāng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)數(shù)（自由度）增加到對(duì)末端執(zhí)行器的定向和定位不再起作用時(shí)，便出現(xiàn)了冗余自由度。冗余度的出現(xiàn)增加了機(jī)器人工作的靈活型，但也使控制變得更加復(fù)雜。

工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)方式上，總可以分為直線運(yùn)動(dòng)（簡(jiǎn)記為P）和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（簡(jiǎn)記為R）兩種，應(yīng)用簡(jiǎn)記符號(hào)P和R可以表示操作機(jī)運(yùn)動(dòng)自由度的特點(diǎn)，如RPRR表示機(jī)器人操作機(jī)具有四個(gè)自由度，從基座開始到臂端，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的方式依次為旋轉(zhuǎn)-直線-旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)。此外，工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度還有運(yùn)動(dòng)范圍的限制。

3.有效負(fù)載(Payload)

有效負(fù)載是指機(jī)器人操作機(jī)在工作時(shí)臂端可能搬運(yùn)的物體重量或所能承受的力或力矩，用以表示操作機(jī)的負(fù)荷能力。

機(jī)器人在不同位姿時(shí)，允許的最大可搬運(yùn)質(zhì)量是不同的，因此機(jī)器人的額定可搬運(yùn)質(zhì)量是指其臂桿在工作空間中任意位姿時(shí)腕關(guān)節(jié)端部都能搬運(yùn)的最大質(zhì)量。

4.運(yùn)動(dòng)精度(Accuracy)

機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的精度主要涉及位姿精度、重復(fù)位姿精度、軌跡精度、重復(fù)軌跡精度等。

位姿精度是指指令位姿和從同一方向接近該指令位姿時(shí)的實(shí)到位姿中心之間的偏差。重復(fù)位姿精度是指對(duì)同指令位姿從同一方向重復(fù)響應(yīng)n次后實(shí)到位姿的不一致程度。

軌跡精度是指機(jī)器人機(jī)械接口從同一方向n次跟隨指令軌跡的接近程度。軌跡重復(fù)精度是指對(duì)一給定軌跡在同方向跟隨n次后實(shí)到軌跡之間的不一致程度。

5.運(yùn)動(dòng)特性（Sped）

速度和加速度是表明機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性的主要指標(biāo)。在機(jī)器人說明書中，通常提供了主要運(yùn)動(dòng)自由度的最大穩(wěn)定速度，但在實(shí)際應(yīng)用中單純考慮最大穩(wěn)定速度是不夠的，還應(yīng)注意其最大允許加速度。

6.動(dòng)態(tài)特性結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)

主要包括質(zhì)量、慣性矩、剛度、阻尼系數(shù)、固有頻率和振動(dòng)模態(tài)。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡量減小質(zhì)量和慣量。對(duì)于機(jī)器人的剛度，若剛度差，機(jī)器人的位姿精度和系統(tǒng)固有頻率將下降，從而導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定；但對(duì)于某些作業(yè)（如裝配操作），適當(dāng)?shù)卦黾尤犴樞允怯欣模罾硐氲那闆r是希望機(jī)器人臂桿的剛度可調(diào)。增加系統(tǒng)的阻尼對(duì)于縮短振蕩的衰減時(shí)間、提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性是有利的。提高系統(tǒng)的固有頻率，避開工作頻率范圍，也有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

七、工業(yè)機(jī)器人面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

1、機(jī)器人市場(chǎng)外資占九成

機(jī)器人市場(chǎng)一片欣欣向榮，但是中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)卻不容樂觀。根據(jù)市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)大陸工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)為外商廠商所壟斷，日系品牌廠商占52%，歐洲廠商占30%，剩余約10%為中國(guó)大陸廠商。

由于機(jī)器人產(chǎn)業(yè)進(jìn)入門檻相當(dāng)高，因此全球機(jī)器人市場(chǎng)排名前四大廠商分別為日本發(fā)那科，安川電機(jī)、ABB與KUKA，合計(jì)達(dá)50%的市場(chǎng)占有率。

而另一方面，未來30年中國(guó)大陸工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)將至少保持30%以上的高速增長(zhǎng)。為此，全球品牌機(jī)器人大廠積極擴(kuò)大在中國(guó)大陸市場(chǎng)上的機(jī)器人業(yè)務(wù)銷售規(guī)模，包括發(fā)那科、安川電機(jī)、ABB與KUKA等均積極在中國(guó)大陸卡位、設(shè)廠。

目前中國(guó)大陸的工業(yè)機(jī)器人雖然產(chǎn)業(yè)化初步取得一些進(jìn)展，但由于在精度、速度等方面不如國(guó)外廠商同類產(chǎn)品，致使這些產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用程度較低，市場(chǎng)份額很?。灰恍┊a(chǎn)品的技術(shù)水平僅僅相當(dāng)于國(guó)外上世紀(jì)90年代中期的水平。

中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中心主任李曉佳表示，2013年中國(guó)購(gòu)買并組裝近3.7萬臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，其中外資機(jī)器人普遍以6軸或以上高端工業(yè)機(jī)器人為主，幾乎壟斷了汽車制造、焊接等高端行業(yè)領(lǐng)域，占比96%。而國(guó)產(chǎn)機(jī)器人主要應(yīng)用還是以搬運(yùn)和上下料機(jī)器人為主，處于行業(yè)的低端領(lǐng)域。

值得關(guān)注的是，目前我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展與國(guó)外差距有進(jìn)一步被拉大的風(fēng)險(xiǎn)。目前我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)總體上還處于起步階段，工業(yè)機(jī)器人缺乏品牌認(rèn)知度，最大的機(jī)器人企業(yè)年產(chǎn)機(jī)器人僅有幾千臺(tái)。隨著國(guó)外機(jī)器人企業(yè)紛紛將我國(guó)作為生產(chǎn)基地，自主品牌工業(yè)機(jī)器人企業(yè)發(fā)展空間將進(jìn)一步被壓縮。

同時(shí)，由于關(guān)鍵核心部件受制于人，產(chǎn)業(yè)空心化風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)大。工業(yè)機(jī)器人三大關(guān)鍵部件（電機(jī)和服務(wù)器、減速機(jī)、控制系統(tǒng)）主要來源于國(guó)外，中國(guó)大陸廠商相對(duì)缺乏具有競(jìng)爭(zhēng)力的研發(fā)制造能力，長(zhǎng)期依賴進(jìn)口。由于產(chǎn)業(yè)鏈上游無核心零部件制造商支撐，因此將長(zhǎng)期受制于人。

2、工業(yè)機(jī)器人面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

我們要清醒地看到中國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的巨大挑戰(zhàn)。

首先，機(jī)器人的頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)技術(shù)被發(fā)達(dá)國(guó)家控制，在機(jī)器人成本結(jié)構(gòu)中比重較大的減速機(jī)、伺服電機(jī)、控制器、數(shù)控系統(tǒng)都嚴(yán)重依賴進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人并不具備顯著成本優(yōu)勢(shì)。

其次，存在低端鎖定的風(fēng)險(xiǎn)。一方面，發(fā)達(dá)國(guó)家不會(huì)輕易向中國(guó)轉(zhuǎn)移或授權(quán)機(jī)器人核心技術(shù)、專利，中國(guó)機(jī)器人企業(yè)通過參與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定、技術(shù)合作研發(fā)進(jìn)入中高端市場(chǎng)的阻礙很多；另一方面，地方政府對(duì)產(chǎn)業(yè)的盲目投資可能形成過剩產(chǎn)能，導(dǎo)致重復(fù)建設(shè)和低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)。

再次，機(jī)器人研發(fā)、制造與應(yīng)用之間缺乏有效銜接。機(jī)器人相關(guān)技術(shù)研發(fā)領(lǐng)先的高校和院所并不具備市場(chǎng)開拓能力，而企業(yè)在基礎(chǔ)研發(fā)上的投入還非常低，國(guó)內(nèi)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合又存在諸多體制機(jī)制障礙，導(dǎo)致研發(fā)與制造環(huán)節(jié)脫節(jié)。

針對(duì)外資壟斷國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的現(xiàn)狀，專家建議，要通過多種途徑來尋求“突圍”和趕超：首先是要加強(qiáng)對(duì)國(guó)際機(jī)器人技術(shù)的跟蹤研究，制定出臺(tái)符合我國(guó)發(fā)展實(shí)際的“機(jī)器人技術(shù)路線圖”，明確技術(shù)發(fā)展的步驟、重點(diǎn)突破的關(guān)鍵核心技術(shù)、工藝與零部件以及產(chǎn)業(yè)化路徑。

其次，是要確立符合我國(guó)發(fā)展實(shí)際的機(jī)器人發(fā)展模式。加強(qiáng)行業(yè)細(xì)分領(lǐng)域的集成應(yīng)用，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合的集體攻關(guān)，重點(diǎn)突破關(guān)鍵核心部件，盡快形成機(jī)器人本體、關(guān)鍵零部件、系統(tǒng)集成商等機(jī)器人全產(chǎn)業(yè)鏈的整體推進(jìn)。

另外，要加快培育工業(yè)機(jī)器人龍頭企業(yè)和品牌。我國(guó)應(yīng)將培育與發(fā)展自主品牌工業(yè)機(jī)器人作為打造中國(guó)經(jīng)濟(jì)升級(jí)版的一項(xiàng)重要任務(wù)。出臺(tái)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)目錄，協(xié)同推進(jìn)開展工業(yè)機(jī)器人的國(guó)產(chǎn)化工作。

未來智能實(shí)驗(yàn)室的主要工作包括：建立AI智能系統(tǒng)智商評(píng)測(cè)體系，開展世界人工智能智商評(píng)測(cè)；開展互聯(lián)網(wǎng)（城市）云腦研究計(jì)劃，構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)（城市）云腦技術(shù)和企業(yè)圖譜，為提升企業(yè)，行業(yè)與城市的智能水平服務(wù)。

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