任务三 工业机器人发展史和发展趋势

【任务描述】

微课

工业机器人的发展现状

事物的完善离不开发展，只有不断地发展，纠错革新，才能不断进步。机器人也一样，也是历经了一代代的发展，才有了如今的成就。随着信息技术的发展，机器人将来还会不断地更新换代。本任务就来探索一下工业机器人的发展史以及未来的发展方向。

【任务学习】

一、工业机器人发展史

1. 国外工业机器人发展史

第二次世界大战期间，美国原子能委员会的阿尔贡研究所研制了“遥控机械手”，用于代替人生产和处理放射性材料。1948年，人们对这种较简单的机械装置进行改进，开发出了一套机械结构相似的主、从机械手。主机械手位于控制室内，从机械手与主机械手之间隔了一道透明的防辐射墙。操作者用手操纵主机械手，控制系统自动检测主机械手的运动状态，并控制从机械手跟随主机械手运动，从而实现远距离处理放射性材料，提高了核工业生产的安全性。如图1-6所示，20世纪50年代Raymond C. Goertz使用电动机械操作机器人（主从式遥控机械手）处理放射性物质。

1952年，美国麻省理工学院（MIT）受美国空军委托成功开发了第一代数控（CNC）机床——一台直线插补连续控制的三坐标立式数控铣床，并进行了与CNC机床相关的控制技术及机械零部件的研究，为机器人的开发奠定了技术基础。该数控机床使用的电子器件是电子管。该数控机床产生和发展的基础是微电子技术、自动信息处理技术、数据处理技术、电子计算机技术等，它的诞生推动了机械制造自动化技术的发展。

1956年，一个地地道道的科幻迷、物理学家约瑟·英格伯格（Joe Engelberger）遇到了发明家乔治·德沃尔（George Devol），他们创立了美国万能自动化公司（Unimation），制造出了液压驱动的通用机械手Unimate，如图1-7所示。它是世界上第一代工业机器人。1961年，第一台工业机器人在美国通用汽车公司（GM）生产线上投入使用，主要用于从一个压铸机上把零件拔出来。随后几年卖出的通用机械手被用于车体的零部件操作和点焊。许多公司看到机器人能可靠工作并保证质量，也很快开始开发和制造工业机器人。20世纪50年代是机器人的萌芽期，其概念是一个空间机构组成的机械臂，一个可重复编程动作的机器。

20世纪60年代，随着传感技术和工业自动化的发展，工业机器人进入成长期，机器人开始向实用化发展，并被用于焊接和喷涂作业中。1960年，美国机床与铸造公司（AMF）生产了一台名为Versation的圆柱坐标型的数控自动机械，并以Industrial Robot（工业机器人）的名称进行宣传，如图1-8所示。

1968年，美国通用汽车公司（GM）订购了68台工业机器人；1969年该公司又自行研制出SAM型工业机器人，并用21台工业机器人组成了点焊小汽车车身的焊接自动线。维克多·施恩曼（Victor Scheinman）设计出了“斯坦福手臂”，对今后的机器人设计产生了巨大影响。“斯坦福手臂”有6个自由度，全部电气化，由一台标准计算机控制，驱动系统由直流电动机、谐波驱动器和直齿轮减速器、电位器和用于位置速度反馈的转速表组成。

此时，日本的工业机器人研究刚起步。1967年，丰田纺织自动化公司购买了第一台Unimate机器人；1968年，川崎重工业公司从美国引进Unimate机器人生产技术，对其进行不断的研究、仿制、改进、创新，开发了日本第一台工业机器人——Kawasaki-Unimate2000机器人，如图1-9所示。

20世纪70年代，随着计算机和人工智能的发展，机器人进入实用化时代。ASEA公司（现在的ABB）推出了第一台微型计算机控制、全部电气化的工业机器人IRB-6，它可以进行连续的路径移动，被迅速地运用到汽车的焊接和装卸中。据报道，这种设计使机器人的使用寿命高达20年。IRB-6机器人如图1-10所示。日本的工业机器人研究虽起步较晚，但其结合国情，采取了一系列鼓励中小企业使用机器人的措施。1970年7月，东京举办了世界上第一届机器人展览会，100多家公司推出了自己制作的机器人样板，日本机器人工业的发展速度和规模令世界惊叹。1973年，日本山梨大学的Hiroshi Makino开发出一种可选择柔顺装配机械手，极大地促进了世界范围内高容量电子产品和消费品的发展，如图1-11所示。

1974年，辛辛那提·米拉克龙（Cincinnati Milacron）推出了第一台微处理器控制机器人——T3（未来工具）机器人，它使用液压驱动，后来被电动机驱动替代，如图1-12所示。1979年，Unimation公司推出了六轴的、近似人手臂的PUMA（Programmable Universal Machine for Assembly），它是当时最流行的手臂之一，且在之后许多年中都是机器人研究的参考对象，如图1-13所示。

20世纪80年代，机器人发展成为具有各种移动机构、通过传感器控制的机器。工业机器人进入普及时代，开始在汽车、电子等行业得到大量使用。此时，日本成为应用工业机器人最多的国家，赢得了“机器人王国”的美誉，并正式把1980年定为工业机器人的普及元年。

20世纪90年代初期，工业机器人的生产与需求进入了高潮期，1991年年底，世界上已有53万台工业机器人工作在各条生产线上。

1998年，Gudel公司提出了一种有刻痕的桶架结构，让机器人手臂在一个封闭的转移系统中循迹并循环运动。如图1-14所示，这种悬挂式机械臂是弯曲门架的传输系统，在一个闭环传输系统中一个或多个机械臂用作承运装置。这个系统可以在弯曲门架中安装，也可以作为一个走廊支撑系统。一个信号总线能完成多个机器人的控制和协同。

21世纪，工业机器人进入了商品化和实用化阶段。2005年安川电机（简称安川）推出了第一个商用的同步双臂操作机器人，如图1-15所示。2006年，库卡（KUKA）公司开发了一款拥有先进控制能力的轻型7自由度机械臂，它可实现机械臂自重与负载比为1:1，如图1-16所示。另一个能达到轻质量且结构坚固的方法是20世纪80年代开始就一直被探索的，即并联结构机器人。这些机器人通过2个或2个以上的并联支架将末端执行器与机器人基本平台相连。最初，Clavel提出了4轴机器人，用于高速抓取和放置任务，加速度可达到10g。

与此同时，工业机器人自动导航搬运车（AGVs）诞生了，例如图1-17所示的自主式叉车。近几年，亚马逊仓库使用了KIVA机器人（见图1-18），它的长和宽均不到1m，但能顶起1t的货物，可以通过摄像头和货架上的条形码进行准确定位。机器人颠覆了传统的仓库运行模式，即将“人去找货”变成了“货去找人”的模式，让仓库“自己会说话”。KIVA机器人每年为亚马逊节约9亿美元。

截至2007年，工业机器人的平均单价是1990年同等机器人价格的1/3。同时机器人的性能得到了显著的改善；出现了多机器人协同工作；机器人更多地采用视觉系统识别、定位和控制物体；机器人使用现场总线和以太网进行网络连接，实现了更好的机器人集成系统的控制、配置和维护。汽车生产厂商在生产线上应用了大量机器人，如图1-19所示。

近年来，全球工业机器人行业保持快速发展，数据显示（见图1-20）2016年全球工业机器人销量29.4万台，同比增长约16%，2013年以来年平均增速16.8%。日本和欧洲是全球工业机器人市场的两大主角，并且实现了传感器、控制器、精密减速机等核心零部件完全自主化。ABB、库卡（KUKA）、发那科（FANUC）、安川电机（YASKAWA）4家生产商占据着工业机器人主要的市场份额。

2. 我国工业机器人发展史

我国工业机器人研究开始于20世纪70年代，但由于基础条件薄弱、关键技术与部件不配套、市场应用不足等原因，未能形成真正的产品。随着世界机器人技术的发展和市场的形成，我国在机器人科学研究、技术开发和应用工程等方面取得了可喜的进步。20世纪80年代中期，在国家科技攻关项目的支持下，我国工业机器人研究开发进入了一个新阶段，形成了我国工业机器人发展的一次高潮，高校和科研单位全面开展工业机器人的研究。以焊接、装配、喷漆、搬运等工作为主的工业机器人，以交流伺服驱动器、谐波减速器、薄壁轴承为代表的零部件，以及机器人本体设计制造技术、控制技术、系统集成技术和应用技术都取得了显著成果，如图1-21所示。

从20世纪80年代末到90年代，国家863计划把机器人列为自动化领域的重要研究课题，系统地开展了机器人基础科学、关键技术与机器人零部件、目标产品、先进机器人系统集成技术的研究及机器人在自动化工程上的应用。在工业机器人选型方面，确定了以开发点焊机器人、弧焊机器人、喷漆机器人、装配机器人、搬运机器人等为主，并开发了水下机器人、自动引导车（AGV）、爬壁机器人、擦窗机器人、管内移动作业机器人、混凝土喷射机器人、隧道凿岩机器人、微操作机器人、服务机器人、农林业机器人等特种机器人，如图1-22（a）、（b）所示。同时完成了汽车车身点焊、后桥壳弧焊，摩托车车架焊接，机器人化立体仓库［见图1-22（c）］等一批机器人自动化应用工程。这是我国机器人事业从研制到应用迈出的重要一步。

一批从事机器人研究、开发、应用的人才和队伍在实践中成长、壮大，一批以机器人为主业的产业化基地已经破土而出，如中国科学院沈阳自动化研究所的沈阳新松机器人自动化股份有限公司（简称沈阳新松机器人）、哈尔滨工业大学的博实研究院、北京机械工业自动化研究所机器人开发中心和青岛海尔机器人有限公司等。

机器人产业从无到有，由弱变强，实现了跨越式发展。过去几年中，我国机器人市场发展迅猛，是全球增长最快也是最大的需求市场。2016年我国工业机器人销量8.7万台，同比增长26.8%，比全球增速快，占全球销量的30%。2017年我国工业机器人年销量11.1万台，同比增长27.59%，增速连续3年提高，如图1-23所示。

2012年至今的上海，中国国际工业博览会的工业自动化展中的工业机器人展更是引人注目，惊艳四方。除了有ABB、FANUC、KUKA、史陶比尔、爱普生（EPSON）、广州数控和雅马哈（YAMAHA）等企业，还有中国机器人产业领跑者——沈阳新松机器人，拥有全球领先机器人产品的日本那智不二越，以及引领国内外产业用机器人市场的安川电机等。同时，如日本车乐美机械设备，德国斯图加特机器人，中国江阴纳尔捷机器人、埃夫特智能装备和南京埃斯顿机器人等都亮相展会。日本机器人四大家族齐聚首，展示自家最新产品和技术，我国国内厂家也争相角逐，展会现场热闹火爆。搬运机器人、焊接机器人和喷涂机器人等充分展示了工业机器人在汽车、电子、食品包装和医疗等各行业的运用。此外工业机器人还展示了它们的绘画、写字与雕刻等特长。

国际机器人联合会（IFR）公布的《2016年全球机器人行业发展报告》显示，自2013年以来，中国已经连续五年成为全球第一大机器人消费国，但产业大而不强，工业机器人还处在产业化的初期阶段，外资品牌占有绝大部分的市场。在应用的可靠性和性价比上，自主品牌与国际品牌相比均处于劣势。根据统计，2016年以工业机器人四大家族ABB、KUKA、安川电机、FANUC为首的外企品牌占中国机器人行业57%的市场份额，如图1-24所示。然而，国内机器人企业正以强劲态势抢占市场份额。2013——2016年，中国本土品牌工业机器人所占份额已经从25%上升到31%。

专家认为，造成这一状况的主要原因是我国机器人核心技术缺失。精密减速器、控制器、伺服系统以及高性能驱动器等机器人核心零部件大部分依赖进口，而这些零部件占到整体生产成本的70%以上。其中，精密减速器75%的份额被日本垄断，国内企业高价购买所造成的成本即占总生产成本的45%，而在日本仅为25%，我国采购核心零部件的成本就已高于国外同款机器人的整体成本，因此在高端机器人市场上根本无法与国外品牌竞争。以RV减速器为例，中国申请人申请的专利仅26件，且有效专利只有13件，发明专利只有2件；国外申请人在我国申请了专利47件，其中有效的26件全部是发明专利，而且，我国企业申请的专利都不属于核心技术。

二、工业机器人发展趋势

未来如果机器人能更容易安装，能与其他制造单元集成和编程，尤其具备自适应感知和自动纠错恢复能力，那么其可行的应用范围将被大大地拓宽。从近几年世界上推出的机器人产品来看，工业机器人技术的发展趋势主要为：结构模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化等方面。同时随着计算机技术不断向智能化方向发展、机器人应用领域的不断扩展和深化，以及在系统（FMS、CIMS）中的群体应用，工业机器人也在不断向智能化方向发展，以适应“敏捷制造”，满足多样化、个性化的需要，并适应多变的非结构环境作业，向非制造领域进军。

2018年8月16日《中国机器人产业发展报告（2018）》正式发布，报告中指出：2018年，机器人的全球市场规模达298.2亿美元，2013——2018年平均增长率为15.1%，其中，工业机器人为168.2亿美元，服务机器人为92.5亿美元，特种机器人为37.5亿美元，其结构比例如图1-25所示。

报告中还指出：2018年，机器人在中国的市场规模达87.4亿美元，2013——2018年平均增长率为29.7%，其中，工业机器人为62.3亿美元，服务机器人为18.4亿美元，特种机器人为6.7亿美元，其结构比例如图1-26所示。

展望未来中国工业机器人的发展，标准化的过程是发展趋势。中国制造业面临着向高端转变，承接国际先进制造、参与国际分工的巨大挑战。加快工业机器人技术的研究开发与生产是中国抓住这个历史机遇的主要途径。伴随移动互联网、物联网的发展，多传感器、分布式控制的精密型工业机器人将会越来越多，逐步渗透制造业的方方面面，并且由制造实施型向服务型转化。未来我国工业机器人的大范围应用将会集中在广东、江苏、上海、北京等地，其工业机器人拥有量将占全国一半以上。

日益增长的工业机器人市场以及巨大的市场潜力吸引着世界著名机器人生产厂家的目光。当前，我国进口的工业机器人主要来自日本，但是随着具有自有知识产权的企业不断出现，越来越多的工业机器人将会由中国制造。

【思考与练习】

1. 简述国外工业机器人的发展历程。

2. 简述我国工业机器人的发展历程。

3. 工业机器人的发展方向是什么？