1、工業(yè)機器人研究開發(fā)及工程應(yīng)用第一完成單位：沈陽自動化研究所獲獎獎種：國家科技進(jìn)步獎獲獎時間：2000獲獎等級： 內(nèi)容簡介：沈陽自動化所經(jīng)過十年的研究開發(fā)，掌握了機器人大型工程設(shè)計開發(fā)的 技術(shù)，結(jié)束了我國在這方面長期依賴國外設(shè)計公司的歷史。初步形成了機器 人技術(shù)研究開發(fā)、生產(chǎn)制造、性能測試、工程應(yīng)用、售后服務(wù)和市場開拓的 完整體系，成為國家唯一的機器人中心和機器人研究、開發(fā)及應(yīng)用基地。本 成果通過科技人員創(chuàng)新性的研究開發(fā)，攻克了高性能的機器人控制、操作機 優(yōu)化設(shè)計、機器人作業(yè)技術(shù)以及工程應(yīng)用中的一系列關(guān)鍵技術(shù)難題。建立了 開放式、模塊化機器人控制體系結(jié)構(gòu)，解決了機器人多軸協(xié)調(diào)控制問題，掌 握了機

2、器人操作機的優(yōu)化設(shè)計和多種分析方法。同時在多機器人協(xié)調(diào)、通訊 和傳感控制及快捷示教等方面皆取得了重大進(jìn)展，開發(fā)出了具有自主版權(quán)和 高性能的機器人控制器和機器人操作機，并形成了系列產(chǎn)品和一定批量的生 產(chǎn)能力，填補了國家空白。同時建立健全了性能測試和質(zhì)量保障體系，形成 了機器人研究開發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)制造、性能測試、質(zhì)量保證、工程應(yīng)用 售后服務(wù)和市場開拓的完整體系，使我國機器人技術(shù)的研究、開發(fā)及應(yīng)用步入世界先進(jìn)行列。變形機器人越障實驗樓梯6000米水下機器人 CR01 在太平洋海域執(zhí)行使命北極 ARV 試驗應(yīng)用反恐防暴機器人全自動激光拼焊生產(chǎn)線水陸兩棲蛇形機器人現(xiàn)場總線分布式控制系統(tǒng) NCS400

3、02011年我國新裝各類工業(yè)機器人 9500 臺2011 年將達(dá)到年產(chǎn)量 134 ，100 臺的水預(yù)計我國將在 2011 年新安裝各類工業(yè)機隨著新興領(lǐng)域的不斷發(fā)展，推動了機器人裝備量的上升。至 平。無論是服務(wù)機器人還是工業(yè)機器人， 對我國的經(jīng)濟(jì)所做出的貢獻(xiàn)是可想而知的。 隨著我國的建筑業(yè)、 采礦業(yè)、 鐵路和公共建設(shè)、 水力工程建設(shè)和工程機械、 建筑機械等其他制造行業(yè)的規(guī)模擴(kuò)大和技術(shù)升級 也將對工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)起到推動作用。 建筑工程機械的結(jié)構(gòu)件多為焊接件， 通過工業(yè)機器人焊接可提高 焊接質(zhì)量和效率，滿足市場的需求。預(yù)計未來幾年我國工業(yè)機器人仍將保持穩(wěn)定的增長勢頭。器人 9，500 臺，市場保有量

4、將達(dá)到 48 ，600 臺。工業(yè)機器人技術(shù)特點1）技術(shù)先進(jìn)工業(yè)機器人集精密化、柔性化、智能化、軟件應(yīng)用開發(fā)等先進(jìn)制造技術(shù)于一體，通過對過程實施檢測、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，實現(xiàn)增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低成本、減少資源 消耗和環(huán)境污染，是工業(yè)自動化水平的最高體現(xiàn)。2 ）技術(shù)升級工業(yè)機器人與自動化成套裝備具備精細(xì)制造、精細(xì)加工以及柔性生產(chǎn)等技術(shù)特點，是繼動力機械、計算機之后，出現(xiàn)的全面延伸人的體力和智力的新一代生產(chǎn)工具，是實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)字化、 自動化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化的重要手段。3）應(yīng)用領(lǐng)域廣泛工業(yè)機器人與自動化成套裝備是生產(chǎn)過程的關(guān)鍵設(shè)備，可用于制造、安裝、檢測、物流等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并廣泛應(yīng)用于汽車

5、整車及汽車零部件、工程機械、軌道交通、低壓電器、電力、IC 裝備、軍工、煙草、金融、醫(yī)藥、冶金及印刷出版等眾多行業(yè)，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。4 )技術(shù)綜合性強工業(yè)機器人與自動化成套技術(shù)，集中并融合了多項學(xué)科，涉及多項技術(shù)領(lǐng)域，包括工業(yè)機器人控制技術(shù)、機器人動力學(xué)及仿真、 機器人構(gòu)建有限元分析、 激光加工技術(shù)、 模塊化程序 設(shè)計、智能測量、建模加工一體化、工廠自動化以及精細(xì)物流等先進(jìn)制造技術(shù)，技術(shù)綜合性強。工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)(FMS) 、自動于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。自從 1962 年美國研制出世界上第一臺工 業(yè)機

6、器人以來，機器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快，已成為柔性制造系統(tǒng) 化工廠 (FA) 、計算機集成制造系統(tǒng) (CIMS) 的自動化工具。廣泛采用工業(yè)機器人，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善 勞動環(huán)境，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本， 有著十分重要的意義。和計算機、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，工業(yè)機器人的廣泛應(yīng)用正在日益 改變著人類的生產(chǎn)和生活方式。、工業(yè)機器人技術(shù)現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展的趨勢 工業(yè)機器人是最典型的機電一體化數(shù)字化裝備，技術(shù)附加值很高，應(yīng)用范圍很廣， 作為先進(jìn)制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會的新興產(chǎn)業(yè)，將對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展起 著越來越重要的作用。國外專家預(yù)測，機

7、器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計算機之后出現(xiàn)的一 種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會 (UNECE) 和國際機器人聯(lián)合會(IFR) 的統(tǒng)計，世界機器人市場前景看好， 從 20 世紀(jì)下半葉起， 世界機器人產(chǎn)業(yè)一 直保持著穩(wěn)步增長的良好勢頭。進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代，機器人產(chǎn)品發(fā)展速度加快， 年增長率平均在 10 左右。 2004 年增長率達(dá)到創(chuàng)記錄的 20 。其中，亞洲機器 人增長幅度最為突出，高達(dá) 43% ，如圖 1 所示。各區(qū)域用戶工業(yè)機器人定購指數(shù)（以 1996 年作為 100 ）國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：1 工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可 * 性、便于操作和

8、維修）， 而單機價格不斷下降，平均單機價格從 91 年的 10 3 萬美元降至 97 年的 6 5 萬美元。2 機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、 檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機；國外已 有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。3 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、 網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng) 的可* 性、易操作性和可維修性。4 機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感 器外， 裝配、 焊接機器人還應(yīng)用了視覺、 力覺等傳感器， 而遙控

9、機器人則采用視覺、 聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融 合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。5 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、 預(yù)演發(fā)展到用于過程控制， 如使 遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。我國的工業(yè)機器人從 80 年代“七五 ”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過七五”、 “八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制 系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、 運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)， 生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件， 開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有 130 多臺套噴漆機器人在 二十余家企業(yè)的近

10、 30 條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人已應(yīng) 用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的 水平和國外比還有一定的距離，如：可 * 性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)用工程起步較 晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的 國產(chǎn)工業(yè)機器人約 200 臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。 以上原因主要是沒有 形成機器人產(chǎn)業(yè)， 當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求， “一客戶， 一次重新設(shè) 計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且 質(zhì)量、可 * 性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行

11、全面 規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模化設(shè)計，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。二、工業(yè)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域日漸廣泛經(jīng)過四十多年的發(fā)展，工業(yè)機器人已在越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在制造業(yè) 中，尤其是在汽車產(chǎn)業(yè)中，工業(yè)機器人得到了廣泛的應(yīng)用。 如在毛坯制造 ( 沖壓、壓 鑄、鍛造等 ) 、機械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆 垛等作業(yè)中，機器人都已逐步取代了人工作業(yè)。隨著工業(yè)機器人向更深更廣方向的發(fā)展以及機器人智能化水平的提高，機器人 的應(yīng)用范周還在不斷地擴(kuò)大，已從汽車制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，進(jìn)而推廣到諸如此外，采礦機器人、 建筑業(yè)機器人以及水電系統(tǒng)維護(hù)維修機器人等各種非制造行業(yè)。在國防軍事、醫(yī)

12、療衛(wèi)生、生活服務(wù)等領(lǐng)域機器人的應(yīng)用也越來越多，如無人偵察機(飛行器 )、警備機器人、醫(yī)療機器人、家政服務(wù)機器人等均有應(yīng)用實例。機器人正在為提高人類的生活質(zhì)量發(fā)揮著重要的作用。三、國內(nèi)外主要的工業(yè)機器人生產(chǎn)廠商在國外， 工業(yè)機器人技術(shù)日趨成熟， 已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備被工業(yè)界廣泛應(yīng)用。從而，相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業(yè)機器人公司，它們包括：瑞典的ABBRobotics ，日本的 FANUC 、 Yaskawa ，德國的 KUKARoboter ，美國的AdeptTechnologyAmericanRobotEmersonIndustrialAutomationS-TRobotics ，

13、意 大 利 COMAU ， 英 國 的 AutoTechRobotics ， 加 拿 大 的JcdInternationalRobotics ，以色列的 RobogroupTek 公司，這些公司已經(jīng)成為 其所在地區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè)。在國內(nèi)，工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)剛剛起步，但增長的勢頭非常 強勁。如中國科學(xué)院沈陽自動化所投資組建的新松機器人公司， 年利潤增長在 40%左右。四、工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢工業(yè)機器人在許多生產(chǎn)領(lǐng)域的使用實踐證明，它在提高生產(chǎn)自動化水平，提高 勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)效益，改善工人勞動條件等方面，有著令世人矚目 的作用，引起了世界各國和社會各層人士的廣泛關(guān)注。在新的世紀(jì)，機器人工業(yè)

14、必 將得到更加快速的發(fā)展和更加廣泛的應(yīng)用。1 、工業(yè)機器人的技術(shù)發(fā)展趨勢從近幾年世界機器人推出的產(chǎn)品來看，工業(yè)機器人技術(shù)正在向智能化、模塊化 和系統(tǒng)化的方向發(fā)展，其發(fā)展趨勢主要為：結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化；控制技術(shù)的 開放化、 PC 化和網(wǎng)絡(luò)化；伺服驅(qū)動技術(shù)的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術(shù)的 實用化；工作環(huán)境設(shè)計的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面。2 、工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢據(jù) UNECE/IFR 預(yù)測，至 2007 年，全球新安裝裝機器人的數(shù)量將從 2003 年 的 81800 套增至 2007 年的 106000 套，年平均增長 7% 。其中，日本 2003-2007年工

15、業(yè)機器人的銷售將從 2003 年的 31600 增長至 2007 年的 41000 套；歐洲2003-2007 年工業(yè)機器人將從 2003 年的 27100 套增長至 2007 年的 34000 套； 北美 2003-2007 年工業(yè)機器人市場每年平均增長 5.8% ，至 2007 年將增長到16000 套。五、工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式的探討縱觀世界各國在發(fā)展工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)過程，可歸納為三種不同的發(fā)展模式，即 日本模式、歐洲模式和美國模式：1 、日本模式此種模式的特點是：各司其職，分層面完成交鑰匙工程。即機器人制造廠商以 開發(fā)新型機器人和批量生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品為主要目標(biāo)，并由其子公司或社會上的工程公

16、司來設(shè)計制造各行業(yè)所需要的機器人成套系統(tǒng)，并完成交鑰匙工程；2 、歐洲模式此種模式的特點是：一攬子交鑰匙工程。即機器人的生產(chǎn)和用戶所需要的系統(tǒng) 設(shè)計制造，全部由機器人制造廠商自己完成；3 、美國模式此種模式的特點是：采購與成套設(shè)計相結(jié)合。美國國內(nèi)基本上不生產(chǎn)普通的工 業(yè)機器人，企業(yè)需要時機器人通常由工程公司進(jìn)口，再自行設(shè)計、制造配套的外圍 設(shè)備，完成交鑰匙工程。我國從上世紀(jì) 80 年代開始在高校和科研單位全面開展工業(yè)機器人的研究，近20 年來取得不少的科研成果。但是由于沒有和企業(yè)有機地進(jìn)行聯(lián)合，至今仍未形 成具有影響力的產(chǎn)品和有規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。目前國內(nèi)除了一家以組裝為主的中日合資的 機器人公司外，

17、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機器人尚停留在高校或科研單位組織的零 星生產(chǎn)，未能形成氣候。近 10 年來，進(jìn)口機器人的價格大幅度降低，對我國工業(yè) 機器人的發(fā)展造成了一定的影響，特別是我國自行制造的普通工業(yè)機器人在價格上 根本無法與之競爭。特別是我國在研制機器人的初期，沒有同步發(fā)展相應(yīng)的零部件 產(chǎn)業(yè)，使得國內(nèi)企業(yè)在生產(chǎn)的機器人過程中，只能依賴配套進(jìn)口的零部件，更削弱 了我國企業(yè)的價格競爭力。中國的機器人產(chǎn)業(yè)應(yīng)走什么道路，如何建立自己的發(fā)展模式，確實值得探討。中國工程院在 2003 年 12 月完成并公開的我國制造業(yè)焊接生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略 研究總結(jié)報告 中認(rèn)為，我國應(yīng)從 “美國模式 ”著手，在條件成熟后逐

18、步向 “日本模式 ”A4、廠靠近。六、機器人在我國的前景應(yīng)該說中國是最需要又最不需要機器人的國家。中國人口眾多，勞動力資源豐富且廉價，從這一層面說用一個貴而笨重的機器人還不如雇一個人來的便宜，但是 我國要做世界強國就必須用最少的資源作更多的事，我們的企業(yè)必須盡可能的采用 高新技術(shù)來更高效率的生產(chǎn)，以高競爭力取勝，這就需要很多的機器人，人是沒有 機器人那樣的精確率，準(zhǔn)確率和高效率的。可能會有人失業(yè)，但創(chuàng)造的就業(yè)機會更 多，社會所得的利益會更多。我相信在不久將來，機器人產(chǎn)業(yè)會如同汽車一樣成為 國家的經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)， 美國是 “汽車上的國度 ”，中國可以成為 “站在機器人肩膀上的 國家”。七、機器人發(fā)

19、展的希望與困難機器人技術(shù)是高技術(shù)的重要組成部分，其產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程在我國剛剛起步，雖然取得了一定的成績， 但仍然存在很多困難和不足，因此更需要多方面的關(guān)心和支持。國家政策支持，是加速高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要前提。根據(jù)我國政府有關(guān)部門應(yīng) 組織力量進(jìn)行充分地調(diào)查研究，在此基礎(chǔ)上，制定切實可行的推廣、應(yīng)用機器人和 促進(jìn)機器人研究開發(fā)的傾斜政策。如在稅收、投資和貸款方面對機器人產(chǎn)業(yè)實行扶 持政策。日本政府通過制定政策，采取一系列措施鼓勵企業(yè)應(yīng)用機器人，為日本機 器人在國內(nèi)開拓市場的經(jīng)驗值得我們借鑒。另外，對機器人用戶，可以考慮給予 定的資金補貼，以鼓勵購買為了避免危險惡劣的工作環(huán)境導(dǎo)致的工傷事故和職業(yè)病，保護(hù)

20、工人的身心安全，對一些特殊工種，如噴涂，鑄造等通過勞動法強制采用工業(yè)機器人來代替這樣可以大大增加工業(yè)機器人的需求數(shù)量。我國的機器人產(chǎn)業(yè)化必須由市場來拉動。機器人作為高技術(shù)，它的發(fā)展與社會的生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)狀況密切相關(guān)。機器人的研制、開發(fā)只有從技術(shù)上實現(xiàn)可能性大為原則選擇機器人優(yōu)先應(yīng)用的領(lǐng)域， 并以此為突破口， 向其他領(lǐng)域滲透、 擴(kuò)散至為重要。我國機器的應(yīng)用人要順利走上市場， 實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化， 還是需要各方面的共同努力。工業(yè)機器人市場亞洲增長最快隨著各應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品加工精度要求的提高，焊接、切割等生產(chǎn)環(huán)節(jié)逐步由機器人代替手工操作，再加上人們對工作環(huán)境要求的提高，高危、有毒等惡劣條件的工作需要由機器人逐步替代

21、，增加了對機器人產(chǎn)品的市場需求。IFR 預(yù)計，我國未來幾年每年的市場規(guī)模將有 5-7 億美元，即 40 億人民幣以上。2010 年開始恢復(fù)性增長。從全球范圍來講，由于金融危機的影響，2009 年運行中的工業(yè)機器人比 2008 年下降了 0.5%，但這一狀況將隨著經(jīng)濟(jì)的恢復(fù)而得到改善。國際機器人聯(lián)合會 (IFR) 預(yù)計，全球運行中的工業(yè)機器人將從 2009 年的 103.1 萬臺提高到 2011 年的 105.7 萬臺，增長 2.5%。隨著經(jīng)濟(jì)逐步恢復(fù)，全世界每年新安裝的工業(yè)機器人數(shù)量將逐步接近2005-2008 年的高峰期。預(yù)計 2009和 2012年每年分別增加 6.8 萬臺和 10.4 萬

22、臺。到 2012年，全球每年新安裝工業(yè)機器人將達(dá)到 10.4 萬臺。按照每臺平均 7 萬美元計算，估計全球每年工業(yè)機器人的市場規(guī)模在 70 億美元以上。據(jù)悉，截止到 2009 年底，美國運行中的工業(yè)機器人大約有 19.4 萬臺。日本運行中的工業(yè)機器人為 339800 臺，德國、韓國、意大利、中國和印度分別為 145800 臺、79300臺、 62900臺、 36800臺和 4200臺。日本工業(yè)機器人運行數(shù)量高居榜首，我國數(shù)量僅為其 10.8%。2011 年，機器人與自動化行業(yè)的制造商不僅在其主要市場（中國、韓國和東盟）顯 示了巨大的發(fā)展?jié)摿Γ以谧詣踊占奥瘦^低的北美以及中東歐國家仍然存在潛

23、 在的需求。德國REIS機器人集團(tuán)常務(wù)董事、德國機械設(shè)備制造業(yè)聯(lián)合會（VDM）機器人與自動化協(xié)會主席邁克爾文策爾博士表示： “汽車行業(yè)也會進(jìn)一步在新技術(shù)上投資，并 使用高新材料。這就需要大量的生產(chǎn)設(shè)備，或者更新現(xiàn)有設(shè)備。 ” 文策爾博士介紹， 2010年，機器人制造商的營業(yè)額總計 20 億歐元，同比增長 24%。2011年的營業(yè)額預(yù)計增長至少 10%，達(dá)到 22億歐元。除了汽車行業(yè)， 2010年，在德國市場，食品行業(yè)顯著增加了機器人的利用。機器人制造商認(rèn)為，在藥品和化妝 品行業(yè)和塑料行業(yè)，機器人的投資潛力巨大。據(jù)了解，從 2005 年開始，全球工業(yè)機器人需求量保持在一個很高的水準(zhǔn)，原因有/ 塑料制造兩個：一是為了增加產(chǎn)量和提高市場份額，