工业机器人发展与需求的挑战

工业机器人技术在不断进步，据已有的统计，仅在1991—2000年的十年时间里，工业机器人的重复定位精度提高了61%，负载能力提高了26%，速度提高了39%，平均故障间隔提高了137%，可控轴数提高了45%，而价格下降了43%。近年来，有的企业已提出机器人终身免维护的广告，可控轴数已可以完全满足实际需要。

同时，机器人技术不断向相关领域转移，如在工程机械上采用的类机器人控制，大大改进了机器的性能。

1.不尽如人意之处

作为一个灵活的加工设备，工业机器人得到了广泛的应用。面对现实的应用要求，也暴露了很多不尽人意的能力局限，这也同时形成了改进的目标。

世界上在役的一百多万台工业机器人，主要应用于汽车和电子行业。这类行业的特点是制造成本比较高，生产批量比较大。这种应用的特点也反映了工业机器人应用的局限性：一是价格贵，不仅单台机器人比较贵，为应用机器人必须具有的附加设备即周边装置也贵，它们一般是机器人价格的3～5倍；另外，机器人的使用和维护，要求技术人员水平比较高，人员的费用也贵。二是不灵活，如果机器人更换工作任务，则必须进行费时而复杂的工作，工作程序编制复杂，这反映机器人的人机交互手段有待提高；机器人更换工作位置更困难，主要是工业机器人移动困难，标定复杂，使得机器人很难变更工作位置。

航空业是现有行业中非常需要应用机器人的领域。但由于飞机外形的可变性和现有机器人精确度不足，使得现有的工业机器人不能满足要求。而飞机制造业的装配和质量检测工作自动化水平仍然很低，需要具有更高精确度、对于工件公差自适应性强、能适应不同的产品、能安全与人合作的机器人。

面对大型的工作对象，如在建筑、造桥、造船、火车、电站等领域，对大型钢梁切割、钻孔、打磨、焊接等作业也都需要机器人，而现在的工业机器人并不适用。

大量的装配工作也等待机器人去完成，但由于机器人的精度和适应性不足，难以胜任。

随着环境保护和节约材料的需求的提高，拆卸将成为一个新的行业。如拆卸报废的车辆、飞机、冰箱、洗衣机等及其他消费品。完全自动化几乎不可能，但完全由人来干，不仅效率低，而且可能有害人体健康。因此，使用机器人放大工人体力，与人分工、协作，将是完美的解决方案。

纳米技术和生物工程的发展为机器人技术的发展提供了新的可能和支持，同时也提出了新的要求。微纳米尺度的机器人的研究将为机器人的应用开创新的未来，同时，能在纳米尺度操作的机器人将为纳米技术和生物工程提供必要的手段，从而促进它们的发展。而目前的机器人技术还不能满足需求。

机器人被认为是一个灵活的机器，工业机器人也应当是灵活的制造设备，然而面对需求，却显得不够灵活，还有很多技术要提高，很多功能有待开发。

为了使机器人更方便使用，需要简单而快速的面向任务的编程手段。目前普遍的方式是示教再现法，这种编程方式使得更换作业费事、费时，这也是工业机器人多用在大批量生产上的原因。对于面向用户的个性化要求、产品不断变化的要求，机器人更换工作将经常发生，非常希望机器人的编程变得简单。通过CAD进行离线编程是人们一直在努力的方法，它要求机器人的绝对定位精度要高，现在才几个毫米，远不能满足要求，而且由于机器人必须和固定工件的辅助设备合作才能完成任务，所以辅助设备的精度也要高，才能做好离线编程。

现在工业机器人的工作方式基本是机器人固定在一个位置，或者一个预定的直线范围之内，工件“走入”它的工作范围，然后进行预定的动作；而且这种固定位置是长期的，不能轻易变动，更不能“走”到工件范围去工作。其之所以如此，是因为机器人比较笨重，不易移动。而且，机器人与工作站之间的相互关系的确定，即标定工作，是一件困难的工作。而制造系统中，希望包括机器人在内的工作单元（Work Cell）易于重新组合，因此，机器人可移动或易于被搬动是必要的。同时，被重新置位的机器人的标定必须能快、能自动化进行。

机器人的功率密度（Power Rate）亟待提高。现有的机器人自重负载比是10～50，这使得机器人很不灵活，而且也大量浪费材料和能源。人们希望机器人自重负载比尽可能小。这不仅节约材料，也使机器人易于搬动，可以在更广泛的领域应用。

虽然焊缝跟踪技术已得到一定应用，但是，在多数应用场合，机器人还是必须“严格”地按照程序规定的线路工作，不能灵活地适应工件和环境的变化（偏差），使得很多装配工作不能完成。比如飞机的装配和检测的自动化程度并不高，然而现在的机器人不能胜任希望其完成的工作。

为了能方便地利用支持生产的数据系统，融入生产信息系统，机器人的标准化是必要的。

面向未来的制造业，强调人的介入，人的智能的利用、人的直接参与和全自动化之间达到某种平衡，被认为是提高效率的途径，所以，能与人合作的机器人是非常需要的。

我们以再制造业为例做简要分析。作为循环经济的代表、也是新兴制造业中最为重要的领域之一，再制造产业的发展将具有长远的战略意义。最大限度地挖掘制造产品的潜在价值，让能源、资源接近“零浪费”，是发展再制造产业的最大意义所在，这一点对于资源相对匮乏的中国更是如此。然而，与新产品的制造工艺流程截然不同，特别是拆解环节，再制造的作业对象是废旧产品，具有很强的不一致性，因此，要求根据实际情况灵活使用多种作业工具以及作业手段。目前的拆解过程绝大多数是由人工完成，是典型的劳动密集型手工作业，效率低下，作业环境恶劣（见图7.10、图7.11）。

图7.10　汽车引擎再制造拆解(www.xing528.com)

（源自http：//www.emercedesbenz.com/May08/14_001145_Celebrating_100_Years_At_The_Mercedes_Benz_ Manheim_Plant_Constant_Investment_Safeguards_Comp etitiveness.html）

图7.11　电路板机器人拆解示范

具有人机互助能力的新一代机器人系统，将非常有可能率先应用于再制造行业，可以在部分工位上（例如拆解、清洗及检测等）与人进行有效的合作，为人提供负重、定位及重复性等能力支持，结合人的智能和经验，提高生产效率，降低人力投入，实现再制造的初步自动化，极大地推进再制造业的技术进步与发展。

综上所述，机器人目前的应用方式（独立成一个封闭系统、在固定位置等待工件、周而复始重复固定工作）无法满足发展的要求。机器人走下自我独立的“神坛”，成为生产系统中的一个可随意更换的装置，或成为人的助手，协助人工作，是未来工业机器人的发展方向。作为生产系统的一个部件，要能够迅速适应变化了的工作环境和工作任务，易与其他设备组成新的生产单元。作为人的助手，机器人要随时能听懂人的命令或看懂人的指示，完成人要求的动作，或通过向人学习，承担人交给的任务。

2.新一代工业机器人

制造业的发展，已经对“新一代工业机器人”提出了迫切需求。

所谓新一代工业机器人，主要是针对现有工业机器人在机械结构、控制模式和智能程度方面存在的局限而言，为此，可能在结构、材料和控制手段等方面进行变革。能与个性化制造模式相适应，能完成动态、复杂的作业使命，能与人类紧密协作、形成人机共融的机器人系统，将是新一代机器人的主要特征，也是机器人研究与发展的方向。

人机共融的机器人（见图7.12）不仅应该具备足够的自主行为能力，也应该能够通过人与机器人的高效率配合，利用人弥补机器人智能的不足、利用机器人弥补人作业能力的不足，即“人指导机器人辅助自己”“机器人学习人的技能与作业能力”。可以近距离甚至零距离支持和辅助人类的人机合作能力是新一代机器人最主要的行为特征（见图7.13）。这种合作可以紧密结合机器人的精度、速度和人类的认知、智能优势，人机共同完成任务，从而大大提升制造系统的柔性和敏捷性，降低劳动的密集程度。

图7.12　人机共融

图7.13　新一代机器人工作模式的转变

与当前的工业机器人相比，新一代机器人具有显著不同的性能特点。如图7.14所示，现有工业机器人的特点是：物理空间隔离、与人非直接接触、机器人专用工具、基于预编程的自动化、示教盒操控界面、刚性本体刚性控制。与之相对应，新一代工业机器人的特点是：与人同一自然空间、紧密协调合作、共同使用工具、自主提高技能、与人自然交互、确保本质安全。从中我们可以见到两者之间的显著差距。

图7.14　现有工业机器人与新一代工业机器人的性能特点比较

要成为产业工人的智能伙伴，现有的机器人技术面临着以下4个方面的挑战（见图7.15）：

（1）环境挑战。传统机器人只能工作在人工布局及可控的、预先已知的环境中，具有静态、结构化、已知、确定性等特点。新的需求要求机器人在自然（非人工）、不可预知动态、复杂的环境中完成使命，对机器人的感知、认知、决策能力提出了更高的要求。

（2）任务挑战。传统机器人是在指令/编程或直接操作控制下，完成固定时序、重复性、结构化工作，以高速、高精度为主要目标，自主性、适应性、学习性差。新一代机器人的任务目标及指标更加多样、操作灵活性要求更高、任务变化更频繁、任务过程更复杂多变，对机器人技术在自主控制、认知、自主学习等方面提出了新的挑战。

图7.15　现有机器人面临的技术挑战

（3）行为方式挑战。传统机器人在物理空间上基本是与人隔离的，但随着机器人进入人类社会，人和机器人将频繁接触，彼此之间的物理界限逐步消失，安全成为必须考虑的问题。机器人在行为过程中要确保人—机—物的安全，而机器人故障、人类误操作、其他设备故障不可避免，如何保障这种行为的安全性，对机器人机构、控制、感知等技术提出了挑战。

（4）交互挑战。目前，机器人是作为专用的生产设备，由培训良好的技术人员操作，其人机友好性低、鲁棒性差、智能程度低、真实感弱。如果要机器人成为非（机器人）专业人员的助手，甚至进入普通人的生活，需要在人机交互技术方面有突破性创新。