刘 蕊

（北京市电子科技情报研究所 北京100009）

1 小型工业机器人的概念

工业机器人是一种固定或移动地应用在工业自动化中的可自动控制、可重复编程、多用途、三轴或更多轴的机器[1]。小型工业机器人又称机械手，一般指最大有效载荷可达20 kg，最远处理距离可达1 300 mm的机器人。小型机器人通常由控制系统、驱动系统、执行系统和交互系统这几个基本部分组成，有些添加了感知系统、决策系统等，各组成部分主要功能归纳如表1所示。

表1 小型机器人的主要组成部分及功能

工业机器人由编程人员通过人机交互系统，向机器人控制器单元下达任务指令；感知系统在工作过程中不断对环境信息进行反馈学习，通过深度学习软件系统对机器人的工作不断进行调整。之后，由控制器对这两种指令进行任务解析，规划出工作路径，生成执行程序代码，驱动伺服电机和减速器提供动力，由机器人的传动机构、关节机构和末端执行器来完成作业。最后，感知系统会对机器人作业结果进行评估，继续调整对工作路径的规划，工作原理如图1所示。

图1 工业机器人的工作原理

2 我国小型工业机器人的发展

2.1 我国工业机器人发展阶段

到目前为止，机器人应用发展大致可分为三个阶段：工业机器人初始阶段、普及发展阶段、智能化阶段。

初始阶段主要利用简单的机械设计原理，使机器手臂在人力不易操作的领域工作。例如在汽车装配领域，用小型工业机器人完成焊接、装配、喷漆、搬运等工作，把原先人工使用机械进行工作的模式，变为了机械自动化工作模式。上世纪七十年代初期，国际工业机器人应用产业开始发展，我国也于1972年开始研制自己的工业机器人。在“七五”期间（1986-1990年），国家对工业机器人及其零部件投入大量资金进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发。

在工业机器人的普及阶段，随着精密加工技术的提高，工业机器人产业以降低生产成本为突破口，使用的普及率得到大幅提高。我国在九十年代，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程[2]。

工业机器人的智能化阶段，小型工业机器人不仅仅是跟着预设的程序进行工作，而是有了中枢大脑，会自己分析工作任务，并在工作中不断自我改进，即能够进行智能化、仿生化。智能机器人可透过传感器感知环境，由程序化发展为智能化，执行各种生产活动、与人互动。

目前我国小型工业机器人正处于由普及向智能化蜕变的阶段，一方面工业机器人产业以降低生产成本为突破口使用普及率得以大幅提高；另一方面，随着加入视觉、力觉等人工智能感知系统组件，小型工业机器人能够做到自己分析工作任务，并在工作中不断自我改进，达到初步智能化。

2.2 我国工业机器人市场

据国际机器人联合会统计，我国工业机器人市场规模居世界第1位。2015年全球工业机器人销量超过24万台[3]，国产工业机器人却仅有2万台。

我国国产工业机器人市场2011年销售量为800台，2012年为2 252台，增长率达到181.50%；2013年为9 500台，增长率达到321.85%，可以说从井喷式的市场拓展过程期，现在已经进入了高速发展期，如图2所示。

图2 我国市场工业机器人销量及增速

2.3 工业机器人的分类

工业机器人可以按照程序输入方式、运动坐标形式、驱动方式、应用领域四个方面进行分类。按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类；按运动坐标形式分为关节式机器人、圆柱坐标机器人、直角坐标机器人、并联机器人、SCARA机器人五类；按驱动方式分为液压驱动、气压驱动、电气驱动等；按照应用领域，主要有焊接、装配、搬运码垛、上下料、打磨喷涂、切割加工等应用，如图3所示。

图3 工业机器人的分类

依 2018年中国工业机器人行业市场前景预测报告[4]，北京市电子科技情报研究所整理了小型装配工业机器人的细分应用，主要集中在装配、上下料、打磨喷涂等领域。现在，很多小型机器人都配置了力学传感器、光学传感器等部件，用深度学习系统来指导机器进行智能化作业。

3 我国小型工业机器人的应用

3.1 我国小型工业机器人的一般应用

1）组装过程中的应用

小型工业机器人的精密组装已经在PC、家电、通讯、汽车等行业实现了广泛应用。小型工业机器人的准确度高，贴合精度可达0.1 mm；速度快，设备运行周期7 s左右时，可贴4片；使用维护方便，机器人和视觉集成在RC+软件。

2）上下料过程中的应用

模块化自动上下料柔性制造机构作为数控机床的基础和辅助部件，越来越受到机床制造商和用户的重视，该部件实际上是数控机床中一个典型点位控制机床的延伸和发展，对工件输送的速度要求高和定位准确，特别是速度要求较高，必须符合主机的工作节拍要求[5]。

在 CNC上下料操作过程中，需要在完成一个工件或物料加工后进行工件或物料更换。小型工业机器人能够自动完成加工件的上下料、装夹、吹屑、完工件自动放置等动作。采用小型工业机器人代替人工操作，可实现1人值守数十台数控车床，大幅度减少用人数量，降低用人成本，提升企业利润；可以避免工伤事故发生，降低企业风险；还避免人工操作误差，保障产品品质稳定。

在精度要求高或者工件受力易损坏的的情况下，可以增加压力传感器在机器人末端和治具中间，它可以控制和检测力的大小。

3）打磨应用

机械零件形状不断向复杂化、多样化发展，对打磨抛光工艺的机器人有广泛的技术需求[6]。小型工业机器人不仅生产效率高，产品品质高，成本低，更重要的是安全性和稳定性都有保障。由于打磨涉及到的工作环境中含有大量有害气体、粉尘，在人们越来越重视健康的现代社会，最适合使用工业机器人来代替人工。

3.2 我国小型工业机器人的智能化应用

1）高精度嵌入应用

在高精度嵌入的应用中，当工件位置有偏移，机器人可以靠力反馈左右探索到目标位置。因工件位置有误差，非智能机器人在嵌入过程中经常损坏工件。引入智能模块后，通过仿形动作，嵌入时不仅对位置有精确要求，对角度也有精确要求。如各种电容、晶体、光耦、电器、整流器等的嵌入。

某实例中，将模组安装到手机按键孔，要求排线不能被触碰，精度达到0.01 mm，压力为20 N。这种特殊条件下的操作对于工人来讲，失败率是很高的，但小型工业机器人却可以轻松完成，如图 4所示。

图4 高精度嵌入应用例

2）打螺丝应用

用于PC、家电、通讯等行业的打螺丝机器人，通过力传感器可以根据受力情况，让机器人自动调整螺丝的位置以及打入的深浅，防止产生不良品，如图5所示。

图5 打螺丝应用例

3）零部件精密检测

小型工业机器人视觉部件的应用目前主要集中在检测、定位、运动控制、计量等几个领域[7]。机器视觉是利用机器代替、执行人眼的观察、辨识以及检测等功能[8]。由于其具有高精度、可实现非接触测量和可长时间稳定工作等特点，在国内外工业领域被广泛应用，大大提高了产品质量和生产线自动化程度[9]。机器视觉系统主要包括三部分：基于相机的图像获取、基于计算机的图像处理和分析、输出或显示[10]。随着人工智能高速发展，图像识别和深度学习完全可以应用在小型工业机器人中，以进一步提高我国机器视觉产业的技术水平。

在实际应用中，小型工业机器人及多组视觉部件配合应用，与测试箱实时通讯，能够实现自动抓取，通过校准相机和固定位置功能进行检测，最后将零件分类摆放到指定地点。小型工业机器人与人工测试线相比每条线可节省13人，提升良率、提高产能、降低成本，并且可以在不同产品测试步骤间任意切换，如图6所示。

图6 零部件监测应用例

4 我国小型机器人应用的发展趋势

4.1 我国小型工业机器人的市场不断扩大

首先，小型工业机器人的普及是产业发展的需求。工业机器人技术已经趋于成熟，很多制造业发达国家的工业机器人数量已经相当高。例如 2014年每万名产业工人所拥有的工业机器人数量，韩国是478台、日本是314台、德国是292台、美国是164台，而我国是36台，刚刚超过国际平均水平66台的一半。跟国外相比，我国工业机器人的普及程度尚处于较低水平，距制造业发达国家尚有较大的差距。

其次是受成本因素的影响，我国人力成本在上升，而自动化成本在下降。伴随着人口红利的消失，我国体力劳动者适龄人口数量呈现持续减少的趋势。制造业平均工资的持续快速增长，从2008年到2014年，我国就业人员平均工资以每年 10%以上的速度增长，增长速度最快的2011年达到了18%的增长率。

与此同时，自动化设备的价格却呈逐年下降趋势，全球工业机器人均价从2008年的5.49万美元下降到了2014年的4.67万美元。这将使制造企业选择工业机器人替代人工来从事大规模和重复性劳动以降低生产成本。

第三是技术因素的影响。随着机器人技术的不断进步，机器人从事的工作领域在不断的拓宽。尤其在精密组装等领域。人工智能作为选件，正在逐步导入。

第四是政策因素，各地政府都在大力推动中国制造2025项目，这无疑给了工业机器人产业发展插上了一对翅膀。很多制造业厂商都在乘着政策的东风，升级产业，大幅拉动了工业机器人的市场需求。

根据2011年3月发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》，“发展战略性新型产业已成为世界主要国家抢占新一轮经济和科技发展制高点的重大战略”，其包括“高端装备制造产业”、“新材料产业”、“新能源产业”及“节能环保产业”等。

今后十年我国高端装备制造业的销售产值将占全部装备制造业销售产值的30%以上。工业机器人行业作为高端装备制造产业的重要组成部分，必将在此期间得到更多的政策扶持，实现进一步增长。

综上所述，我国工业机器人的低使用密度叠加高人力成本、劳动力结构性短缺，这些都将使中国机器人市场拥有巨大的潜力，机器人替代底端劳动力逐渐成为行业趋势。

4.2 小型工业机器人的发展趋势

工业机器人的发展趋势是向“高速、高精、重载、轻量化和智能化”方向发展。随着机器人标准化结构、集成一体化关节、自组装与自修复等技术的改善，机器人的易用性与稳定性不断被提高，小型工业机器人的应用领域和服务对象不断被拓展。

1）小型工业机器人与人工智能深入融合

信息技术的快速发展将工业机器人与网络融合，大数据和云存储技术使得机器人逐步成为物联网的节点，共同构成了复杂性强的生产系统。而深度学习应用于小型工业机器人，使其具有类人的学习能力，多台机器人协同技术使一套生产解决方案成为可能。

2）小型工业机器人向模块化和系统化发展

小型工业机器人的研发已经趋向于采用组合式、模块化、系统化的产品设计思路，从而提高了机器人的适用性。工业机器人控制系统向开放性控制系统集成方向发展，伺服驱动技术向非结构化、多移动机器人系统改变。

3）人机关系发生深刻改变

对每个岗位的工作量、工作效率、良品率、机器人成本加以精确测算，机器人成本低于人工成本时，设置机器人岗位，机器人和操作工人组合搭配于同一条生产线上。工业机器人在可见的未来将逐渐取代工业生产中的人类劳力，将把人类的工业社会推向一个新的高度 。 当机。器人能够理解人类语言指令和身体指令，工人和机器人可以共同完成目标，人机关系就会变成协作关系。

5 结语

综上所述，我国的小型工业机器人产业在近半个世纪中，经历了从无到有、从工业自动化向智能化的发展历程，目前已经广泛应用于精密组装、打磨喷漆、零部件监测等领域。今后，随着小型工业机器人市场的不断扩大，发展前景广大。预计今后，我国小型工业机器人会向着高速、高精、重载、轻量化和智能化、模块化的方向发展，人机关系也会向人机协作型关系转变。

[1]ISO/TC299 Robotics. Robotics and robotic devices:ISO 8373-2012[S].

[2]李应华.工业机器人[D].贵阳:贵州大学,2010.

[3]卢月品.对我国工业机器人产业发展的思考[J].新材料产业,2016 (7):18.

[4]2018年中国工业机器人行业市场前景预测报告[R/OL].https://www.baidu.com/view/3f3c1561112de2b d960 590 ee 3cl56 bfdada37.html.

[5]郑泽钿,陈银清,林文强,等.工业机器人上下料技术及数控车床加工技术组合应用研究[J].组合机床与自动化加工技术,2013 (7):108.

[6]计时鸣,黄希欢.工业机器人技术的发展与应用综述[J].机电工程,2015,32(1):9.

[7]HOSKE M T.Machine vision looks well beyond inspection [J].Control Engineering,2005,52(5): 65-75.

[8]何鹏,潘鑫,汪雪聪,等.基于机器视觉的 SCARA 机器人的应用[J].机械工程师,2016 (10):72.

[9]范祥,卢道华,王佳.机器视觉在工业领域中的研究应用[J].现代制造工程,2007 (6):131.

[10]2015-2020年中国智能制造装备行业分析及投资前景预测报告[R/OL]. https://www.wenkuxiazai.com/doc/773541965ef7bao46733bla-8.htel.