工业机器人文献综述

【摘要】机器人的制造及应用水平，代表了一个国家的制造业水平，发展机器人产业应上升到国家战略高度。机器人的广泛使用是我国从制造业大国走向制造业强国的重要手段和途径。本文分析了现阶段国外工业机器人的应用、发展现状与趋势。通过实例说明了目前我国工业机器人发展的现状和未来的发展趋势，中国先进工业机器人大批量生产制造时代到来。 中国论文网 -htm【关键词】机器人；工业机器人；发展现状；发展趋势工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统（FMS）、自动化工厂（FA）、计算机集成制造系统（CIMS）的自动化工具。广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。一、工业机器人的应用情况经过五十多年的发展，工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。在制造业中，尤其是在汽车产业中，工业机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范周还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。二、国内外工业机器人的发展现状1、国外工业机器人的发展现状在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而，相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司，它们包括：瑞典的ABB Robotics，日本的FANUC、Yaskawa，德国的KUKA Roboter，美国的Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation、S-T Robotics，这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会（UNECE）和国际机器人联合会（IFR）的统计，世界机器人市场前景看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头[1]。在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已经大量使用工业机器人自动化生产线，以保证产品质量，提高生产效率，同时避免了大量的工伤事故。像国际上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是机器人自动化生产线及物流与仓储自动化设备的集成供应商。目前，日本、意大利、德国、欧盟、美国等国家产业工人人均拥有工业机器人数量位于世界前列，全球诸多国家近半个世纪的工业机器人的使用实践表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，推动企业和社会生产力发展的有效手段。2、国内工业机器人的发展现状在降低制造成本，解决用工严重不足等口号的呼喊下，近年来机器人产业在全世界范围内兴起。中国作为世界工厂，面临的形式更是尤为的严重。有数据显示中国每年工业机器人的装机量约占全球的1/8，仅次于日本、韩国，预计2015年中国的装机量会超过这两个国家，成为世界上使用工业机器人最多的国家。自2009年以来，中国机器人市场持续快速增长，工业机器人年均增长速度超过40%，到目前为止，中国工业机器人市场份额约占全球市场的1/5；以教育、清扫等为代表的服务机器人在国内也在逐步进入市场。随着我国门户的逐渐开放，国内的工业机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击，因此，掌握国内工业机器人市场的实际情况，把握我国工业机器人研究的相关进展，显得十分重要。2012年，四种新型工业机器人在中国哈尔滨研制成功。专家们认为这标志着我国已经掌握了第一代工业机器人的生产技术，新的机器人产业已经在我国诞生。这四种工业机器人分别是哈尔滨工业大学和哈尔滨风华机器厂等单位研制的华宇Ⅱ型弧焊机器人，华宇Ⅰ型点焊机器人，哈尔滨工业大学与航天部811厂等单位联合研制的东方1号喷漆机器人和国营星光机器厂研制的星光Ⅰ型直角坐标点焊机器人。近年来，中国河南洛阳市越来越多的企业开始引进工业机器人等智能设备，但目前国内使用的机器80%是国外制造。位于洛阳工业园区的沃德福集团高端智能装备制造基地项目，总投资1。5亿元，将研发制造6轴工业机器人等高端智能设备，达到年产1万台工业机器人的生产、装配能力。该项目计划2014年建成投产，预计年产值20亿元，不久将在这里首次实现先进工业机器人大批量生产制造。随着便宜劳动力时代的结束，可以预计工业机器人将迎来一个伟大的时代，不仅在工业上，而且在服务、医疗等领域都有广泛的应用，从而推动一大批行业的发展，如高端制造业、制造业的个性化、医疗图像处理以及航空航天等。近十年以来，在“十五”、“十一五”攻关计划和863计划等科技计划的支持下，我国有组织、有计划地发展工业机器人产业，通过研制、生产、应用等多个层面的不断探索，在技术攻关和设计水平上有了长足的进步。总的来看，已经掌握了工业机器人的设计、制造、应用过程中的多项关键技术，能够生产出部分机器人关键元器件，开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人[2]。一些相关科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化设计制造技术；工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术；机器人软件的设计和编程技术、运动学和轨迹规划技术；弧焊、点焊及大型机器人自动生产线（工作站）与周边配套设备的开发和制备技术等，某些关键技术已达到或接近了国际先进水平，中国工业机器人在世界工业机器人领域已占有一席之地。 　　三、工业机器人的发展趋势工业机器人在许多生产领域的使用实践证明，它在提高生产自动化水平，提高劳动生产率和产品质量以及经济效益，改善工人劳动条件等方面，有着令世人瞩目的作用，引起了世界各国和社会各层人士的广泛关注。1、国外发展趋势日本将机器人列为战略产业，韩国将机器人作为“增长发动机产业”，各发达国家政府早年通过制定政策，采取一系列措施鼓励企业应用机器人，设立科研基金鼓励机器人的研发设计，从政策上、资金上给予大力支持，工业机器人的应用和研究走在世界的前列。世界工业机器人市场普遍看好，各国都在期待机器人的应用研究有技术上的突破。从近几年世界机器人推出的产品来看，工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；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；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面[3]。国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：（1）工业机器人性能不断提高，而单机价格不断下降。（2）机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。（3）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。（4）机器人中的传感器作用日益重要，装配、焊接机器人采用了位置、速度、加速度视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。（5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。（6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的索杰纳机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。（7）机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出虚拟轴机床以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域[4]。2、国内发展趋势中国工业机器人在“七五”、“九五”、“十五”期间研究取得了较大进展，我国在关键技术上有所突破，但还缺乏整体核心技术的突破，应用遍及各行各业，但进口机器人占了绝大多数。科学院机器人“十二五”规划研究目标：开展高速、高精、智能化工业机器人技术的研究工作，建立并完善新型工业机器人智能化体系结构；研究高速，高精度工业机器人控制方法并研制高性能工业机器人控制器，实现高速，高精度的作业；针对焊接，喷涂等作业任务，研究工业机器人的智能化作业技术，研制自动焊接工业机器人，自动喷涂工业机器人样机，并在汽车制造行业，焊接行业开展应用示范。国家下一步的发展思路，将发展以工业机器人为代表的智能制造，以高端装备制造业重大产业长期发展工程为平台和载体，系统推进智能技术、智能装备和数字制造的协调发展，实现我国高端装备制造的重大跨越。具体分两步进行：第一步，2012～2020年，基本普及数控化，在若干领域实现智能制造装备产业化，为我国制造模式转变奠定基础；第二步，2021～2030年，全面实现数字化，在主要领域全面推行智能制造模式，基本形成高端制造业的国际竞争优势。工业机器人市场竞争越来越激烈，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，加快工业机器人的研究开发与生产是使我国从制造业大国走向制造业强国的重要手段和途径。未来几年，国内机器人研究人员将重点研究工业机器人智能化体系结构，高速高精度控制，智能化作业，形成新一代智能化工业机器人的核心关键技术体系，并在相关行业开展应用示范和推广。（1）工业机器人智能化体系结构标准研究开放式，模块化的工业机器人系统结构，工业机器人系统的软硬件设计方法，形成切实可行的系统设计行业标准、国家标准和国际标准，以便于系统的集成，应用与改造。（2）工业机器人新型控制器技术研制具有自主知识产权的先进工业机器人控制器。研究具有高实时性的，多处理器并行工作的控制器硬件系统；针对应用需求，设计基于高性能，低成本总线技术的控制和驱动模式。深入研究先进控制方法，策略在工业机器人中的工程实现，提高系统高速，重载，高追踪精度等动态性能，提高系统开放性。通过人机交互方式建立模拟仿真环境，研究开发工业机器人自动/离线编程技术，增强人机交互和二次开发能力。（3）工业机器人智能化作业技术实现以传感器融合，虚拟现实与人机交互为代表的智能化技术在工业机器人上的可靠应用，提升工业机器人操作能力。除采用传统的位置，速度，加速度等传感器外，装配，焊接机器人还应用了视觉，力觉等传感器来进行实现协调和决策控制，基于视觉的喷涂机器人姿态反馈控制；研究虚拟现实技术与人机交互环境建模系统。（4）成线成套装备技术针对汽车制造业，焊接行业等具体行业工艺需求，结合新型控制器技术和智能化作业技术的研究，研究与行业密切相关的工业机器人应用技术，以工业机器人为核心的生产线上的相关成套装备设计技术，开发弧焊机器人用激光视觉焊缝跟踪装置，喷涂线的喷涂设备的研制以及相关功能部件并加以集成，形成我国以智能化工业机器人为核心的成线成套自动化制造装备。（5）系统可靠性技术可靠性技术是与设计、制造、测试和应用密切相关的。建立工业机器人系统的可靠性保障体系是确保工业机器人实现产业化的关键。在产品的设计环节、制造环节和测试环节，研究系统可靠性保障技术，从而为工业机器人广泛应用提供保证。我国的机器人产业化必须由市场来拉动。机器人作为高技术，它的发展与社会的生产、经济状况密切相关。机器人的研制、开发只有从技术上实现可能性大为原则选择机器人优先应用的领域，并以此为突破口，向其他领域渗透、扩散至为重要。综合国内外工业机器人研究和应用现状，工业机器人的研究正在超智能化、模块化、系统化、微型化、多功能化及高性能、自诊断、自修复趋势发展，以适应多样化、个性化的需求向更大更宽广的应用领域发展。

行业主要上市企业：科大智能(300222)、沃迪智能(830843)、工业富联(601138)、远大智能(002689)、上海沪工(603131)、埃夫特(688165)、ST伯朗特(430394)、ST华昌(300278)、机器人(300024)、科远智慧(002380)、华自科技(300490)、埃斯顿(002747)、ST安控(300370)、泰禾智能(603656)等。本文核心数据：工业机器人产量、工业机器人销售额、全球工业机器人出货量TOP15国家和地区供给端：工业机器人产量大幅增长当前，新一轮科技革命和产业变革加速演进，新一代信息技术、生物技术、新能源、新材料等与机器人技术深度融合，机器人产业迎来升级换代、跨越发展的窗口期。随着后疫情时代的到来，中国工业经济展现出了应对复杂严峻局面的强大韧性和活力，工业机器人行业表现逆势上扬。根据国家统计局最新发布的数据显示，2021年我国规模以上企业工业机器人产量为30万套，同比增长9%。需求端：——工业机器人销售规模增速近20%《“十四五”机器人产业发展规划》指出，我国已经连续8年成为全球最大的工业机器人消费国。根据IFR数据显示，2020年我国工业机器人销售规模达到5亿元，同比增长9%。2021年底，工信部、国家发改委、科技部等15部门联合印发了《“十四五”机器人产业发展规划》，推动我国机器人产业在“十四五”时期迈向中高端水平。《规划》明确提出，力争到2025年，我国成为全球机器人技术创新策源地、高端制造集聚地和集成应用新高地，机器人产业营业收入年均增长超过20%，制造业机器人密度实现翻番。预计到2025年我国工业机器人销售规模将达到1051亿元左右。——工业机器人出货量居世界首位据IFR《世界机器人2021工业机器人报告》显示，中国工业机器人出货量为168400台，强劲增长20%，居世界第一位。——制造业机器人密度达到246台/万人2020年我国制造业机器人密度达到246台/万人，是全球平均水平的近2倍。——垂直多关节机器人占据半壁江山从机械结构看，据MIR统计，2020年垂直多关节机器人在中国市场中的销量在各机型中依然位居首位，全年销售总销量的63%;SCARA机器人全年销售占比为30%;另外，协作机器人与Delta机器人销售占比分别为4%与3%。综合来看，近年来，在国家政策的支持下，我国工业机器人密度不断提高，产量和销售额逐年增长。未来，随着工业机器人国产化进程加速，工业机器人行业发展空间巨大。以上数据参考前瞻产业研究院《中国工业机器人行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》

1、供给：中国工业机器人年产量居世界首位2012-2020年我国工业机器人产量逐年上升，但近年来增速较之前有所下降，主要是因为从2018年开始国内汽车、电子等机器人下游行业发展受限，机器人需求增速放缓，但是近两年新能源汽车大力发展带动行业发展，工业机器人增速再次抬头。2020年时我国工业机器人产量达到了237068台，累计增长1%。2021年1-5月，我国工业机器人的产量为136405台，与去年同期同比增加2%。据IFR统计，2019年中国是世界工业机器人产量最高的国家，产量达到69万台。与此同时，相对于工业机器人技术较成熟的美国、德国、日本，产量远不及中国，分别为33万台、05万台与99万台。2、需求：中国工业机器人装机量居世界首位，但人均密度较低——工业机器人装机量位居世界榜首自2016年开始，中国工业机器人累计安装量位列世界第一，发展迅速。2019年，中国依然是全球最大的机器人市场，工业机器人总量达到4万台，较2018年上升7%。据高工机器人数据显示，2020年我国工业机器人销量约为17万台。注：除2020年数据来自高工机器人外，其余来自中国机器人产业联盟。——工业机器人装机密度较低从装机量来看，全球机器人消费市场高度集中，2019年中国、日本、美国、韩国和德国等主要国家销售额总计占全球销量的73%。中国是工业机器人主要的终端使用市场，年新装量4万台，其次是日本和美国，分别为99万台和3万台。从机器人的装机密度看，2019年全球工业机器人装机密度为113台/万人，新加坡和韩国是机器人装机密度最高的市场，每万人机器人装机数量分别达到918台和855台，而在需求量最大的中国市场这个数字只有187台，远落后于发达国家，未来仍有较大提升空间。——多关节机器人最畅销从机械结构看，据MIR统计，2020年垂直多关节机器人在中国市场中的销量在各机型中依然位居首位，全年销售总销量的63%;SCARA机器人全年销售占比为30%;另外，协作机器人与Delta机器人销售占比分别为4%与3%。——市场规模超过60亿美元我国工业机器人市场发展较快，约占全球市场份额三分之一，是全球第一大工业机器人应用市场。当前，我国生产制造智能化改造升级的需求日益凸显，工业机器人的市场需求依然旺盛，据IFR统计，2019年我国工业机器人销量额达3亿美元，初步估计2020年销量额达到63亿美元。3、应用情况：中国工业机器人主要用于汽车与3C领域——分行业应用情况目前中国的工业机器人主要应用于汽车行业以及3C，2019年时应用于汽车与3C电子行业的工业机器人占比分别为2%与4%;与此同时，全球范围内工业机器人的应用领域也以汽车与3C电子为主，应用占比分别为2%与6%。可以看出，中国工业机器人的应用情况与全球基本一致。——机器人应用领域占比情况在市场整体销售下行的背景下，工业机器人主要应用领域的销售出现不同程度下降。总体来看，目前，搬运与焊接依然是工业机器人的主要应用领域，自主品牌机器人在加工、焊接和钎焊、装配及拆卸、洁净室、涂层与胶封领域的市场占有率均有所提升。其中，搬运和上下料作为首要应用领域，2019年销售2万台，同比下降4%，在总销量中的比重提高至06%;焊接与钎焊机器人销售4万台，同比下降16%，占比为61%;装配及拆卸机器人销售2万台，同比下降7%，占比为89%;加工领域机器人销售同比增长5%，是唯一实现销量增长的应用领域。工业机器人行业发展前景及趋势预测1、工业机器人规模预测2020年受到疫情影响，但是由于中国措施采取及时，抗疫成效显著，企业复工复产较快，因此对工业机器人的总体产量影响较小，2020年全国工业机器人市场规模约为63亿美元，预计2021-2025年复合增长率预计在15%左右，2026年市场规模可达172亿美元。2、工业机器人共融为未来技术突破要点目前我国工业机器人主要在结构化环境汇总执行确定性任务，在复杂动态环境中作业的情况并不足够灵活，主要是因为工业机器人在与环境的共融、与其他机器人之间协同方面感知能力较弱。随着传统工业机器人在机器视觉、智能传感与云技术等技术的发展下，未来工业机器人将更智能化，柔性化，即由传统机器人向共融机器人优化。3、云化机器人及工业机器人云平台将兴起在智能制造生产场景中，需要工业机器人有自组织和协同的能力来满足柔性生产，这就带来了云化机器人(机器人大脑在云端)及工业机器人云平台的需求。和传统机器人相比，云化机器人需要通过网络连接到云端的控制中心，基于超高计算能力的平台，并通过大数据和人工智能对生产制造过程进行实时运算控制。实际上，如今已有厂商开始在云化机器人及工业机器人云平台上进行布局。2017年时华为、Skymind、中国移动、达闼科技、GTI、软银共同推出《云化机器人白皮书(GTI 5G and Cloud Robotics White Paper)》，其中指出云化机器人即位于数据中心的“大脑”利用人工智能和其他软件技术，借助本地机载控制器对传统机器人下达指令，云机器人将打来新的价值链、技术、架构、体验和新商业模式。未来，随着5G、AI、云计算等技术的发展成熟，云化机器人及工业机器人云平台或将成为新一轮发展热点。4、工业机器人在医疗领域的应用潜力有待挖掘目前工业机器人主要应用于汽车行业，随着汽车行业工业机器人应用的饱和，工业机器人的应用正在向其他领域逐步拓展。在疫情驱动下部分工业机器人厂商随即布局医疗领域的工业机器人，例如利用工业机器人组装医用注射器或或用于填充和关闭小瓶等，具体情况如下表所示：——更多本行业研究分析详见前瞻产业研究院《中国工业机器人行业产销需求预测与转型升级分析报告》。

论文的写作要求、流程与写作技巧 广义来说，凡属论述科学技术内容的作品，都称作科学著述，如原始论著（论文）、简报、综合报告、进展报告、文献综述、述评、专著、汇编、教科书和科普读物等。但其中只有原始论著及其简报是原始的、主要的、第一。