关于我国工业机器人产业化发展战略的思考

中国工业机器人产业化发展战略思考

李瑞峰哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室一、工业机器人发展现状与趋势自从20世纪60年代初人类制造了第一台工业机器人以后，机器人就显示出了极强的生命力。经过四十年的迅速发展，在工业发达国家中，工业机器人已经广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、物流、制造业等诸多领域中。作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段，工业机器人已经成为衡量一个国家制造水平和科技水平的重要标志。一、工业机器人发展现状与趋势国际上工业机器人技术日趋成熟，已经成为装备制造业的一种标准设备而得到工业界广泛应用。国际上较有影响力的、著名的工业机器人公司包括：瑞典的ABBRobotics，日本的FANUC、Yaskawa，德国的KUKA，美国的AdeptTechnology、意大利COMAU，这些公司已经成为其所在地区的支柱性企业。国际上大多数工业制造强国都实现自己的工业机器人的品牌。目前工业机器人的品牌主要分成两大体系。以日本为代表的日韩系，以德国为代表的欧系。欧系日韩系国际工业机器人品牌日本日本韩国日本瑞典意大利德国我国作为工业制造大国，并将成为世界加工工厂的前题下，各个行业应用工业机器人多数为国外品牌，国产机器人品牌缺失将形成工业现代化缺憾。国家需对工业机器人的开发与创新提供支持，有助于各行业以高科技、高效率为主的产业竞争能力提升，促进中国制造走向国际市场。FUNAC机器人(上海公司）ABB机器人（上海公司）MOTOMAN机器人（北京公司）KUKA机器人(代理销售）COMAU机器人（代理销售）NACHI机器人（代理销售）点焊机器人KukaKR30L16

MotomanUP20FanucArcMate50iB

ABBIRB1600L7PanasonicVR-006弧焊机器人唐山松下机器人公司上海欧帝希机器人公司上海发那克机器人公司北京首钢莫托曼机器人公司一、机器人发展现状与趋势

工业机器人技术也在不断的发展，满足不同产品需求的新的机器人构型，具有力觉、视觉、及多种传感器的机器人运动控制技术，满足机器人的负载能力越来越高的控制系统、新的机器人驱动及传动器件等技术都在飞速发展。一、机器人发展现状与趋势目前，我国进口的工业机器人主要来自日本，2004年日本对华出口机器人占我国进口工业机器人的一半。其他如欧洲品牌机器人如ABB、KUKA、COMAU占据另外的一半市场。我国目前正从劳动密集型向现代化制造业方向发展，虽然工业机器人保有量已经达到一定规模，但与工业发达国家相比仍然有不少的差距，例如从汽车行业每万名生产工人占有的机器人来讲，(日本1710台、意大利1600台，法国1120台，西班牙950台，美国770台，英国610台，瑞典630台，而我国还不到90台)中国仍然是世界上相对比较落后的国家之一。面对这样庞大的潜在市场，每一个机器人供应商都会有非常大的用武之地。一、机器人发展现状与趋势

2005年我国工业机器人拥有量达到7000台，年销售增长到28.7亿元。近几年来，随着经济的快速境长，特别是汽车业的高速发展，每年新增的工业机器人台数以及总拥有量都在快速增长。2006年我国工业机器人新安装台数为5770台，2007年为6581台，2008年则达到7500台。截至2008年末，我国已拥有31400台工业机器人。据UNECE（联合国欧洲经济委员会）预测，至2007年，全球新安装装机器人的数量将从2003年的81800套增至2007年的106000套，年平均增长7%。可以预见,中国的工业机器人产业不久后将会作为一种在国民经济中占据重要地位的产业而存在。二、国内工业机器人产业的发展我国的工业机器人研究开始于20世纪70年代，我国在“七·五”科技攻关计划中将工业机器人列入了发展计划，由当时的机械工业部牵头组织了点焊、弧焊、喷漆、搬运等型号的工业机器人攻关，其他部委也积极立项支持，形成了中国工业机器人第一次高潮。进入上世纪90年代后，为了实现高技术发展与国发经济主战场的密切衔接，863计划确定了特种机器人与工业机器人及其应用工程并重、以应用带动关键技术和基础研究的发展方针。经过广大科技工作者的辛勤努力，开发了7种工业机器人系列产品，102种特种机器人，实施了100余项机器人应用工程。十一五在先进制造技术领域已经立项两个重点项目“机器人模块化体系结构设计”（2007.9-2009.8）与“机器人模块化功能部件产业化”(2007.9-2010.11)。基本解决了国产工业机器人伺服驱动、控制器、总线、关键传感器等基础部件与机器人编程环境等共性关键技术，这些工作为我国工业机器人的产业化示范应用提供了必要的工作基础与技术支撑。二、国内工业机器人产业的发展90年代末期，我国建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地，包括沈阳自动化研究所的新松机器人公司、哈尔滨工业大学的博实自动化设备有限公司、北京机械工业自动化研究所机器人开发中心、海尔机器人公司等。产业化基地的建设带来了产业化的希望，为发展我国机器人产业奠定了基础。经过广大科技人员的不懈努力，我国目前已经能够生产具有国际先进水平的平面关节型装配机器人、直角坐标机器人、弧焊机器人、点焊机器人、搬运玛多机器人等一系列产品，不少品种实现了小批量生产。一批企业根据市场的需求，自主研制或与科研院所合作，进行机器人产业化开发。如奇瑞汽车与哈工大合作进行点焊机器人的产业化开发、西安北村精密数控与哈工大合作进行机床上下料搬运机器人的产业化开发、昆山华恒与东南大学等合作开发弧焊机器人、广州数控开发焊接机器人、盐城宏达开发弧焊机器人。。。工业机器人产业化已经有星火燎原之势国内工业机器人产业的发展图1华宇-I型弧焊机器人图2华宇-I型点焊机器人图3华宇-II型弧焊机器人图4HT-100点焊机器人

图5HT-100A型点焊机器人

图6HT-10B轻型机器人图7HT120点焊机器人图8搬运机器人图9通用6自由度机器人哈工大相关研究成果哈工大与奇瑞合作进行QH165点焊机器人的产业化开发奇瑞已经制定2010了年产100台焊接机器人产业化目标中国工业机器人产品三、已经具备的技术基础从“七五”期间的科研攻关及实施“863计划”开始，我国有组织有计划地发展工业机器人产业，经过十几年来的研制、生产、应用，在技术攻关和设计水平上，有了长足的进步。目前在一些机种方面，如弧焊机器人、点焊机器人、喷涂机器人、搬运机器人、装配机器人、特种机器人(水下、爬壁、管道、遥控等机器人)，基本掌握了机器人操作机的设计制造技术，解决了控制、驱动系统的关键技术，还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线(工作站)及其周边配套设备的全线自动通信、协调控制技术；在基础元件方面，谐波减速器、机器人焊接电源、焊缝自动跟踪装置也有了突破。三、已经具备的技术基础理论研究

理论研究是工业机器人研制和应用的基础，在机器人技术基础方面，我国开展了机器人运动学、动力学与构型研究，机器人运动控制算法及机器人编程语言的研究，机器人内、外部传感器的研究与开发，多传感器控制系统的研究，离线编程技术、自诊断、安全保护技术等，基本掌握了工业机器人所有关键技术。关键元器件开发

在机器人单元技术和基础元器件研究开发方面，我国研制出了交、直流伺服电机及其驱动系统、测速发电机、光电编码器、液压（气动）元部件、滚珠丝杠、直线滚动导轨、谐波减速器、RV减速器、十字交叉滚子轴承、薄壁轴承等，并涌现出了一批具有较强实力的专业厂家。机器人系统设计技术在机器人控制装置研制方面，我国已经开发出了双CPU、多CPU和分级分层控制装置；模块化机器人控制器及相应控制单元。在机器人操作器研制方面，我国已经能够设计和生产点焊、弧焊、喷漆、装配等各类机器人，构型包括直角坐标式、平面多关节型、空间多关节型等，不少机器人拥有自主知识产权。新一代工业机器人技术的研究1)机器人本体优化设计技术2）新一代智能机器人控制器技术3）关键机器人部件单元制造技术4）机器人离线编程与仿真技术5）基于外部传感技术的机器人运动控制6）工业机器人产业化制造技术7）工业机器人故障远程诊断与修复技术8）工业机器人与成套装备协调作业技术9)复杂机电系统机构优化设计技术及对系统性能的影响10)具有柔性、高加速度。大负载机器人机构动力学建模、模型简化、辨识及控制方法机械本体动态设计和优化方法运动学仿真分析动力学仿真分析应力及强度计算根据设计要求（负载，工作空间等），确定基本的机器人几何结构和尺寸。然后采用静态计算去验证关节转矩并调整各个运动学参数。然后在各种边界条件下采用多目标优化算法优化结构及尺寸参数。机械本体动态设计分析流程

考虑在高动态应用要求下产生的柔性环节，引入摩擦、阻尼、间隙等非线性环节，将所建立的模型与实际系统的驱动模型和模拟软件相联系建立虚拟仿真模型，分析全域电机驱动力矩均方根植、低阶模态频率、系统动态响应、动态刚度各向一致性等系统动态特性指标；进行相关性及敏感性分析并进行再次优化，使机器人具有较高的动态特性和轨迹跟踪精度基于PC平台和实时系统的高性能控制器

基于PC平台的软控制器在减少开发成本，保证系统兼容性、提高系统计算能力和可靠性方面具有突出的优势，所以基于PC平台和实时系统的控制器必将是未来工业机器人发展的趋势。由于PC平台和内嵌实时系统的的使用，基于动态模型的控制算法和复杂的轨迹规划算法的应用成为可能。目前基于酷睿2双核的英特尔处理器和TwinCAT实时系统已经在点焊和搬运机器人的样机中得到了实验应用，其优良的性能提高了系统的轨迹精度和动态特性，并为高速的传感器（力，触觉）接口提供了可能。基于PC平台和实时系统的高性能控制器系统可靠性保证结构设计部件设计分析优化系统装配加工制造可靠性从设计、制造和管理三个方面入手，建立系统在设计、制造、集成和应用环节中的可靠性措施，并在测试和应用环节及时修正和改进出现的问题。元件采购测试应用四、产业化存在的问题基础零部件制造能力差

尽管我国在工业机器人的相关基础零部件方面已经有了很好的基础，但是无论是从质量、产品系列全面、还是批量化供给方面都与国外的产品有较大的差距，特别是在高性能交流伺服电机和高精密减速器方面的差距尤为明显。因此造成关键零部件的进口，影响了机器人的价格竞争能力。中国的工业机器人还没有形成自己的品牌

目前尽管已经有一批企业在从事工业机器人技术的开发，但是都没有形成较大的规模，缺乏市场的品牌认知度，在机器人的市场方面一直面临国外机器人品牌的竞争压力。国外机器人作为成熟的产业采用降低整机价格，吸引国内的企业购买，而后续的维护备件费用却很高的策略，逐步占领中国的市场。国家在鼓励工业机器人产品方面的政策很少日本战后为了鼓励企业使用机器人制定了相关的政策，极大的促进了工业机器人产业的发展，目前日本已经成为工业机器人第一产业大国。工业机器人作为高新技术产品，应该比照新能源中的电动汽车，出台相应的扶植政策，例如购买一台国产机器人，给予财政补贴，将会提高工业机器人产品生产与使用的积极性。五、工业机器人发展战略的几点建议以市场需求为导向抓住几个重点产品集中突破

市场需求是一个产品能否发展并形成产业的根本，在中国现阶段应该集中主要的技术力量和资金重点推进2~3种工业机器人的产业化开发，形成规模应用和总体技术的突破，以此带动机器人相关零部件生产企业的积极性和配套生产能力，具备与国际品牌工业机器人局部竞争的能力，为工业机器人产业化发展打好基础。汽车工业是工业机器人应用大户，我国已将汽车业作为支柱产业加以支持和发展，汽车行业中的机器人应该作为主导支持发展的对象。五、工业机器人发展战略的几点建议以企业为主体，推动产学研联盟建设，形成强大的研究、开发和销售应用队伍企业是机器人产业化的主体，应该优先筛选具有明确

的发展目标，有明确的机器人应用对象和市场需求容量及能够先期有一定量资金投入的企业作为机器人产业化资助的重点对象，同时充分利用现有强势研究单位在工业机器人技术开发上的技术积累，不搞重复工作，建立合理的技术开发、生产销售及应用的管理及激励机制充分发挥各方面的积极因素，按企业化的管理进行项目的实施，建立起集机器人研究开发、集约化配套生产、社会化销售服务为一体的企业集团。五、工业机器人发展战略的几点建议国家政策支持，是加速机器人产业化的重要前提机器人属于国家战略性高技术，是多项前沿技术和结合实力的体现，国家应该制定长远政策加以规划和发展。国内机器人公司目前面临许多困难，在技术、人才、资金等方面面临着国外大公司的激烈竞