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作為實(shí)現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵技術(shù)，中國工業(yè)機(jī)器人市場在保持多年高速增長之后，迎來了銷量拐點(diǎn)。根據(jù)中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)與國際機(jī)器人聯(lián)合會初步匯總結(jié)果，2018年中國工業(yè)機(jī)器人市場累計(jì)銷售13.5萬臺，同比下降3.75%，市場銷量首次出現(xiàn)同比下降。

中國工業(yè)機(jī)器人市場銷量為何會出現(xiàn)下滑？工業(yè)機(jī)器人未來發(fā)展面臨哪些挑戰(zhàn)？有哪些關(guān)鍵技術(shù)需要突破？本期專題策劃分享多位專家對于工業(yè)機(jī)器人未來發(fā)展的見解。

于海斌：機(jī)器人是未來萬物互聯(lián)的智能終端

中國自動化學(xué)會副理事長、中國科學(xué)院沈陽自動化研究所所長于海斌

像機(jī)器人這樣一個萬億美元的市場，日后一定會走進(jìn)我們生活的各個方面。但是機(jī)器人每到一個新的環(huán)境，要做到與物理環(huán)境的深度融合，依舊面臨很大的挑戰(zhàn)。機(jī)器人對非結(jié)構(gòu)環(huán)境的認(rèn)知能力還有很大的提升空間。所以，在機(jī)器人編程、環(huán)境感知和人機(jī)交互方面仍存在一些挑戰(zhàn)。

從機(jī)器人發(fā)展的五十年歷程來看，從第一臺工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)，到大批量進(jìn)入制造業(yè)進(jìn)行多樣化地應(yīng)用，及至未來大批量地進(jìn)入家庭，呈現(xiàn)的是爆發(fā)性增長。但是這些機(jī)器人都是機(jī)器人的單體，并沒有和基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)聯(lián)起來。我們設(shè)想一下，在信息時代，改變?nèi)祟惿鐣漠a(chǎn)品，哪一樣能夠做到家喻戶曉、路人皆知但不和基礎(chǔ)設(shè)施聯(lián)接起來呢？汽車到處都有，它有一個強(qiáng)大的基礎(chǔ)設(shè)施支撐；手機(jī)現(xiàn)在無處不在，它有一個強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施支撐。因此，機(jī)器人作為智能終端，與信息基礎(chǔ)設(shè)施相連，將會是未來的發(fā)展趨勢。

機(jī)器人互聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，從機(jī)器人應(yīng)用和推廣或者技術(shù)需求的角度來提出來的。所以其核心問題是“兩個互聯(lián)”：一個是水平的互聯(lián)，一個是縱向的互聯(lián)。水平互聯(lián)就是機(jī)器人和機(jī)器人之間的協(xié)作。機(jī)床和機(jī)器人有挺大的區(qū)別，機(jī)器人能夠移動和自主認(rèn)知環(huán)境，機(jī)床聯(lián)網(wǎng)做運(yùn)動控制的時候?qū)讉€軸之間的協(xié)同精度要求非常高，但畢竟是在一個有限工作空間下。如果機(jī)器人要在跨地域或者可移動的未知環(huán)境下做到協(xié)同的話，現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時性很難滿足要求，因?yàn)樾枰鄠€維度的協(xié)同保證精度才能搞出一個確定的軌跡。

機(jī)器人互聯(lián)網(wǎng)的概念。它的內(nèi)涵應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人、物理過程、信息和人之間的橫向和縱向的兩個融合。這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是基于已有的技術(shù)，但是要對現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行提升和改造。特別是現(xiàn)在5G時代已經(jīng)到來，5G和4G最大的區(qū)別是在面向各個領(lǐng)域定制了自己的很多標(biāo)準(zhǔn)和要求。機(jī)器人互聯(lián)網(wǎng)從網(wǎng)絡(luò)角度來看是借助機(jī)器人促進(jìn)信息物理深度融合，從機(jī)器人的角度來看是借助互聯(lián)網(wǎng)的資源擴(kuò)充本身的能力。

機(jī)器人互聯(lián)網(wǎng)目前的應(yīng)用落地依然存在許多挑戰(zhàn)。重點(diǎn)體現(xiàn)在這樣幾個方面：第一是無縫集成，基礎(chǔ)技術(shù)有挑戰(zhàn)，特別是在離散制造業(yè)，如何構(gòu)建機(jī)器人無線協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，滿足高速互聯(lián)、高并發(fā)接入、高精度時間同步的要求。離散制造目前的指標(biāo)很難達(dá)到，即使達(dá)到了這樣的指標(biāo)，離散制造的指標(biāo)拿到機(jī)器人的高速高密度運(yùn)動的環(huán)境下還不能完全滿足要求。協(xié)作提供邊緣計(jì)算資源，成為了下一步這個平臺的背景下也蘊(yùn)含著非常多的基

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在計(jì)算方面，首先，計(jì)算任務(wù)遷移到云端難以滿足實(shí)時性要求。另外，本地的資源受限，無法處理那么多復(fù)雜的計(jì)算。因此，如何為機(jī)器人高效互聯(lián)協(xié)作提供邊緣計(jì)算資源，成為了下一步工作重點(diǎn)。

對于未來發(fā)展，機(jī)器人要能夠更廣泛普及地走到未來，我們在基礎(chǔ)設(shè)施、基礎(chǔ)平臺上還是面臨許多挑戰(zhàn)。當(dāng)然，這個平臺的背景下也蘊(yùn)含著非常多的基礎(chǔ)問題，總之，機(jī)器人發(fā)展要與信息技術(shù)深度融合，是未來值得關(guān)注的主要方向之一。

李立軍：破局高端機(jī)器人發(fā)展

寧波慈星股份有限公司董事/副總經(jīng)理李立軍

2018年中國工業(yè)機(jī)器人市場出現(xiàn)了明顯的下滑，2019年的情況也不樂觀，主要原因是占工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用量最大的兩個行業(yè)——汽車和3C行業(yè)出現(xiàn)了較大幅度的負(fù)增長。工業(yè)機(jī)器人本身只是一個通用的工具，在應(yīng)用層面必須結(jié)合工作對象和工藝進(jìn)行二次開發(fā)，受目前的技術(shù)和成本制約，普通的工業(yè)機(jī)器人比較適合從事確定的重復(fù)性工作，而對于更廣泛存在的小批量、多批次、柔性或低精度工作對象的自動化生產(chǎn)仍存在巨大瓶頸。

目前國內(nèi)有100多家工業(yè)機(jī)器人本體生產(chǎn)商，20多家控制系統(tǒng)解決方案商，以及面向各行各業(yè)的1000多家系統(tǒng)集成商，用的最多的是六軸關(guān)節(jié)臂機(jī)器人和四軸SCARA機(jī)器人，通過“機(jī)器換人”來減少工人在生產(chǎn)線上的重復(fù)勞動。但是，由于每家用戶的需求都不一樣，這樣的自動化項(xiàng)目基本都是非標(biāo)的，首臺套的研發(fā)投入很大，終端用戶覺得貴，難于達(dá)到預(yù)期的投資回報率。事實(shí)上，在很長一段時間里，單臺機(jī)器人在柔性工作能力方面還是很難與一個熟練工人相抗衡的。

當(dāng)然，如果從建設(shè)數(shù)字化工廠的高度來考量，工業(yè)機(jī)器人的合理應(yīng)用是能大大提升整體效率的，尤其是把工業(yè)機(jī)器人和其它的一些自動化裝置和設(shè)備配合使用，并把“好鋼”（工業(yè)機(jī)器人）用在“刀刃上”是工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用過程中需要重點(diǎn)考慮的問題。

制造業(yè)仍是我國的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，國家層面近幾年以來一直在倡導(dǎo)“智能制造”，通過智能技術(shù)來提升傳統(tǒng)制造業(yè)的生產(chǎn)水平和市場競爭力是一個明確的方向和趨勢，工業(yè)機(jī)器人作為“智能制造”環(huán)節(jié)里面一個重要的載體確實(shí)很重要，工業(yè)機(jī)器人的國產(chǎn)化有很大的現(xiàn)實(shí)意義。但到目前為止，高端制造領(lǐng)域所應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人超過70%源自進(jìn)口品牌，特別是發(fā)那科、ABB、庫卡和安川這四個海外品牌，國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人雖然在各地政府多項(xiàng)扶持政策的推動下，像雨后春筍一樣遍地叢生，但其中大部分產(chǎn)品無論在性能、壽命，還是穩(wěn)定性和可靠性方面都不盡人意，導(dǎo)致國產(chǎn)通用型工業(yè)機(jī)器人在口碑、售后成本和技術(shù)含量上均未實(shí)現(xiàn)真正意義上的突破。如何破局？筆者與業(yè)內(nèi)多位專家交流后整理了如下幾點(diǎn)供參考：

（1）建議國家對機(jī)器人本體及控制器兩方面都具備底層研發(fā)能力的企業(yè)進(jìn)行重點(diǎn)支持。機(jī)器人技術(shù)的難點(diǎn)就在于其是跨學(xué)科的研究，涉及機(jī)械、材料、工藝、控制、軟件、應(yīng)用技術(shù)等多個領(lǐng)域，現(xiàn)在很多“湊熱鬧”的機(jī)器人公司通過“掐頭去尾”來獲得各項(xiàng)政府補(bǔ)貼，卻并不能解決工廠的實(shí)際問題，這樣的公司與真正有技術(shù)含量的國產(chǎn)機(jī)器人公司形成惡性競爭關(guān)系，最終導(dǎo)致“劣幣驅(qū)逐良幣”，產(chǎn)業(yè)進(jìn)步遲滯不前。

（2）鼓勵定制化工業(yè)機(jī)器人的創(chuàng)新研究和開發(fā)，比如日本首先研發(fā)的SCARA機(jī)器人，其誕生是為了解決日本80年代日益增長的電子產(chǎn)品行業(yè)自動化生產(chǎn)需求，而很多中國機(jī)器人企業(yè)只是簡單的“拿來主義”，把海外產(chǎn)品拿來照搬照抄，常常知其然而不知其所以然。事實(shí)上，中國自動化生產(chǎn)的應(yīng)用場景和需求非常多樣化，是日美的上千倍，而且國內(nèi)也有一批真正沉下心做研究的企業(yè)掌握了一些有中國市場應(yīng)用特色的技術(shù)，比如非常有市場潛力的多機(jī)多軸高精度同步控制技術(shù)，這樣的企業(yè)可以深挖行業(yè)需求，開發(fā)面向具體行業(yè)的特種機(jī)器人，這樣的市場相當(dāng)大，沒必要去作同質(zhì)化競爭，陷入通用型機(jī)器人開發(fā)的陷阱。

（3）推動工業(yè)應(yīng)用軟件與機(jī)器人的融合。大家知道工業(yè)機(jī)器人“四大家族”背后其實(shí)不單單只是賣一個工業(yè)機(jī)器人本體，這四家企業(yè)都開發(fā)了強(qiáng)大的工業(yè)應(yīng)用和調(diào)試軟件，這是目前國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人非常欠缺的，國產(chǎn)機(jī)器人剛剛跨過“有點(diǎn)好用”這個門檻，在易用性方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到國際平均水平，很難讓全世界的機(jī)器人用戶們喜歡上我們國產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人。在互聯(lián)網(wǎng)方面，中國有阿里和騰訊這樣的領(lǐng)先企業(yè)，走在了該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的前列，而未來在工業(yè)自動化領(lǐng)域，中國一定也會出現(xiàn)這樣的企業(yè)，他們的產(chǎn)品和技術(shù)讓工業(yè)機(jī)器人使用更方便，人機(jī)交互更友好，用戶體驗(yàn)更完美。

（4）在一般工業(yè)領(lǐng)域，“機(jī)器換人”已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，尤其是在產(chǎn)品批量較大的汽車和3C行業(yè)，但是在小批量、多批次生產(chǎn)的場景下，普通的工業(yè)機(jī)器人已難于適應(yīng)，頻繁而繁瑣的機(jī)器人示教和編程工作大大降低了工廠和車間的運(yùn)作效率，新增的機(jī)器人應(yīng)用工程師崗位也增加了維運(yùn)成本，而機(jī)器視覺，特別是3D視覺技術(shù)的導(dǎo)入可以很好地解決這個問題，通過將機(jī)器視覺和工業(yè)機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行融合，可以更好地適應(yīng)柔性制造的場景。

楊桂林：協(xié)作機(jī)器人柔順運(yùn)動控制技術(shù)展望

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所高級研究員楊桂林

協(xié)作機(jī)器人已成為全球機(jī)器人產(chǎn)業(yè)中發(fā)展最為迅速，市場應(yīng)用最為廣闊的一類機(jī)器人，而協(xié)作機(jī)器人的柔順運(yùn)動控制技術(shù)對于實(shí)現(xiàn)安全、高效的人機(jī)協(xié)作至關(guān)重要。

從安全防護(hù)網(wǎng)走出來的協(xié)作機(jī)器人，正在逐步融入人類的生產(chǎn)和生活環(huán)境，也必將與人類實(shí)現(xiàn)安全、高效、緊密的交互與協(xié)作。未來等待協(xié)作機(jī)器人的將是更加多樣化的工作任務(wù)和更加復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，這對其柔順運(yùn)動控制技術(shù)提出了更高的要求。因此，協(xié)作機(jī)器人的柔順運(yùn)動控制方法需要不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，主要將呈現(xiàn)以下幾方面發(fā)展趨勢。

（1）通過驅(qū)動關(guān)節(jié)本體結(jié)構(gòu)創(chuàng)新提高協(xié)作機(jī)器人的安全性和柔順運(yùn)動控制性能。例如：創(chuàng)新設(shè)計(jì)可變阻抗的雙定子力矩電機(jī)，或是在驅(qū)動關(guān)節(jié)中引入輕質(zhì)高效的變阻抗/剛度裝置，并基于變阻抗/剛度驅(qū)動裝置設(shè)計(jì)相應(yīng)的柔順運(yùn)動控制器。通過關(guān)節(jié)本體的變阻抗/剛度特性和變阻抗控制算法的有機(jī)結(jié)合，可望顯著提高協(xié)作機(jī)器人柔順運(yùn)動控制性能。

（2）采用理論模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動模型相結(jié)合提高協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)的動力學(xué)建模精度。精確的動力學(xué)模型一方面能夠有效地提高協(xié)作機(jī)器人的軌跡跟蹤和力控制精度，另一方面便于控制器優(yōu)化和控制性能分析，從而有助于提高協(xié)作機(jī)器人柔順運(yùn)動控制性能。

（3）建立協(xié)作機(jī)器人柔順運(yùn)動性能的分析評價方法，為柔順運(yùn)動控制器優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。一方面需研究能夠表征機(jī)器人系統(tǒng)柔順運(yùn)動控制性能的指標(biāo)；另一方面是研究機(jī)器人控制系統(tǒng)中各因素對柔順控制性能（如穩(wěn)定性、魯棒性、控制精度）影響的分析方法，如驅(qū)動器響應(yīng)特性、摩擦力、采樣時間延遲、動力學(xué)模型誤差和交互環(huán)境不確定性等。

（4）采用三維視覺技術(shù)與力感知技術(shù)相結(jié)合，提高對非結(jié)構(gòu)化環(huán)境和人類行為的感知認(rèn)知能力。通過信息融合技術(shù)和人工智能技術(shù)的引入，既可以提高對非結(jié)構(gòu)化環(huán)境建模的可靠性和精度，又能夠?qū)θ祟惖膭幼骱托袨檫M(jìn)行認(rèn)知與預(yù)測，有助于對柔順運(yùn)動控制策略進(jìn)行優(yōu)化選擇，也有助于協(xié)作機(jī)器人期望阻抗參數(shù)的智能化調(diào)整，從而使協(xié)作機(jī)器人能夠更好地適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境并完成與人協(xié)作任務(wù)。

于海斌：機(jī)器人是未來萬物互聯(lián)的智能終端

李立軍：破局高端機(jī)器人發(fā)展

楊桂林：協(xié)作機(jī)器人柔順運(yùn)動控制技術(shù)展望

摘自《自動化博覽》2019年9月刊