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1 工業(yè)機(jī)器

工業(yè)機(jī)器發(fā)源于人類改造大自然的各種嘗試，例如：約5000年前，在修建金字塔的過程中，就使用了滾木來搬運(yùn)巨石；約2400年前，阿基米德用螺旋將水提升至高處，是今天螺旋式輸送機(jī)的始祖；約2000年前，東漢“水排”用水力鼓風(fēng)煉鐵，其實(shí)已經(jīng)應(yīng)用了齒輪和連桿機(jī)構(gòu)，如圖1、圖2所示；約800多年前，阿拉伯的賈扎里發(fā)明了曲軸和凸輪軸，這是近現(xiàn)代機(jī)械中最重要的兩個(gè)動(dòng)力傳輸部件；到了達(dá) ·芬奇所在的文藝復(fù)興時(shí)代，現(xiàn)在最常用的一些機(jī)構(gòu)型式即已基本知曉。李約瑟《中國科學(xué)技術(shù)史》指出中國古代在工程機(jī)械領(lǐng)域曾取得遙遙領(lǐng)先西方的成果。

圖1 用螺旋將水提升至高處

圖2 東漢“水排”用水鼓風(fēng)煉鐵

18世紀(jì)瓦特改進(jìn)的蒸汽機(jī)帶來了動(dòng)力的變革，推動(dòng)了第一次工業(yè)革命，紡織機(jī)、車床等各種由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)業(yè)機(jī)械如雨后春筍般出現(xiàn)。19世紀(jì)電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明則推動(dòng)了第二次工業(yè)革命。20世紀(jì)計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)的迅猛發(fā)展帶來了第三次工業(yè)革命，反映在工業(yè)機(jī)器上則是機(jī)電一體化與微處理器芯片的廣泛應(yīng)用，帶來了各種機(jī)器的全面爆發(fā)與繁榮。

從公元1世紀(jì)希臘數(shù)學(xué)家希羅發(fā)明的凸輪，到公元18世紀(jì)大數(shù)學(xué)家歐拉提出采用漸開線作為齒輪的齒廓，數(shù)學(xué)家在機(jī)械創(chuàng)新和工業(yè)機(jī)器中起到重要作用，使高速、大功率的機(jī)械傳動(dòng)成為可能，逐漸涌現(xiàn)出各種大傳動(dòng)比、結(jié)構(gòu)緊湊的新型傳動(dòng)，高速的步進(jìn)機(jī)構(gòu)，精密的滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)，機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新深深影響了工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，特別是減速機(jī)與電機(jī)成為工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵零部件。

工業(yè)機(jī)器不止限于特定的機(jī)械裝置或機(jī)電一體化裝備，20世紀(jì)50年代喬治·迪沃開啟了用具有一定通用性的工業(yè)機(jī)器人完成一些任務(wù)的新時(shí)代。從20世紀(jì)60年代的可編程移機(jī)UnimaTIon機(jī)器人到率先在通用汽車應(yīng)用的可編程通用裝配機(jī)（PUMA），美、日、歐開始競相研發(fā)工業(yè)機(jī)器人，推動(dòng)了工業(yè)機(jī)器人成為工業(yè)生產(chǎn)線不可或缺的工業(yè)機(jī)器。1973年ABB機(jī)器人（原ASEA）推出的IRB6工業(yè)機(jī)器人首次采用全電動(dòng)微型處理器控制，控制器從此成為工業(yè)機(jī)器人的核心零部件，基于數(shù)學(xué)模型的機(jī)器人控制系統(tǒng)成為工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮作用的一個(gè)關(guān)鍵。我國對工業(yè)機(jī)械手和工業(yè)機(jī)器人的研究也分別始于十九世紀(jì)50年代與70年代，但與西方相比，我國工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用相對滯后，但近一二十年在國家政策引導(dǎo)與需求推動(dòng)下發(fā)展迅速。

2 強(qiáng)需弱機(jī)

圖3 工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量預(yù)計(jì)（數(shù)據(jù)來源：IFR）

工業(yè)機(jī)器人有著極為強(qiáng)勁的實(shí)際需求，在汽車制造等領(lǐng)域西方發(fā)達(dá)國家已經(jīng)大規(guī)模地應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人來代替人工。根據(jù)IFR的數(shù)據(jù)，2013年中國機(jī)器人新增量為 36,500臺(tái)，已超越其它發(fā)達(dá)國家躍居世界第一。中國是制造業(yè)大國，幾乎所有的制造業(yè)細(xì)分行業(yè)都用到大量的產(chǎn)業(yè)工人，人口紅利曾是我國改革開放以來國家取得驚人奇跡的一個(gè)關(guān)鍵因素。但隨著中國人口結(jié)構(gòu)深刻變化、勞動(dòng)力成本上升、安全生產(chǎn)意識(shí)增強(qiáng)，年輕人不愿進(jìn)行危險(xiǎn)、枯燥、骯臟環(huán)境下的工作或者重復(fù)性、難以體現(xiàn)價(jià)值的勞動(dòng)，倒逼中國工業(yè)必須進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)，加之中美貿(mào)易爭端的焦點(diǎn)也是《中國制造2025》，從而工業(yè)機(jī)器人已成為很多企業(yè)的剛需，可以預(yù)見中國的工業(yè)機(jī)器人在未來還將會(huì)有大的發(fā)展。近二十年來，國家的重大項(xiàng)目都有工業(yè)機(jī)器人方面的支持，國內(nèi)各個(gè)地區(qū)、省市也在大力投資機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)建設(shè)，若干中國品牌的工業(yè)機(jī)器人也已初步嶄露頭角，在中低端工業(yè)機(jī)器人市場中占有一席之地。

面對強(qiáng)勁的工業(yè)機(jī)器人需求，工業(yè)機(jī)器人特別是我國國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人在應(yīng)用中的實(shí)際水平如何？

先說國外的工業(yè)機(jī)器人廠商。2017年后大型外國工業(yè)機(jī)器人公司的相繼進(jìn)駐國內(nèi)。2018年3月，上海發(fā)那科機(jī)器人有限公司成立全資子公司—廣州發(fā)那科機(jī)器人有限公司；2018年4月，ABB機(jī)器人青島應(yīng)用中心新址啟用；2018年6月，安川（中國）機(jī)器人有限公司第三工廠正式開業(yè)。這些都說明中國市場龐大的體量對外資的吸引力。“四大家族”擁有減速器、伺服電機(jī)、控制器等核心零部件的核心技術(shù)，占領(lǐng)了全世界包括中國的主要市場份額。

再說國內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人廠商。近年來，特別是習(xí)近平總書記在兩院院士大會(huì)上談及“制造業(yè)皇冠的明珠”之后，各種工業(yè)機(jī)器人公司如雨后春筍般出現(xiàn)。廣闊的需求、資本的追逐、國家的補(bǔ)助對工業(yè)機(jī)器人的普及起到了一定促進(jìn)作用，特別是我國中低端機(jī)器人市場殘酷的價(jià)格戰(zhàn)大大拉低了工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用門檻，使得低精度、低速度、低難度的簡單應(yīng)用場景能夠開始應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人。然而，整體上中國的工業(yè)機(jī)器人廠商呈現(xiàn)出重融資補(bǔ)貼、偏低級(jí)組裝、無核心技術(shù)、少優(yōu)秀人才、靠進(jìn)口器件的特點(diǎn)，產(chǎn)品售價(jià)一再下降，利潤受限乃至普遍虧損，加之國外廠商的咄咄緊逼，從而舉步維艱。

不管是國外機(jī)器人廠商還是國內(nèi)機(jī)器人廠商，還都面臨一個(gè)普遍的困境：一方面幾乎所有用工場合都有機(jī)器換人的強(qiáng)烈需求，但另一方面大量用工場合通用的工業(yè)機(jī)器人難以發(fā)揮作用。這是由于單獨(dú)的工業(yè)機(jī)器人本體若沒有夾具、治具、工裝的配合，幾乎是什么實(shí)際任務(wù)都不能完成；此外，現(xiàn)有多數(shù)應(yīng)用中工業(yè)機(jī)器人都在重復(fù)做軌跡固定的固定任務(wù)，這使得工業(yè)機(jī)器人普遍呈現(xiàn)“弱智”的特點(diǎn)，難以替代工廠里的大量工人。比如，筆者曾看到有的工廠（比如生產(chǎn)高清線的工廠），每一道工序都需要經(jīng)過專門培訓(xùn)的工人來進(jìn)行操作，工人每一步操作的對象都具有不確定的位置、姿態(tài)或形態(tài)，雖然工人的動(dòng)作本身看起來并不十分復(fù)雜，但卻難以靠給工業(yè)機(jī)器人編一個(gè)固定軌跡的程序來實(shí)現(xiàn)。這就引發(fā)我們討論目前工業(yè)機(jī)器人的根本困難——工業(yè)機(jī)器人怎么樣更加智能？

3 智能風(fēng)起

人類幾千年前就憧憬著像人一樣的智能機(jī)器，比如《列子》中記載：“巧夫，顉其頤，則歌合律；捧其手，則舞應(yīng)節(jié)。千變?nèi)f化，惟意所適。王以為實(shí)人也，與盛姬內(nèi)御并觀之。”這是工匠偃師向周穆王進(jìn)獻(xiàn)的機(jī)器人偶，已承載了模擬人類眼睛看、耳朵聽、嘴巴說、腿腳行、手臂動(dòng)、大腦思的夢想。二十多年前，尼葛洛龐帝《數(shù)字化生存》一書預(yù)言“比特的世界”會(huì)成為“人類新空間”，今天已變成現(xiàn)實(shí)，智能手機(jī)等智能機(jī)器已成為“數(shù)字化生活”的典型載體。

回到工業(yè)機(jī)器人，前面已提到許多的需求呼喚智能化的工業(yè)機(jī)器人。比如，只能按固定軌跡焊接工件的焊接機(jī)器人，哪怕重復(fù)定位精度很高，只要待焊工件有結(jié)構(gòu)變形或工件放置位置有偏差，就都會(huì)造成焊接質(zhì)量不高甚至把工件徹底焊廢，所以具有焊縫跟蹤功能的焊接機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。一般來說，工業(yè)機(jī)器人本體談不上有什么智能，但通過視覺傳感器、激光傳感器、力傳感器來實(shí)現(xiàn)對工件的定位、對環(huán)境的認(rèn)知，智能機(jī)器人系統(tǒng)可通過軟件算法的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)規(guī)劃計(jì)算，經(jīng)由機(jī)器人控制器給驅(qū)動(dòng)器發(fā)出底層運(yùn)動(dòng)控制指令，使得機(jī)器人不僅能按固定軌跡來進(jìn)行作業(yè)，還能在一定程度上像人一樣“邊看邊做”，“邊做邊調(diào)整”，從而將大大擴(kuò)展工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用空間。

隨著機(jī)器視覺、計(jì)算機(jī)視覺、傳感器、人工智能（特別是機(jī)器學(xué)習(xí)）等技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人將煥發(fā)新機(jī)，從機(jī)械創(chuàng)新到算法創(chuàng)新，從固定軌跡到動(dòng)態(tài)作業(yè)，從慢速感知到高速感知，從被動(dòng)決策到主動(dòng)決策，從通用芯片到專用芯片，不一而足，我們必將進(jìn)入一個(gè)智能工業(yè)機(jī)器人的時(shí)代。

4 未來有期

機(jī)器人產(chǎn)業(yè)曾展現(xiàn)了數(shù)年的繁榮，但資本寒冬使得隱藏在資本和補(bǔ)助背后的問題快速顯現(xiàn)。在2019年1月舉行的首屆中國機(jī)器人行業(yè)年會(huì)上，多位專家指出國內(nèi)機(jī)器人行業(yè)已漸趨理性，重新洗牌,講故事就能融資的時(shí)代已成歷史，去年很多企業(yè)相繼倒閉。那么工業(yè)機(jī)器人的未來會(huì)怎么樣？

首先，大浪淘沙，洗盡鉛華。擁有核心競爭力的工業(yè)機(jī)器人企業(yè)如能熬過資金困境，經(jīng)歷市場洗禮，以較好的性價(jià)比滿足實(shí)際需求，未來將贏得更多的發(fā)展機(jī)會(huì)。

其次，應(yīng)用下沉，場景分化。中國是全世界對工業(yè)機(jī)器人需求最大的國家，個(gè)性化的需求非常普遍，細(xì)分市場蘊(yùn)含著大量的機(jī)會(huì)，與四大家族產(chǎn)品進(jìn)行差異化競爭是可行之路。

然后，交叉融合，智能感控。機(jī)器人本體僅僅是一個(gè)具有一定精度、速度的多自由度執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用的爆發(fā)，必將有賴各種技術(shù)的交叉融合，特別是傳感技術(shù)、機(jī)器視覺及嵌入式人工智能技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中將發(fā)揮重要的作用，智能感知與智能控制形成實(shí)時(shí)閉環(huán)，才能解決影響工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的根本難題。

最后，以工為本，與人為友。傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人需要圍欄防護(hù)，近年來出現(xiàn)了所謂協(xié)作機(jī)器人的技術(shù)創(chuàng)新，更加緊湊的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)與更加安全的操作方式，反映了人們對更友好工業(yè)機(jī)器人的需求。然而，從偽協(xié)作到真協(xié)作，從傳統(tǒng)的復(fù)雜編程到未來的傻瓜式應(yīng)用，還有長長的路要走，自適應(yīng)控制、智能規(guī)劃、動(dòng)態(tài)避障、人機(jī)交互、人機(jī)協(xié)作、人工智能等技術(shù)從理論到落地還面臨諸多挑戰(zhàn)。

與服務(wù)機(jī)器人相比，目前的很多服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品看起來更像人，由于“動(dòng)口不動(dòng)手”，服務(wù)能力極度缺乏甚至完全沒有，對應(yīng)的需求很多是軟性非必需的；而工業(yè)機(jī)器人正好相反，其本質(zhì)定位是“工業(yè)機(jī)器”，往往“動(dòng)手不動(dòng)口”，但由于人工成本的增加常常對應(yīng)剛性的需求。我們有理由相信，未來這兩類機(jī)器人會(huì)互相借鑒融合，其界限會(huì)逐漸模糊化，隨著機(jī)器人智能化的發(fā)展，一方面在細(xì)分領(lǐng)域深化各自的應(yīng)用，一方面延拓其應(yīng)用的空間。

筆者曾在國家機(jī)器人發(fā)展論壇上提出“機(jī)器人不可能三角”（如圖4所示）。對機(jī)器人來說，人們一直有著美好的想象與憧憬，但回到現(xiàn)實(shí)，很多機(jī)器人產(chǎn)品的首要根本問題是最基礎(chǔ)最根本的功能或性能不過關(guān)，這是很多產(chǎn)品失敗的主要原因。在功能/性能能夠真正滿足實(shí)際需求的基礎(chǔ)上，成本與體驗(yàn)將成為決定機(jī)器人產(chǎn)品生死的兩極，無論是軟硬件成本上具有顯著優(yōu)勢，還是用戶使用體驗(yàn)上具有獨(dú)特特色，都可以大大增強(qiáng)機(jī)器人產(chǎn)品的競爭力。對中國的工業(yè)機(jī)器人廠商來說，基礎(chǔ)不穩(wěn)的前提下拼價(jià)格，風(fēng)險(xiǎn)顯而易見。不過隨著國內(nèi)少數(shù)優(yōu)秀企業(yè)在電機(jī)、減速機(jī)、控制器等核心零部件上的不斷投入與技術(shù)發(fā)展以及逐漸建立品牌認(rèn)知度，相信中國制造的優(yōu)勢在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域也會(huì)展現(xiàn)出來。

圖4 機(jī)器人需求不可能三角

作為結(jié)語，重提一下筆者提過的“機(jī)器人摩爾定律”。在半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域，摩爾定律推動(dòng)了整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的高速指數(shù)速度發(fā)展；但在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，實(shí)際中得到應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量雖然一直增長，但并未展現(xiàn)出類似摩爾定律的爆發(fā)式增長。原因何在？一方面工業(yè)機(jī)器人高居不下的價(jià)格影響了其快速增長，另一方面不能在應(yīng)用場景中快速批量復(fù)制也使得工業(yè)機(jī)器人的推廣困難重重。兩者形成“量”與“價(jià)”的悖論。破除這一悖論的關(guān)鍵是使用工業(yè)機(jī)器人的傳統(tǒng)模式必須進(jìn)行變革，把蘊(yùn)含在工業(yè)機(jī)器人中的巨大生產(chǎn)力解放出來，使工業(yè)自動(dòng)化邁入工業(yè)智能化的時(shí)代。我們將為此持續(xù)努力，未來已來！

作者簡介：

馬宏賓（1978-），男，2006年7月畢業(yè)于中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院，2009年8月至今為北京理工大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，以“適應(yīng)·學(xué)習(xí)·認(rèn)知”為中心針對機(jī)器人、無人車及無人機(jī)等智能系統(tǒng)開展多方面的研究。曾入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃和北京市優(yōu)秀人才資助計(jì)劃，獲霍英東高等院校青年教師獎(jiǎng)、吳文俊人工智能科學(xué)獎(jiǎng)、優(yōu)秀科技成果大賽金獎(jiǎng)、中國創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽優(yōu)秀獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)。擔(dān)任信標(biāo)委人工智能分委會(huì)委員，參與多項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)研制。發(fā)表SCI/EI檢索論文百余篇，與合作者出版多部專著及英文章節(jié)以及受邀參與撰寫中國控制理論戰(zhàn)略報(bào)告自適應(yīng)控制部分。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年9月刊