任务1.1 工业机器人的发展历程认知
学习任务描述
在简单了解世界各地对机器人的定义的基础上，能够了解工业机器人的发展历史和发展趋势。
学习任务实施
1.1.1 工业机器人的定义
工业机器人的定义有很多，原因之一是机器人还在继续发展，新的机型、新的功能不断涌现。下面将介绍国际上对于工业机器人给出的定义。
美国机器人协会将工业机器人定义为：一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机。
日本工业机器人协会指出：工业机器人是一种带有存储器件和末端操作器的通用机械，它能够通过自动化的动作代替人类劳动。
我国科学家对工业机器人的定义是：工业机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。
国际标准化组织定义：工业机器人是一种仿生的、具有自动控制能力的、可重复编程的、多功能、多自由度的操作机械。
由此不难发现，工业机器人是由仿生机械结构、电动机、减速器和控制系统组成的，用于从事工业生产，能够自动执行工作指令的机械装置。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现在工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则和纲领行动，如图1-1所示。
1.1.2 工业机器人的发展历史
大千世界，万事万物都遵循着从无到有、从低到高的发展规律，机器人也不例外。早在三千多年前的西周时代，中国就出现了能歌善舞的木偶，称为“倡者”，这可能是世界上最早的“机器人”。然而真正工业机器人的出现并不久远，20世纪50、60年代，随着机构理论和伺服理论的发展，机器人开始进入了实用化和工业化阶段。
图1-1 ABB双臂机器人YuMi
1954年，美国的乔治·德沃尔提出了一个与工业机器人有关的技术方案，并申请了“通用机器人”专利。该专利的要点在于借助伺服技术来控制机器人的各个关节，同时可以利用人手完成对机器人工作的示教，实现机器人动作的记录和再现。
1959年，德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人Unimate，如图1-2所示，机器人的历史才真正拉开帷幕。1960年，美国机器和铸造公司AMF生产了柱坐标型机器人Versatran，如图1-3所示。Versatran机器人可进行点位和轨迹控制，是世界上第一台用于工业生产的机器人。
图1-2 Unimate机器人
图1-3 Versatran机器人
20世纪70年代的日本正面临着严重的劳动力短缺，这个问题已成为制约其经济发展的一个主要问题。此时在美国诞生并已投入生产的工业机器人给日本带来了福音。日本在1967年从美国引进第一台机器人。1967年以后，随着微电子技术的快速发展和市场需求的急剧增加，工业机器人在日本企业里受到了“救世主”般的欢迎，并得到了快速发展。如今，无论是机器人的数量还是机器人的密度，日本都位居世界第一，素有“机器人王国”之称。
德国引进机器人的时间比英国和瑞典晚了五六年，但战争所导致的劳动力短缺，国民的技术水平较高等因素却为工业机器人的发展、应用提供了有利条件。此外，德国规定，对于一些危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动。这为机器人的应用开拓了广泛的市场，并推动了工业机器人技术的发展。目前，德国工业机器人的总数占世界第二位，仅次于日本。
法国政府一直比较重视机器人技术，通过大力支持一系列研究计划，建立了一个完整的科学技术体系，使法国机器人的发展比较顺利。政府组织的项目特别注重机器人基础技术方面的研究，把重点放在开展机器人的应用研究上。而由工业界支持开展应用和开发方面的工作，两者相辅相成，使机器人在法国企业界得以迅速发展和普及，从而使法国在国际工业机器人界拥有不可或缺的一席之地。
近年来，意大利、瑞士、西班牙、芬兰、丹麦等国家由于本国内机器人市场的需求较大，发展速度非常快。
目前，国际上的工业机器人公司主要为日系和欧系。日系机器人公司主要有安川、OTC、松下和发那科。欧系机器人公司主要有德国的KUKA、CLOOS，瑞士的ABB，意大利的COMAU，英国的Autotech Robotics等。
我国工业机器人起步于20世纪70年代初期。经过40多年发展，大致经历了三个阶段：70年代萌芽期、80年代的开发期和90年代后的应用期。20世纪70年代，清华、哈工大、华中科大、沈阳自动化研究所等一批高校和科研院所最早开始了工业机器人的理论研究。20世纪80~90年代，沈阳自动化研究所和中国第一汽车制造集团进行了机器人的试制和初步应用工作。进入21世纪以来，在国家政策的大力支持下，广州数控、沈阳新松、安徽埃夫特、南京埃斯顿等一批优秀的本土机器人公司开始涌现，工业机器人也开始在中国形成了初步产业化规模。现在，国家更加重视机器人工业的发展，也有越来越多的企业和科研人员投入到机器人的开发研究中。
目前，我国的科研人员已基本掌握了工业机器人的结构设计和制造技术、控制系统硬件和软件技术、运动学和轨迹规划技术，也具备了机器人部分关键元器件的规模化生产能力。一些公司开发出的喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人已经在多家企业的自动化生产线上获得规模应用。
总体来看，我国的工业机器人由于起步较晚，在技术开发和工程应用水平上与国外相比还有一定的差距。主要表现在以下几个方面：
1）创新能力较弱，核心技术和核心部件受制于人，尤其是高精度的减速器长期需要进口，缺乏自主研发产品，影响总体机器人的产业发展。
2）产业规模小，市场满足率低，相关基础设施服务体系建设明显滞后。中国工业机器人企业虽然形成了自己的部分品牌，但不能与国际知名品牌形成有力竞争。
3）行业归口、产业规划需要进一步明确。
随着工业机器人应用越来越广泛，国家也在积极推动我国机器人产业的发展。尤其是进入“十三五”以来，国家出台的《机器人产业发展规划（2016—2020）》对机器人产业进行了全面规划，要求行业、企业搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进工业机器人产业化进程。
1.1.3 工业机器人的发展趋势
工业机器人在许多生产领域的应用实践中证明，它在提高生产自动化水平、提高劳动生产率、提升产品质量及经济效益、改善工人劳动条件等方面，取得了令世人瞩目的成绩。随着科学技术的进步，机器人产业必将得到更加快速的发展，工业机器人将得到更加广泛的应用。
1.技术发展趋势
在技术发展方面，工业机器人正向结构轻量化、智能化、模块化和系统化的方向发展。未来主要的发展趋势如下：
1）机器人结构的模块化和可重构化。
2）控制技术的高性能化、网络化。
3）控制软件架构的开放化、高级语言化。
4）伺服驱动技术的高集成度和一体化。
5）多传感器融合技术的集成化和智能化。
6）人机交互界面的简单化、协同化。
2.应用发展趋势
自工业机器人诞生以来，汽车行业一直是其应用的主要领域，2014年，北美机器人工业协会在年度总结报告中指出，截至2013年年底，汽车行业仍然是北美机器人最大的应用市场，但其在电子、电气、金属加工、化工、食品等行业的出货量却增速迅猛。由此可见，未来工业机器人的应用依托汽车行业，并迅速向各行业延伸。对于机器人行业来讲，这是一个非常积极的信号。
3.产业发展趋势
近年，随着劳动力成本不断上涨，工业领域“机器换人”现象普遍，工业机器人市场与产业也因此逐渐发展起来。由于中国城镇单位就业人员平均工资已经从10年前的18200元飙涨至56399元，高成本劳动力施压下，利用工业机器人转型智能制造成为发展趋势，也是中国制造业的重大战略之一。
2014年，中国工业机器人销量为5.7万台，同比增长了55%；2015年，销量达到6.8万台，同比增长19%；2016年，销量达到近9万台；2017年，销量突破10万台。综合以上因素，我们预计，2018年中国工业机器人销量将达到12.7万台，未来五年（2018~2022）年均复合增长率约为23.24%，2022年中国工业机器人销量将达到29.3万台，2018~2022年中国工业机器人销量预测如图1-4所示。
图1-4 2018~2022年中国工业机器人销量预测（单位：万台）
自2013年以来，中国已成为全球最大的机器人消费国。我们预计，2018年中国工业机器人市场规模将达到22.3亿美元，未来五年（2018~2022）年均复合增长率约为22.73%，2022年中国工业机器人市场规模将达到50.6亿美元，2018~2022年中国工业机器人市场规模预测如图1-5所示。
图1-5 2018~2022年中国工业机器人市场规模预测（单位：亿美元）
未来中国市场各种机器人的增长潜力巨大。一方面，随着人口红利减少，劳动力短缺、劳动力成本上升，中国相对于其他发展中国家的劳动力成本优势慢慢弱化，劳动密集型产业逐步向东南亚其他国家转移。印度为吸引外资制定了较中国更为优惠的政策措施，而其专业人才的质量也不在中国之下，两国在劳动密集型产品上的竞争很激烈。另一方面，政府也在促进关键岗位机器人应用，尤其是在危害健康、作业环境危险、重复繁重劳动、智能采样分析等岗位上推广一批专业机器人。就我国而言，现阶段是工业机器人发展的一个重大挑战与机遇，迎接挑战并克服困难就能使我们在日益激烈的竞争中处于有利地位。抓住这次机遇，努力进行研发工作，力求使我国工业机器人的技术水平在国际上占有一席之地。