1.2 机器人现状及国内外发展趋势

工业机器人的发展过程大致可以分为三个阶段，即可以将机器人划分为三代：第一代为示教再现型机器人，它主要由机械手、控制器和示教盒组成，通过示教存储程序和信息，按预先引导动作记录下信息，工作时读取信息再发出指令重复再现执行，如汽车工业中应用的点焊机器人，也是当前工业中应用最多的一类机器人；第二代为感觉型机器人［7，8］，类似于人存在某种功能的感觉，如声觉、力觉、触觉、滑觉、听觉和视觉等，它具有对某些外界信息进行反馈调整的能力，目前已进入应用阶段［9，10］；第三代为智能型机器人，它具有感知和理解外部环境的能力，在工作环境改变的情况下，也能够成功地完成任务。目前，真正的智能型机器人尚处于试验研究阶段。

1.2.1 我国工业机器人发展

我国的工业机器人从20世纪70年代开始起步，大致经历了三个重要阶段：萌芽期（20世纪70年代）、开发期（20世纪80年代）和实用化期（20世纪90年代以后）。尽管起步较晚，但在国家政策的大力支持下，特别是“863计划”的实施，将机器人技术作为一个重要的发展主题进行研究，先后投入了将近几个亿的经费用于机器人的研究开发，使得我国在机器人这一领域快速发展，如今已经成为世界上公认的机器人制造大国。目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术［11］、运动学和轨迹规划技术［12，13］，能够制造生产部分机器人关键元器件［14，15］，开发出了喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运［16］等工业机器人；其中喷漆机器人在企业的自动喷漆生产线（站）上已经获得规模应用，弧焊机器人也已广泛应用在汽车制造厂的焊装线上。

总体来说，我国工业机器人发展主要表现在如下三个方面。

（1）工业机器人的市场规模增速较快

相关调查报告显示，中国工业机器人市场规模整体增幅比较乐观，销售量和销售额都不断增长。在宏观经济和制造业增速下滑的态势下，中国工业机器人市场仍然维持一定增长速度。鉴于工业机器人替代空间巨大，预计未来几年，中国工业机器人市场仍将维持高速增长态势。

（2）工业机器人应用延伸

工业机器人与自动化成套装备是生产过程中的关键设备，能够用于制造、安装、检测、物流等多个生产环节，因此工业机器人广泛应用于汽车、电子、塑料、食品及金属加工等行业。近几年，中国工业机器人市场主要受汽车行业发展带动，目前主要以“汽车加电子”双轮驱动的形式进行发展。在汽车行业不景气的情况下，中国工业机器人市场的发展将更多地由电子行业发展带动。与此同时，随着工业机器人向着更深更远的方向发展以及智能化水平的提高，工业机器人的应用将从传统制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿、建筑及农业等各种非制造行业［17］。

（3）工业机器人提升空间大

目前，外资品牌工业机器人的市场表现远好于国产品牌，外资品牌销售量占比较国产品牌销售量占比高。国产品牌工业机器人价格较低，相比较外资品牌而言，国产品牌机器人在销售量和销售额以及产品品质等方面都有很大提升空间。我国的智能机器人和特种机器人也取得了不少成果，某些机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础［18，19］。

据国际机器人联合会数据显示：2016年全球工业机器人销量约29万台，同比增长14%，其中中国工业机器人销量9万台，同比增长31%。而在2016年底中国机器人产业联盟公布的《2016年上半年工业机器人市场统计数据》显示：2016年上半年国内机器人企业累计销售19257台机器人，较上年增长37.7%，增速比上年同期加快10.2%，实际销量比上年增长70.8%。我国工业机器人市场规模已经位居世界第一，国产机器人产品占据了可观的市场份额，发展态势迅猛，初具规模。

但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域较窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人较少。在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大。以上差距主要是因为没有形成强大的机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求进行设计，品种规格多、批量小，零部件通用化程度低，供货周期长且成本也不低，而且质量和可靠性不稳定。

2015年，中国提出了“中国制造2025”，重点强调了用两化（信息化和工业化）深度融合来引领和带动整个制造业的发展。围绕这一目标，工业机器人的研究、发展和应用成为中国制造业走向高端化和智能化的重中之重。目前迫切需要解决的是产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。

2016年工信部等单位联合印发了《机器人产业发展规划（2016～2020年）》，针对目前我国自主研发的机器人产品中减速器、伺服电动机等核心器件依赖进口的现象仍未根本改变的问题予以明确，并提出了发展规划。将选择支持重点单位，开展基础研发工作，大力支持机器人关键零部件制造水平的提升，以尽快摆脱机器人相关基础工业落后局面［20］。

1.2.2 国外机器人发展

早在1954年美国英格伯格和德沃尔（机器人之父）设计出第一台电子可编程序的工业机器人，并于1961年申请了该项专利，1962年美国通用汽车公司投入使用，开创了机器人应用的先河；1971年美国通用汽车公司又率先使用了点焊机器人。经过40多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一。美国麻省理工学院（MIT）一直是机器人科技研究的先驱，其仿生机器人实验室曾研究出猎豹、Atlas等轰动世界的军事机器人。那么，随着DeepMind AlphaGo、Atlas等前沿人工智能技术的发展，机器人领域的研究会出现哪些新的趋势呢？在CCF-GAIR全球人工智能与机器人峰会机器人专场上，MIT机器人实验室主任、美国国家工程院院士Daniela Rus就此曾作过报告演说，讲述世界机器人领域的前沿技术趋势。他提到机器人领域的“摩尔定律”，以前觉得太未来主义，但事实上我们一定程度上已经实现了，机器人可以用于送包裹、清理环境、货物整理、自动驾驶及生活辅助等场景［21，22］。

1968年，日本川崎重工业公司从美国Unimation公司引进机器人及技术，并于1970年试制出第一台工业机器人。起步虽较美国晚，但后来居上，如今生产和安装的机器人数量已大大超过美国，成为世界上工业机器人生产制造的第一大国，被誉为“工业机器人王国”。现在日本有名的工业机器人生产商有“安川电机”“发那科”“爱普生”“不二越”等。

20世纪70年代中后期，德国政府也采用了积极的行政手段促进工业机器人的研发与推广。在2010年德国提出工业4.0之后，世界制造业强国纷纷提出了自己在制造业方面的崭新构想。

近几年工业机器人主要有如下几个趋势。

①工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修）而单机价格不断下降。

②机械结构向模块化及可重构化发展［23］。例如关节模块中的伺服电机、减速机及检测系统三位一体化，由关节模块及连杆模块用重组方式构造机器人整机，模块化装配机器人等。

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，便于标准化和网络化。器件集成度提高，控制柜体积小且采用模块化结构，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，除采用传统的位置、速度及加速度等传感器外，装配和焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉及触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制［24］。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经从仿真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［1］，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”（Sojourner）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。从美国开发出“虚拟轴机床”（也称并联机床，Parallel Kinematics Machine Tools）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。

⑧智能化机器人成为国际社会关注的热点，其研究成果不断出现。