1 工業(yè)機器

工業(yè)機器發(fā)源于人類(lèi)改造大自然的各種嘗試，例如：約5000年前，在修建金字塔的過(guò)程中，就使用了滾木來(lái)搬運巨石；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)應用了齒輪和連桿機構，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，這是近現代機械中最重要的兩個(gè)動(dòng)力傳輸部件；到了達 ·芬奇所在的文藝復興時(shí)代，現在最常用的一些機構型式即已基本知曉。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世紀瓦特改進(jìn)的蒸汽機帶來(lái)了動(dòng)力的變革，推動(dòng)了第一次工業(yè)革命，紡織機、車(chē)床等各種由動(dòng)力驅動(dòng)的產(chǎn)業(yè)機械如雨后春筍般出現。19世紀電動(dòng)機和內燃機的發(fā)明則推動(dòng)了第二次工業(yè)革命。20世紀計算機及信息技術(shù)的迅猛發(fā)展帶來(lái)了第三次工業(yè)革命，反映在工業(yè)機器上則是機電一體化與微處理器芯片的廣泛應用，帶來(lái)了各種機器的全面爆發(fā)與繁榮。

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

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

2 強需弱機

圖3 工業(yè)機器人產(chǎn)量預計（數據來(lái)源：IFR）

工業(yè)機器人有著(zhù)極為強勁的實(shí)際需求，在汽車(chē)制造等領(lǐng)域西方發(fā)達國家已經(jīng)大規模地應用工業(yè)機器人來(lái)代替人工。根據IFR的數據，2013年中國機器人新增量為 36,500臺，已超越其它發(fā)達國家躍居世界第一。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(kāi)放以來(lái)國家取得驚人奇跡的一個(gè)關(guān)鍵因素。但隨著(zhù)中國人口結構深刻變化、勞動(dòng)力成本上升、安全生產(chǎn)意識增強，年輕人不愿進(jìn)行危險、枯燥、骯臟環(huán)境下的工作或者重復性、難以體現價(jià)值的勞動(dòng)，倒逼中國工業(yè)必須進(jìn)行轉型升級，加之中美貿易爭端的焦點(diǎn)也是《中國制造2025》，從而工業(yè)機器人已成為很多企業(yè)的剛需，可以預見(jiàn)中國的工業(yè)機器人在未來(lái)還將會(huì )有大的發(fā)展。近二十年來(lái)，國家的重大項目都有工業(yè)機器人方面的支持，國內各個(gè)地區、省市也在大力投資機器人的產(chǎn)業(yè)建設，若干中國品牌的工業(yè)機器人也已初步嶄露頭角，在中低端工業(yè)機器人市場(chǎng)中占有一席之地。

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

先說(shuō)國外的工業(yè)機器人廠(chǎng)商。2017年后大型外國工業(yè)機器人公司的相繼進(jìn)駐國內。2018年3月，上海發(fā)那科機器人有限公司成立全資子公司—廣州發(fā)那科機器人有限公司；2018年4月，ABB機器人青島應用中心新址啟用；2018年6月，安川（中國）機器人有限公司第三工廠(chǎng)正式開(kāi)業(yè)。這些都說(shuō)明中國市場(chǎng)龐大的體量對外資的吸引力?！八拇蠹易濉睋碛袦p速器、伺服電機、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(chǎng)份額。

再說(shuō)國內的工業(yè)機器人廠(chǎng)商。近年來(lái)，特別是習近平總書(shū)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)機器人公司如雨后春筍般出現。廣闊的需求、資本的追逐、國家的補助對工業(yè)機器人的普及起到了一定促進(jìn)作用，特別是我國中低端機器人市場(chǎng)殘酷的價(jià)格戰大大拉低了工業(yè)機器人的應用門(mén)檻，使得低精度、低速度、低難度的簡(jiǎn)單應用場(chǎng)景能夠開(kāi)始應用工業(yè)機器人。然而，整體上中國的工業(yè)機器人廠(chǎng)商呈現出重融資補貼、偏低級組裝、無(wú)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(chǎng)商的咄咄緊逼，從而舉步維艱。

不管是國外機器人廠(chǎng)商還是國內機器人廠(chǎng)商，還都面臨一個(gè)普遍的困境：一方面幾乎所有用工場(chǎng)合都有機器換人的強烈需求，但另一方面大量用工場(chǎng)合通用的工業(yè)機器人難以發(fā)揮作用。這是由于單獨的工業(yè)機器人本體若沒(méi)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，現有多數應用中工業(yè)機器人都在重復做軌跡固定的固定任務(wù)，這使得工業(yè)機器人普遍呈現“弱智”的特點(diǎn)，難以替代工廠(chǎng)里的大量工人。比如，筆者曾看到有的工廠(chǎng)（比如生產(chǎn)高清線(xiàn)的工廠(chǎng)），每一道工序都需要經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)培訓的工人來(lái)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(lái)并不十分復雜，但卻難以靠給工業(yè)機器人編一個(gè)固定軌跡的程序來(lái)實(shí)現。這就引發(fā)我們討論目前工業(yè)機器人的根本困難——工業(yè)機器人怎么樣更加智能？

3 智能風(fēng)起

人類(lèi)幾千年前就憧憬著(zhù)像人一樣的智能機器，比如《列子》中記載：“巧夫，顉其頤，則歌合律；捧其手，則舞應節。千變萬(wàn)化，惟意所適。王以為實(shí)人也，與盛姬內御并觀(guān)之?！边@是工匠偃師向周穆王進(jìn)獻的機器人偶，已承載了模擬人類(lèi)眼睛看、耳朵聽(tīng)、嘴巴說(shuō)、腿腳行、手臂動(dòng)、大腦思的夢(mèng)想。二十多年前，尼葛洛龐帝《數字化生存》一書(shū)預言“比特的世界”會(huì )成為“人類(lèi)新空間”，今天已變成現實(shí)，智能手機等智能機器已成為“數字化生活”的典型載體。

回到工業(yè)機器人，前面已提到許多的需求呼喚智能化的工業(yè)機器人。比如，只能按固定軌跡焊接工件的焊接機器人，哪怕重復定位精度很高，只要待焊工件有結構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器人應運而生。一般來(lái)說(shuō)，工業(yè)機器人本體談不上有什么智能，但通過(guò)視覺(jué)傳感器、激光傳感器、力傳感器來(lái)實(shí)現對工件的定位、對環(huán)境的認知，智能機器人系統可通過(guò)軟件算法的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)規劃計算，經(jīng)由機器人控制器給驅動(dòng)器發(fā)出底層運動(dòng)控制指令，使得機器人不僅能按固定軌跡來(lái)進(jìn)行作業(yè)，還能在一定程度上像人一樣“邊看邊做”，“邊做邊調整”，從而將大大擴展工業(yè)機器人的應用空間。

隨著(zhù)機器視覺(jué)、計算機視覺(jué)、傳感器、人工智能（特別是機器學(xué)習）等技術(shù)的快速發(fā)展，傳統的工業(yè)機器人將煥發(fā)新機，從機械創(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(zhuān)用芯片，不一而足，我們必將進(jìn)入一個(gè)智能工業(yè)機器人的時(shí)代。

4 未來(lái)有期

機器人產(chǎn)業(yè)曾展現了數年的繁榮，但資本寒冬使得隱藏在資本和補助背后的問(wèn)題快速顯現。在2019年1月舉行的首屆中國機器人行業(yè)年會(huì )上，多位專(zhuān)家指出國內機器人行業(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)機器人的未來(lái)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)機器人企業(yè)如能熬過(guò)資金困境，經(jīng)歷市場(chǎng)洗禮，以較好的性?xún)r(jià)比滿(mǎn)足實(shí)際需求，未來(lái)將贏(yíng)得更多的發(fā)展機會(huì )。

其次，應用下沉，場(chǎng)景分化。中國是全世界對工業(yè)機器人需求最大的國家，個(gè)性化的需求非常普遍，細分市場(chǎng)蘊含著(zhù)大量的機會(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。機器人本體僅僅是一個(gè)具有一定精度、速度的多自由度執行機構，為實(shí)現其應用的爆發(fā)，必將有賴(lài)各種技術(shù)的交叉融合，特別是傳感技術(shù)、機器視覺(jué)及嵌入式人工智能技術(shù)在工業(yè)機器人應用中將發(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)機器人應用的根本難題。

最后，以工為本，與人為友。傳統的工業(yè)機器人需要圍欄防護，近年來(lái)出現了所謂協(xié)作機器人的技術(shù)創(chuàng )新，更加緊湊的關(guān)節結構與更加安全的操作方式，反映了人們對更友好工業(yè)機器人的需求。然而，從偽協(xié)作到真協(xié)作，從傳統的復雜編程到未來(lái)的傻瓜式應用，還有長(cháng)長(cháng)的路要走，自適應控制、智能規劃、動(dòng)態(tài)避障、人機交互、人機協(xié)作、人工智能等技術(shù)從理論到落地還面臨諸多挑戰。

與服務(wù)機器人相比，目前的很多服務(wù)機器人產(chǎn)品看起來(lái)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(méi)有，對應的需求很多是軟性非必需的；而工業(yè)機器人正好相反，其本質(zhì)定位是“工業(yè)機器”，往往“動(dòng)手不動(dòng)口”，但由于人工成本的增加常常對應剛性的需求。我們有理由相信，未來(lái)這兩類(lèi)機器人會(huì )互相借鑒融合，其界限會(huì )逐漸模糊化，隨著(zhù)機器人智能化的發(fā)展，一方面在細分領(lǐng)域深化各自的應用，一方面延拓其應用的空間。

筆者曾在國家機器人發(fā)展論壇上提出“機器人不可能三角”（如圖4所示）。對機器人來(lái)說(shuō)，人們一直有著(zhù)美好的想象與憧憬，但回到現實(shí)，很多機器人產(chǎn)品的首要根本問(wèn)題是最基礎最根本的功能或性能不過(guò)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(mǎn)足實(shí)際需求的基礎上，成本與體驗將成為決定機器人產(chǎn)品生死的兩極，無(wú)論是軟硬件成本上具有顯著(zhù)優(yōu)勢，還是用戶(hù)使用體驗上具有獨特特色，都可以大大增強機器人產(chǎn)品的競爭力。對中國的工業(yè)機器人廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，基礎不穩的前提下拼價(jià)格，風(fēng)險顯而易見(jiàn)。不過(guò)隨著(zhù)國內少數優(yōu)秀企業(yè)在電機、減速機、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知度，相信中國制造的優(yōu)勢在工業(yè)機器人領(lǐng)域也會(huì )展現出來(lái)。

圖4 機器人需求不可能三角

作為結語(yǔ)，重提一下筆者提過(guò)的“機器人摩爾定律”。在半導體芯片領(lǐng)域，摩爾定律推動(dòng)了整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的高速指數速度發(fā)展；但在工業(yè)機器人領(lǐng)域，實(shí)際中得到應用的工業(yè)機器人數量雖然一直增長(cháng)，但并未展現出類(lèi)似摩爾定律的爆發(fā)式增長(cháng)。原因何在？一方面工業(yè)機器人高居不下的價(jià)格影響了其快速增長(cháng)，另一方面不能在應用場(chǎng)景中快速批量復制也使得工業(yè)機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)機器人的傳統模式必須進(jìn)行變革，把蘊含在工業(yè)機器人中的巨大生產(chǎn)力解放出來(lái)，使工業(yè)自動(dòng)化邁入工業(yè)智能化的時(shí)代。我們將為此持續努力，未來(lái)已來(lái)！

作者簡(jiǎn)介：

馬宏賓（1978-），男，2006年7月畢業(yè)于中國科學(xué)院數學(xué)與系統科學(xué)研究院，2009年8月至今為北京理工大學(xué)教授、博士生導師，以“適應·學(xué)習·認知”為中心針對機器人、無(wú)人車(chē)及無(wú)人機等智能系統開(kāi)展多方面的研究。曾入選教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃和北京市優(yōu)秀人才資助計劃，獲霍英東高等院校青年教師獎、吳文俊人工智能科學(xué)獎、優(yōu)秀科技成果大賽金獎、中國創(chuàng )新挑戰賽優(yōu)秀獎等獎勵。擔任信標委人工智能分委會(huì )委員，參與多項國家標準研制。發(fā)表SCI/EI檢索論文百余篇，與合作者出版多部專(zhuān)著(zhù)及英文章節以及受邀參與撰寫(xiě)中國控制理論戰略報告自適應控制部分。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年9月刊