1954年，美(měi)國人(rén)喬治·德沃爾申請了(le)“可(kě)編程關節式轉移物(wù)料裝置”的(de)專利，并與約瑟夫·恩格爾伯格合作成立了(le)世界上第一個(gè)機器人(rén)公司Unimation，研發出世界上第一台工業機器人(rén)Unimate。在此之後的(de)幾十年間，工業機器人(rén)不僅改變了(le)汽車制造業，也(yě)拓展到其他(tā)制造業和(hé)非制造業，經曆了(le)搖籃階段到實用(yòng)階段。随著(zhe)計算(suàn)機技術的(de)進步和(hé)深入，機器人(rén)逐漸向著(zhe)多(duō)傳感器智能控制方向發展。

「 1. 工業機器人(rén)定義與分(fēn)類 」

1）工業機器人(rén)的(de)定義

在工業領域内應用(yòng)的(de)機器人(rén)被稱爲工業機器人(rén)。工業機器人(rén)是集機械、電子、控制、計算(suàn)機、傳感器、人(rén)工智能等多(duō)學科先進技術于一體的(de)機電一體化(huà)設備，被稱爲工業自動化(huà)的(de)三大(dà)支持技術之一。世界各國對(duì)工業機器人(rén)的(de)定義不盡相同，且随著(zhe)機器人(rén)技術的(de)不斷發展，内涵的(de)逐漸豐富，工業機器人(rén)的(de)定義也(yě)在随之變化(huà)。

美(měi)國工業機器人(rén)協會（RIA）、日本工業機器人(rén)協會（JIRA）、德國标準（VDI）以及國際标準化(huà)組織（ISO）等都對(duì)工業機器人(rén)做(zuò)出過定義。目前多(duō)采用(yòng)的(de)是國際标準化(huà)組織（ISO）對(duì)工業機器人(rén)的(de)定義，即“工業機器人(rén)是一種能自動控制、可(kě)重複編程，多(duō)功能、多(duō)自由度的(de)操作機，能搬運材料、工件或操持工具，來(lái)完成各種作業”。我國現行的(de)推薦性國家标準《機器人(rén)與機器人(rén)裝備 詞彙》（GB/T 12643—2013），等同采用(yòng)了(le)國際标準化(huà)組織的(de)ISO 8373:2012标準，沿用(yòng)了(le)國際标準組織對(duì)工業機器人(rén)的(de)定義。

2）工業機器人(rén)的(de)組成

工業機器人(rén)由執行機構（圖1中的(de)1、3）、控制系統（圖1中的(de)2）、驅動系統（如液壓缸、電機等）、檢測系統四大(dà)部分(fēn)構成。

圖1 工業機器人(rén)的(de)組成

這(zhè)四部分(fēn)之間的(de)運作關系如圖2所示，由控制系統傳達信号到驅動系統，驅動執行裝置動作，檢測系統監控執行裝置的(de)執行結果，并反饋回控制系統，及時(shí)調整控制信号。

圖2 工業機器人(rén)各部分(fēn)關系

（1）執行機構。執行機構是具有和(hé)人(rén)手臂相似的(de)動作功能，可(kě)在空間抓放物(wù)體或執行其他(tā)操作的(de)機械裝置，通(tōng)常包括機座、手臂、手腕和(hé)末端執行器。見圖1中的(de)1、3。

（2）控制系統。控制系統是機器人(rén)的(de)大(dà)腦(nǎo)，支配機器人(rén)按規定的(de)程序運動，并記憶動作順序、運動軌迹、運動速度等指令信息，以實現重複運動。

（3）驅動系統。驅動系統是将控制系統發出的(de)控制指令信号放大(dà)，驅動執行機構運動的(de)傳動裝置。常見的(de)有電氣、液壓、氣動和(hé)機械等方式。

（4）檢測系統。檢測系統主要檢測執行系統的(de)運動位置和(hé)狀态，并實時(shí)将實際位置、狀态信息反饋給控制系統，控制系統将其與設定值進行比較，實時(shí)調整發送給驅動系統的(de)指令，使得(de)執行系統達到設定位置和(hé)狀态。檢測系統通(tōng)常是各種傳感器。

3）工業機器人(rén)的(de)分(fēn)類

工業機器人(rén)有多(duō)種分(fēn)類方式：①按照(zhào)程序輸入方式劃分(fēn)，可(kě)分(fēn)爲編程輸入型和(hé)示教輸入型兩類；②按照(zhào)驅動方式劃分(fēn)，可(kě)分(fēn)爲液壓驅動、氣壓驅動、電氣驅動等類型；③按照(zhào)機械結構劃分(fēn)，可(kě)劃分(fēn)爲串聯機器人(rén)、并聯機器人(rén)、串并混聯機器人(rén)；④按照(zhào)運動坐(zuò)标形式劃分(fēn)，可(kě)分(fēn)爲圓柱坐(zuò)标型機器人(rén)、球坐(zuò)标型機器人(rén)、直角坐(zuò)标型機器人(rén)、多(duō)關節型機器人(rén)、平面關節型（SCARA）機器人(rén)等5種；⑤按照(zhào)應用(yòng)領域劃分(fēn)，可(kě)分(fēn)爲焊接機器人(rén)、裝配機器人(rén)、搬運機器人(rén)、碼垛機器人(rén)、上下(xià)料機器人(rén)、包裝機器人(rén)、噴塗機器人(rén)、切割機器人(rén)等。⑥按照(zhào)負載來(lái)劃分(fēn)，可(kě)分(fēn)爲小型負載機器人(rén)（負載小于20kg）、中型負載機器人(rén)（負載介于20～100kg 之間）和(hé)大(dà)型負載機器人(rén)（負載大(dà)于 100kg）。

「 2. 工業機器人(rén)的(de)發展趨勢 」

工業機器人(rén)具有可(kě)編程、拟人(rén)化(huà)、通(tōng)用(yòng)性、機電一體化(huà)等特征。可(kě)編程，是指工業機器人(rén)可(kě)以随著(zhe)其工作環境變化(huà)的(de)需要進行再編程，因此，它在小批量、多(duō)品種的(de)柔性制造過程中扮演重要角色，可(kě)發揮均衡、高(gāo)效率的(de)功用(yòng)與價值，是柔性制造系統的(de)重要組成部分(fēn)之一。拟人(rén)化(huà)，是指工業機器人(rén)在機械結構上有類似于人(rén)體的(de)行走、腰轉等動作，以及大(dà)臂、小臂、手腕、手爪等部位。通(tōng)用(yòng)性，是指除了(le)專門設計的(de)工業機器人(rén)外，一般工業機器人(rén)在執行不同的(de)作業任務時(shí)具有較好的(de)通(tōng)用(yòng)性；比如，更換工業機器人(rén)末端執行器（手爪、工具等）便可(kě)以執行不同的(de)作業任務。機電一體化(huà)，是指工業機器人(rén)實現了(le)機械技術、微電子技術、信息技術等的(de)有機結合，是典型的(de)機電一體化(huà)産品。

工業機器人(rén)在制造業中的(de)優勢主要體現爲自動化(huà)、高(gāo)效率和(hé)安全性。随著(zhe)工業機器人(rén)在現代制造業發展過程中的(de)價值越來(lái)越突出，工業機器人(rén)正呈現以下(xià)發展趨勢：

1）工業機器人(rén)走向智能化(huà)

工業機器人(rén)的(de)發展可(kě)分(fēn)爲三個(gè)階段，即從第一代的(de)示教再現機器人(rén)（通(tōng)過示教存儲信息，工作時(shí)讀出這(zhè)些信息，向執行機構發出指令，執行機構按指令再現示教的(de)操作，廣泛應用(yòng)于焊接、上下(xià)料、噴漆和(hé)搬運等），到帶有簡單感覺系統的(de)機器人(rén)（帶有視覺、觸覺等功能，可(kě)以完成檢測、裝配、環境探測等作業），再到智能機器人(rén)（不僅具備感覺功能，而且能在無人(rén)指令情況下(xià)，根據所處環境自行決策，規劃出行動）。

目前，在工業中應用(yòng)的(de)機器人(rén)絕大(dà)部分(fēn)都不智能。因此，智能化(huà)是未來(lái)工業機器人(rén)的(de)主要發展方向。在操作臂技術上，将向著(zhe)提高(gāo)功率密度、通(tōng)用(yòng)性、輕量化(huà)、多(duō)自由度、多(duō)種材料、仿人(rén)體結構、高(gāo)負重與自重比及一體化(huà)機構方向發展。在傳感與感知上，通(tōng)過采用(yòng)識别、跟蹤、力覺、視覺等傳感器，實現對(duì)各種外部環境、各種複雜(zá)作業的(de)自主識别。在安全技術上，工業機器人(rén)由單機時(shí)代的(de)自身安全進化(huà)到物(wù)聯網時(shí)代的(de)網絡安全；在導航技術上，工業移動機器人(rén)則向多(duō)模态、室外及無标識自然導航方向發展。

2）工業機器人(rén)由單機走向多(duō)機協同

目前工業機器人(rén)的(de)應用(yòng)仍以單機自動化(huà)爲主，但在一些應用(yòng)場(chǎng)景環節已實現了(le)多(duō)機器人(rén)的(de)協同應用(yòng)。比如，在汽車行業的(de)車身噴塗、焊接等場(chǎng)景，往往一個(gè)工位上需要有多(duō)台機器人(rén)來(lái)協同工作，與此同時(shí)工業機器人(rén)主流廠商也(yě)針對(duì)這(zhè)些場(chǎng)景推出了(le)多(duō)機器人(rén)協同應用(yòng)解決方案。以安川電機爲例，在2020年中國國際工業博覽會上，安川電機就展示了(le)商用(yòng)車白車身焊接及噴塗工位的(de)多(duō)機器人(rén)協同應用(yòng)。其中，在商用(yòng)車白車身噴塗工位，安川電機展示了(le)利用(yòng)噴塗機器人(rén)、開門機器人(rén)等四款不同的(de)機器人(rén)共同完成車身的(de)噴塗作業；而在商用(yòng)車白車身的(de)焊接工位，同樣也(yě)是在一個(gè)工位内配置多(duō)種類型的(de)機器人(rén)，完成搬運、點焊以及弧焊作業。而爲了(le)實現高(gāo)效的(de)生産，工業機器人(rén)多(duō)機協同作業将會有更多(duō)應用(yòng)。

3）傳統工業機器人(rén)将走向人(rén)機共融

傳統工業機器人(rén)的(de)感知能力較弱，隻能在穩定的(de)環境中工作，也(yě)就是主要在結構化(huà)環境中執行各類确定性任務，否則就容易出錯甚至傷人(rén)毀物(wù)。爲克服上述不足、有效擴展和(hé)延伸人(rén)類能力，共融機器人(rén)應運而生并代表了(le)未來(lái)工業機器人(rén)的(de)發展方向。所謂，共融機器人(rén)，是指能與作業環境、人(rén)、其他(tā)機器人(rén)自然交互，自主适應複雜(zá)動态環境并協同作業的(de)機器人(rén)。“共融”具體包含機器人(rén)與環境的(de)自然交互、機器人(rén)之間的(de)互助互補、機器人(rén)與人(rén)之間的(de)協同作業三層含義。而爲實現以上與環境，與其他(tā)機器人(rén)，與人(rén)類共存、共事、共融的(de)目标，機器人(rén)需要在“身體”“感知”和(hé)“意識”上進行革新。

4）複合式工業機器人(rén)成趨勢

爲了(le)滿足更多(duō)樣的(de)應用(yòng)場(chǎng)景，如今除了(le)工業機器人(rén)單體之外，還(hái)出現了(le)許多(duō)複合式工業機器人(rén)，例如桁架式機械手、軌道式機器人(rén)、移動協作機器人(rén)（AMR/AGV+協作機器人(rén)）等，用(yòng)于工業機器人(rén)移動式操作的(de)場(chǎng)景。圖3 是庫卡（KUKA）線性滑軌機器人(rén)和(hé)KUKA移動機器人(rén)KMR iiwa。線性滑軌，相當于給工業機器人(rén)又添加了(le)一個(gè)軸，從而增大(dà)了(le)工業機器人(rén)的(de)工作空間，而在同一個(gè)線性滑軌上，通(tōng)常可(kě)以使用(yòng)多(duō)個(gè)機器人(rén)。KUKA移動機器人(rén)KMR iiwa則使得(de)人(rén)機協作更加靈活。

圖 3 KUKA線性滑軌機器人(rén)與KUKA移動機器人(rén)KMR iiwa（來(lái)源：KUKA官網）

5）工業機器人(rén)應用(yòng)行業與場(chǎng)景不斷延伸拓展

世界第一台工業機器人(rén)應用(yòng)于汽車行業，直至目前，汽車工業仍然是工業機器人(rén)最大(dà)的(de)應用(yòng)市場(chǎng)，也(yě)是标準最高(gāo)、使用(yòng)密度最高(gāo)的(de)市場(chǎng)。但與此同時(shí)，工業機器人(rén)也(yě)正在向一般工業拓展，應用(yòng)場(chǎng)景不斷深化(huà)。在行業應用(yòng)上，工業機器人(rén)已迅速拓展到3C電子、金屬加工、醫療、煙(yān)草(cǎo)、物(wù)流、食品、制藥、塑料、橡膠、化(huà)工等行業。在具體應用(yòng)場(chǎng)景上，工業機器人(rén)的(de)應用(yòng)則包括焊接、噴塗、打磨、塗膠、上下(xià)料、去毛刺、搬運、裝配、分(fēn)揀、包裝、檢測等。

6）雲化(huà)機器人(rén)及工業機器人(rén)雲平台興起

在智能制造生産場(chǎng)景中，需要工業機器人(rén)有自組織和(hé)協同的(de)能力來(lái)滿足柔性生産，這(zhè)就帶來(lái)了(le)雲化(huà)機器人(rén)（機器人(rén)大(dà)腦(nǎo)在雲端）及工業機器人(rén)雲平台的(de)需求。和(hé)傳統機器人(rén)相比，雲化(huà)機器人(rén)需要通(tōng)過網絡連接到雲端的(de)控制中心，基于超高(gāo)計算(suàn)能力的(de)平台，并通(tōng)過大(dà)數據和(hé)人(rén)工智能對(duì)生産制造過程進行實時(shí)運算(suàn)控制。未來(lái)，随著(zhe)5G、AI、雲計算(suàn)等技術的(de)發展成熟，雲化(huà)機器人(rén)及工業機器人(rén)雲平台或将成爲新一輪發展熱(rè)點。