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1 工業機器

工業機器發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”用水力鼓風煉鐵，其實已經應用了齒輪和連桿機構，如圖1、圖2所示；約800多年前，阿拉伯的賈扎里發明了曲軸和凸輪軸，這是近現代機械中最重要的兩個動力傳輸部件；到了達 ·芬奇所在的文藝復興時代，現在最常用的一些機構型式即已基本知曉。李約瑟《中國科學技術史》指出中國古代在工程機械領域曾取得遙遙領先西方的成果。

圖1 用螺旋將水提升至高處

圖2 東漢“水排”用水鼓風煉鐵

18世紀瓦特改進的蒸汽機帶來了動力的變革，推動了第一次工業革命，紡織機、車床等各種由動力驅動的產業機械如雨后春筍般出現。19世紀電動機和內燃機的發明則推動了第二次工業革命。20世紀計算機及信息技術的迅猛發展帶來了第三次工業革命，反映在工業機器上則是機電一體化與微處理器芯片的廣泛應用，帶來了各種機器的全面爆發與繁榮。

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

工業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·迪沃開啟了用具有一定通用性的工業機器人完成一些任務的新時代。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應用的可編程通用裝配機（PUMA），美、日、歐開始競相研發工業機器人，推動了工業機器人成為工業生產線不可或缺的工業機器。1973年ABB機器人（原ASEA）推出的IRB6工業機器人首次采用全電動微型處理器控制，控制器從此成為工業機器人的核心零部件，基于數學模型的機器人控制系統成為工業機器人在工業應用中發揮作用的一個關鍵。我國對工業機械手和工業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，我國工業機器人的產業化應用相對滯后，但近一二十年在國家政策引導與需求推動下發展迅速。

2 強需弱機

圖3 工業機器人產量預計（數據來源：IFR）

工業機器人有著極為強勁的實際需求，在汽車制造等領域西方發達國家已經大規模地應用工業機器人來代替人工。根據IFR的數據，2013年中國機器人新增量為 36,500臺，已超越其它發達國家躍居世界第一。中國是制造業大國，幾乎所有的制造業細分行業都用到大量的產業工人，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關鍵因素。但隨著中國人口結構深刻變化、勞動力成本上升、安全生產意識增強，年輕人不愿進行危險、枯燥、骯臟環境下的工作或者重復性、難以體現價值的勞動，倒逼中國工業必須進行轉型升級，加之中美貿易爭端的焦點也是《中國制造2025》，從而工業機器人已成為很多企業的剛需，可以預見中國的工業機器人在未來還將會有大的發展。近二十年來，國家的重大項目都有工業機器人方面的支持，國內各個地區、省市也在大力投資機器人的產業建設，若干中國品牌的工業機器人也已初步嶄露頭角，在中低端工業機器人市場中占有一席之地。

面對強勁的工業機器人需求，工業機器人特別是我國國產工業機器人在應用中的實際水平如何？

先說國外的工業機器人廠商。2017年后大型外國工業機器人公司的相繼進駐國內。2018年3月，上海發那科機器人有限公司成立全資子公司—廣州發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正式開業。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、控制器等核心零部件的核心技術，占領了全世界包括中國的主要市場份額。

再說國內的工業機器人廠商。近年來，特別是習近平總書記在兩院院士大會上談及“制造業皇冠的明珠”之后，各種工業機器人公司如雨后春筍般出現。廣闊的需求、資本的追逐、國家的補助對工業機器人的普及起到了一定促進作用，特別是我國中低端機器人市場殘酷的價格戰大大拉低了工業機器人的應用門檻，使得低精度、低速度、低難度的簡單應用場景能夠開始應用工業機器人。然而，整體上中國的工業機器人廠商呈現出重融資補貼、偏低級組裝、無核心技術、少優秀人才、靠進口器件的特點，產品售價一再下降，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。

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

3 智能風起

人類幾千年前就憧憬著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。千變萬化，惟意所適。王以為實人也，與盛姬內御并觀之。”這是工匠偃師向周穆王進獻的機器人偶，已承載了模擬人類眼睛看、耳朵聽、嘴巴說、腿腳行、手臂動、大腦思的夢想。二十多年前，尼葛洛龐帝《數字化生存》一書預言“比特的世界”會成為“人類新空間”，今天已變成現實，智能手機等智能機器已成為“數字化生活”的典型載體。

回到工業機器人，前面已提到許多的需求呼喚智能化的工業機器人。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，就都會造成焊接質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。一般來說，工業機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、力傳感器來實現對工件的定位、對環境的認知，智能機器人系統可通過軟件算法的動態實時規劃計算，經由機器人控制器給驅動器發出底層運動控制指令，使得機器人不僅能按固定軌跡來進行作業，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機器人的應用空間。

隨著機器視覺、計算機視覺、傳感器、人工智能（特別是機器學習）等技術的快速發展，傳統的工業機器人將煥發新機，從機械創新到算法創新，從固定軌跡到動態作業，從慢速感知到高速感知，從被動決策到主動決策，從通用芯片到專用芯片，不一而足，我們必將進入一個智能工業機器人的時代。

4 未來有期

機器人產業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題快速顯現。在2019年1月舉行的首屆中國機器人行業年會上，多位專家指出國內機器人行業已漸趨理性，重新洗牌,講故事就能融資的時代已成歷史，去年很多企業相繼倒閉。那么工業機器人的未來會怎么樣？

首先，大浪淘沙，洗盡鉛華。擁有核心競爭力的工業機器人企業如能熬過資金困境，經歷市場洗禮，以較好的性價比滿足實際需求，未來將贏得更多的發展機會。

其次，應用下沉，場景分化。中國是全世界對工業機器人需求最大的國家，個性化的需求非常普遍，細分市場蘊含著大量的機會，與四大家族產品進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具有一定精度、速度的多自由度執行機構，為實現其應用的爆發，必將有賴各種技術的交叉融合，特別是傳感技術、機器視覺及嵌入式人工智能技術在工業機器人應用中將發揮重要的作用，智能感知與智能控制形成實時閉環，才能解決影響工業機器人應用的根本難題。

最后，以工為本，與人為友。傳統的工業機器人需要圍欄防護，近年來出現了所謂協作機器人的技術創新，更加緊湊的關節結構與更加安全的操作方式，反映了人們對更友好工業機器人的需求。然而，從偽協作到真協作，從傳統的復雜編程到未來的傻瓜式應用，還有長長的路要走，自適應控制、智能規劃、動態避障、人機交互、人機協作、人工智能等技術從理論到落地還面臨諸多挑戰。

與服務機器人相比，目前的很多服務機器人產品看起來更像人，由于“動口不動手”，服務能力極度缺乏甚至完全沒有，對應的需求很多是軟性非必需的；而工業機器人正好相反，其本質定位是“工業機器”，往往“動手不動口”，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，未來這兩類機器人會互相借鑒融合，其界限會逐漸模糊化，隨著機器人智能化的發展，一方面在細分領域深化各自的應用，一方面延拓其應用的空間。

筆者曾在國家機器人發展論壇上提出“機器人不可能三角”（如圖4所示）。對機器人來說，人們一直有著美好的想象與憧憬，但回到現實，很多機器人產品的首要根本問題是最基礎最根本的功能或性能不過關，這是很多產品失敗的主要原因。在功能/性能能夠真正滿足實際需求的基礎上，成本與體驗將成為決定機器人產品生死的兩極，無論是軟硬件成本上具有顯著優勢，還是用戶使用體驗上具有獨特特色，都可以大大增強機器人產品的競爭力。對中國的工業機器人廠商來說，基礎不穩的前提下拼價格，風險顯而易見。不過隨著國內少數優秀企業在電機、減速機、控制器等核心零部件上的不斷投入與技術發展以及逐漸建立品牌認知度，相信中國制造的優勢在工業機器人領域也會展現出來。

圖4 機器人需求不可能三角

作為結語，重提一下筆者提過的“機器人摩爾定律”。在半導體芯片領域，摩爾定律推動了整個信息產業的高速指數速度發展；但在工業機器人領域，實際中得到應用的工業機器人數量雖然一直增長，但并未展現出類似摩爾定律的爆發式增長。原因何在？一方面工業機器人高居不下的價格影響了其快速增長，另一方面不能在應用場景中快速批量復制也使得工業機器人的推廣困難重重。兩者形成“量”與“價”的悖論。破除這一悖論的關鍵是使用工業機器人的傳統模式必須進行變革，把蘊含在工業機器人中的巨大生產力解放出來，使工業自動化邁入工業智能化的時代。我們將為此持續努力，未來已來！

作者簡介：

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

摘自《自動化博覽》2019年9月刊