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解析：我國工業機器人發展的七大技術現狀
隨著人口紅利逐步消失,我國已成為全球最大的工業機器人市場。根據工信部消息,到2020年,我國將形成較為完整的工業機器人產業體系,高端市場占有率達到45%以上。
目前,中國工業機器人的使用主要集中在汽車工業和電子電氣工業、弧焊機器人、點焊機器人、搬運機器人等在生產中被大量采用,下面我們將從技術角度,分析工業機器人的發展現狀。
1.通用性
工業機器人可編程,支持多自由度運動,因此應用較靈活。雖然不及人類,但相對于很多工業自動化常見的專機(專為一類工業應用或一家客戶定制的機電集成方案),工業機器人還是靈活多了。工業應用改動不太大時,是可以通過機器人重新編程來滿足新的需求,而無需在硬件上再做大量投資。但相應的,它的相對不足會是效率。畢竟專機是為一個應用定制的,因此雖犧牲通用性但實現了效率優化,在產量這個客戶非常關心的指標上能完成地很好。
2.機電性能
工業機器人普遍能達到低于0.1毫米的運動精度(指重復運動到點精度),抓取重達一噸的物體,伸展也可達三四米。這樣的性能雖不一定能輕易完成蘋果手機上一些“瘋狂”的加工要求,但對絕大部分的工業應用來說,是足以圓滿完成任務。隨著機器人的性能逐漸提升,以前一些不可能的任務也變得可行起來(如激光焊接或切割,曾需要專門的高精度設備來指導激光的走向,但隨著機器人精度的提升,現在也變得可依賴機器人本身的準確運動來代替了)。但相比傳統高端設備,如高精度數控機床,激光校準設備,或特殊環境(高溫或特低溫)設備等,工業機器人尚力不能及。
3.人機合作
傳統的工業機器人是關在籠子里工作的,因為它實在危險(想象一個抓著幾十或幾百公斤的家伙以四米每秒的速度甩著,誰也不想靠近吧)。主要原因是一般機器人,基于成本與技術的考慮,不會集成額外的傳感器去感知外部的特殊情況(如突然有人觸碰),它只會“傻傻”得照著人類編好的程序日復一日的動著,除非有外部信號告訴它停止。所以常見的方案就是為機器人配備籠子,當籠子門打開時,機器人收到信號便自動暫停。對安全的考慮,自然給機器人集成帶來了很多額外的成本,籠子可能并不貴,但畢竟要為此仔細考慮產線排布,增加產線面積,改變人機合作方式等,從而影響生產效率。所以最近比較受關注的工業機器人都以能安全地和人一起工作“為榮”,如RethinkRobotics的Baxter,UniversalRobots的PR系列,以及很多傳統工業機器人巨頭(abb,kuka,Yaskawa等)的半概念半成品的機器人。而從產業需求看來,已通過傳統工業機器人解決了對精度速度重量等自動化需求后,也的確是時候開始滿足人機安全合作了。
4.易用性
傳統機器人的工作本質就是不斷地走一個個的路徑點,同時接收或設置外圍的I/O信號(老和其他設置如夾具,輸送線等合作)。而指導機器人這么做得過程,就是機器人編程。幾乎每一家領先公司都有自家的編程語言和環境,從而需要機器人操作者參加學習培訓。當機器人適用范圍增廣后,這個成本開始顯現了。
這些廠商是有理由維護自家的編程環境的,一來工業機器人四十年前就開始規模化做了,那時還沒有什么面向對象等現在廣為熟知普遍認同的主流先進編程理念,二來萌芽階段自家技術難免會和競爭對手不同,維護一個編程方式也無可厚非,三來因為他們的大客戶往往也是傳統的工業大客戶,如大汽車廠商,這些客戶求穩,自然不希望你機器人過幾年就趕個熱潮變換編程方式,搞得他們還得扔掉幾十年的經驗,重新花大錢培訓學習。
當然在業界,大家早已思考編程可否做的直觀簡單些,但在傳統廠家中除了一次次地概念性的展示外(如利用外骨骼,3D圖像,虛擬現實,iPhone等等),一直沒什么商業實用進展,以至于大家再聽到“簡易編程”等關鍵詞都想吐了。
但慶幸地還是有后來者敢于挑戰,也從零開始做出成就,并成為被認可的賣點。對,說的就是RethinkRobotics和UniversalRobots!這也鮮活地論證了創新者窘境里為什么顛覆性技術往往不會在領先企業中成功(盡管他們有足夠的資源),卻總是被后來挑戰者發揚光大。因為領先者在顛覆性技術上每走遠一步,就往往離自己的鐵飯碗遠離一步,內外部阻力都很大!
不管怎么,機器人的易用性開始得到重視,如何能讓人不經任何(或過多)培訓,就能像玩iPhone一樣很快玩轉機器人,已經變成大廠商們開始大力投資的方向來。
5.成本
機器人的成本從小型號的幾萬RMB到大型的上百萬RMB都有。這個成本自然低于高端專業制造設備,但也可能會高于國內小集成商們拼湊出的自動化方案來。但從一直來西方工業界及近幾年國內制造業對機器人的歡迎程度看來,說明機器人自動化的經濟優勢普遍到了一個臨界點,超過了其他替代方案(人工,或專機),看來這個成本還是值得的。
其實要走傳統機器人的老路,那硬件成本降低空間不大。工業機器人基本是一個開環的運動機構,靠的就是電機和齒輪箱的高精度配合。而大部分領先廠商的這些關鍵零部件都是從日本幾家廠商那買的,(這也是國內公司自己制造的機器人,買同樣的零部件,也不會便宜多少,因為日本廠商不會為了你這點量給多少折扣)。除非中國零部件制造商能靜下心來,努力追趕上日本人的技術,從而以價格優勢打破多年來的壟斷,才能真正促進國內機器人廠商的發展。
另一個就是另辟蹊徑,追求其他技術和市場。如RethinkRobotics當時甚至考慮用塑料的齒輪箱來降低成本,而通過視覺來彌補運動精度損失,就像人的眼睛來輔助手的精微操作一樣。但畢竟不能一步登天,所以Baxter機器人暫時在精度和速度上完全無法與傳統機器人相比,但在它能處理的物料抓放的應用中,卻也足夠了。也許隨著Rethink的努力,會在硬件較差的情況下,通過軟件的智能化彌補,來達到與傳統工業機器人競爭的程度(那就是真顛覆這些傳統大廠商了)。
6.智能性
之所以將智能型放在最后一點,因為相對現在市場對機器人的主流需求(即強,快,準),它暫時還不是最迫切的。這也體現了傳統工業機器人的優勢(任勞任怨,保質保量,是個“干活”的好手)和不足(但很“笨”,老得讓人教)。但不代表智能型不重要,相反企業已經開始做技術投資了。比如怎么讓機器人更好的理解人的指揮意圖,相對自主的去理解并規劃任務,而不需一個點一個點得讓人告訴它怎么走;如何讓機器人在外圍環境發生變化下(光線變暗影響圖像識別,傳送帶上物品有損壞需要特殊處理)自動適應;如何通過觸覺視覺聽覺等感知判斷零部件的裝配質量,等等。
這方面美國人做的比較好(當然他們也是避實擊虛,因為傳統工業機器人硬件上的技術和市場已基本被日本歐洲企業統治),ROSIndustrial,RethinkRobotics等都在做有領先的嘗試。
7.人才匱乏
工業機器人順應時代發展,行業前景廣闊,然而,該領域人才供需失衡的矛盾正日益凸顯。一方面是機器人廠商、系統集成商以及汽車加工制造業求賢若渴,另一方面是人才供給不足,難以滿足企業用人需求。
究其原因,主要是相對近年來國內機器人產業所表現出來的爆發性發展態勢,高校、職校等培訓機構的課程設置仍然滯后,盡管一些機器人廠商提供相關培訓,卻存在品牌針對性過強,推廣力度不足、配套設施不足以及培訓網點有限等短板,難以達成系統的教學流程,尚不能與全國各地求學者的需要很好地契合,導致眾多有志投身機器人行業者求學無門。
