1 工业机器

工业机器发源于人类改造大自然的各种尝试，例如：约5000年前，在修建金字塔的过程中，就使用了滚木来搬运巨石；约2400年前，阿基米德用螺旋将水提升至高处，是今天螺旋式输送机的始祖；约2000年前，东汉“水排”用水力鼓风炼铁，其实已经应用了齿轮和连杆机构，如图1、图2所示；约800多年前，阿拉伯的贾扎里发明了曲轴和凸轮轴，这是近现代机械中最重要的两个动力传输部件；到了达 ·芬奇所在的文艺复兴时代，现在最常用的一些机构型式即已基本知晓。李约瑟《中国科学技术史》指出中国古代在工程机械领域曾取得遥遥领先西方的成果。

图1 用螺旋将水提升至高处

图2 东汉“水排”用水鼓风炼铁

18世纪瓦特改进的蒸汽机带来了动力的变革，推动了第一次工业革命，纺织机、车床等各种由动力驱动的产业机械如雨后春笋般出现。19世纪电动机和内燃机的发明则推动了第二次工业革命。20世纪计算机及信息技术的迅猛发展带来了第三次工业革命，反映在工业机器上则是机电一体化与微处理器芯片的广泛应用，带来了各种机器的全面爆发与繁荣。

从公元1世纪希腊数学家希罗发明的凸轮，到公元18世纪大数学家欧拉提出采用渐开线作为齿轮的齿廓，数学家在机械创新和工业机器中起到重要作用，使高速、大功率的机械传动成为可能，逐渐涌现出各种大传动比、结构紧凑的新型传动，高速的步进机构，精密的滚动螺旋传动，机构的创新深深影响了工业机器人的发展，特别是减速机与电机成为工业机器人的关键零部件。

工业机器不止限于特定的机械装置或机电一体化装备，20世纪50年代乔治·迪沃开启了用具有一定通用性的工业机器人完成一些任务的新时代。从20世纪60年代的可编程移机UnimaTIon机器人到率先在通用汽车应用的可编程通用装配机（PUMA），美、日、欧开始竞相研发工业机器人，推动了工业机器人成为工业生产线不可或缺的工业机器。1973年ABB机器人（原ASEA）推出的IRB6工业机器人首次采用全电动微型处理器控制，控制器从此成为工业机器人的核心零部件，基于数学模型的机器人控制系统成为工业机器人在工业应用中发挥作用的一个关键。我国对工业机械手和工业机器人的研究也分别始于十九世纪50年代与70年代，但与西方相比，我国工业机器人的产业化应用相对滞后，但近一二十年在国家政策引导与需求推动下发展迅速。

2 强需弱机

图3 工业机器人产量预计（数据来源：IFR）

工业机器人有着极为强劲的实际需求，在汽车制造等领域西方发达国家已经大规模地应用工业机器人来代替人工。根据IFR的数据，2013年中国机器人新增量为 36,500台，已超越其它发达国家跃居世界第一。中国是制造业大国，几乎所有的制造业细分行业都用到大量的产业工人，人口红利曾是我国改革开放以来国家取得惊人奇迹的一个关键因素。但随着中国人口结构深刻变化、劳动力成本上升、安全生产意识增强，年轻人不愿进行危险、枯燥、肮脏环境下的工作或者重复性、难以体现价值的劳动，倒逼中国工业必须进行转型升级，加之中美贸易争端的焦点也是《中国制造2025》，从而工业机器人已成为很多企业的刚需，可以预见中国的工业机器人在未来还将会有大的发展。近二十年来，国家的重大项目都有工业机器人方面的支持，国内各个地区、省市也在大力投资机器人的产业建设，若干中国品牌的工业机器人也已初步崭露头角，在中低端工业机器人市场中占有一席之地。

面对强劲的工业机器人需求，工业机器人特别是我国国产工业机器人在应用中的实际水平如何？

先说国外的工业机器人厂商。2017年后大型外国工业机器人公司的相继进驻国内。2018年3月，上海发那科机器人有限公司成立全资子公司—广州发那科机器人有限公司；2018年4月，ABB机器人青岛应用中心新址启用；2018年6月，安川（中国）机器人有限公司第三工厂正式开业。这些都说明中国市场庞大的体量对外资的吸引力。“四大家族”拥有减速器、伺服电机、控制器等核心零部件的核心技术，占领了全世界包括中国的主要市场份额。

再说国内的工业机器人厂商。近年来，特别是习近平总书记在两院院士大会上谈及“制造业皇冠的明珠”之后，各种工业机器人公司如雨后春笋般出现。广阔的需求、资本的追逐、国家的补助对工业机器人的普及起到了一定促进作用，特别是我国中低端机器人市场残酷的价格战大大拉低了工业机器人的应用门槛，使得低精度、低速度、低难度的简单应用场景能够开始应用工业机器人。然而，整体上中国的工业机器人厂商呈现出重融资补贴、偏低级组装、无核心技术、少优秀人才、靠进口器件的特点，产品售价一再下降，利润受限乃至普遍亏损，加之国外厂商的咄咄紧逼，从而举步维艰。

不管是国外机器人厂商还是国内机器人厂商，还都面临一个普遍的困境：一方面几乎所有用工场合都有机器换人的强烈需求，但另一方面大量用工场合通用的工业机器人难以发挥作用。这是由于单独的工业机器人本体若没有夹具、治具、工装的配合，几乎是什么实际任务都不能完成；此外，现有多数应用中工业机器人都在重复做轨迹固定的固定任务，这使得工业机器人普遍呈现“弱智”的特点，难以替代工厂里的大量工人。比如，笔者曾看到有的工厂（比如生产高清线的工厂），每一道工序都需要经过专门培训的工人来进行操作，工人每一步操作的对象都具有不确定的位置、姿态或形态，虽然工人的动作本身看起来并不十分复杂，但却难以靠给工业机器人编一个固定轨迹的程序来实现。这就引发我们讨论目前工业机器人的根本困难——工业机器人怎么样更加智能？

3 智能风起

人类几千年前就憧憬着像人一样的智能机器，比如《列子》中记载：“巧夫，顉其颐，则歌合律；捧其手，则舞应节。千变万化，惟意所适。王以为实人也，与盛姬内御并观之。”这是工匠偃师向周穆王进献的机器人偶，已承载了模拟人类眼睛看、耳朵听、嘴巴说、腿脚行、手臂动、大脑思的梦想。二十多年前，尼葛洛庞帝《数字化生存》一书预言“比特的世界”会成为“人类新空间”，今天已变成现实，智能手机等智能机器已成为“数字化生活”的典型载体。

回到工业机器人，前面已提到许多的需求呼唤智能化的工业机器人。比如，只能按固定轨迹焊接工件的焊接机器人，哪怕重复定位精度很高，只要待焊工件有结构变形或工件放置位置有偏差，就都会造成焊接质量不高甚至把工件彻底焊废，所以具有焊缝跟踪功能的焊接机器人应运而生。一般来说，工业机器人本体谈不上有什么智能，但通过视觉传感器、激光传感器、力传感器来实现对工件的定位、对环境的认知，智能机器人系统可通过软件算法的动态实时规划计算，经由机器人控制器给驱动器发出底层运动控制指令，使得机器人不仅能按固定轨迹来进行作业，还能在一定程度上像人一样“边看边做”，“边做边调整”，从而将大大扩展工业机器人的应用空间。

随着机器视觉、计算机视觉、传感器、人工智能（特别是机器学习）等技术的快速发展，传统的工业机器人将焕发新机，从机械创新到算法创新，从固定轨迹到动态作业，从慢速感知到高速感知，从被动决策到主动决策，从通用芯片到专用芯片，不一而足，我们必将进入一个智能工业机器人的时代。

4 未来有期

机器人产业曾展现了数年的繁荣，但资本寒冬使得隐藏在资本和补助背后的问题快速显现。在2019年1月举行的首届中国机器人行业年会上，多位专家指出国内机器人行业已渐趋理性，重新洗牌,讲故事就能融资的时代已成历史，去年很多企业相继倒闭。那么工业机器人的未来会怎么样？

首先，大浪淘沙，洗尽铅华。拥有核心竞争力的工业机器人企业如能熬过资金困境，经历市场洗礼，以较好的性价比满足实际需求，未来将赢得更多的发展机会。

其次，应用下沉，场景分化。中国是全世界对工业机器人需求最大的国家，个性化的需求非常普遍，细分市场蕴含着大量的机会，与四大家族产品进行差异化竞争是可行之路。

然后，交叉融合，智能感控。机器人本体仅仅是一个具有一定精度、速度的多自由度执行机构，为实现其应用的爆发，必将有赖各种技术的交叉融合，特别是传感技术、机器视觉及嵌入式人工智能技术在工业机器人应用中将发挥重要的作用，智能感知与智能控制形成实时闭环，才能解决影响工业机器人应用的根本难题。

最后，以工为本，与人为友。传统的工业机器人需要围栏防护，近年来出现了所谓协作机器人的技术创新，更加紧凑的关节结构与更加安全的操作方式，反映了人们对更友好工业机器人的需求。然而，从伪协作到真协作，从传统的复杂编程到未来的傻瓜式应用，还有长长的路要走，自适应控制、智能规划、动态避障、人机交互、人机协作、人工智能等技术从理论到落地还面临诸多挑战。

与服务机器人相比，目前的很多服务机器人产品看起来更像人，由于“动口不动手”，服务能力极度缺乏甚至完全没有，对应的需求很多是软性非必需的；而工业机器人正好相反，其本质定位是“工业机器”，往往“动手不动口”，但由于人工成本的增加常常对应刚性的需求。我们有理由相信，未来这两类机器人会互相借鉴融合，其界限会逐渐模糊化，随着机器人智能化的发展，一方面在细分领域深化各自的应用，一方面延拓其应用的空间。

笔者曾在国家机器人发展论坛上提出“机器人不可能三角”（如图4所示）。对机器人来说，人们一直有着美好的想象与憧憬，但回到现实，很多机器人产品的首要根本问题是最基础最根本的功能或性能不过关，这是很多产品失败的主要原因。在功能/性能能够真正满足实际需求的基础上，成本与体验将成为决定机器人产品生死的两极，无论是软硬件成本上具有显著优势，还是用户使用体验上具有独特特色，都可以大大增强机器人产品的竞争力。对中国的工业机器人厂商来说，基础不稳的前提下拼价格，风险显而易见。不过随着国内少数优秀企业在电机、减速机、控制器等核心零部件上的不断投入与技术发展以及逐渐建立品牌认知度，相信中国制造的优势在工业机器人领域也会展现出来。

图4 机器人需求不可能三角

作为结语，重提一下笔者提过的“机器人摩尔定律”。在半导体芯片领域，摩尔定律推动了整个信息产业的高速指数速度发展；但在工业机器人领域，实际中得到应用的工业机器人数量虽然一直增长，但并未展现出类似摩尔定律的爆发式增长。原因何在？一方面工业机器人高居不下的价格影响了其快速增长，另一方面不能在应用场景中快速批量复制也使得工业机器人的推广困难重重。两者形成“量”与“价”的悖论。破除这一悖论的关键是使用工业机器人的传统模式必须进行变革，把蕴含在工业机器人中的巨大生产力解放出来，使工业自动化迈入工业智能化的时代。我们将为此持续努力，未来已来！

作者简介：

马宏宾（1978-），男，2006年7月毕业于中国科学院数学与系统科学研究院，2009年8月至今为北京理工大学教授、博士生导师，以“适应·学习·认知”为中心针对机器人、无人车及无人机等智能系统开展多方面的研究。曾入选教育部新世纪优秀人才支持计划和北京市优秀人才资助计划，获霍英东高等院校青年教师奖、吴文俊人工智能科学奖、优秀科技成果大赛金奖、中国创新挑战赛优秀奖等奖励。担任信标委人工智能分委会委员，参与多项国家标准研制。发表SCI/EI检索论文百余篇，与合作者出版多部专著及英文章节以及受邀参与撰写中国控制理论战略报告自适应控制部分。

摘自《自动化博览》2019年9月刊