智能制造时代工业机器人的应用前景研究

摘要：随着科学技术的飞速发展，全球制造业已经进入智能化时代，各大产业更加倾向于以更低的生产成本、更为高效的制造效率实现工业产出，从而在追求高质量实业的基础上实现精准、快速操作，由此在进入智能制造时代后，工业机器人在制造业中的地位更加举足轻重。此研究则立足于对我国工业机器人发展历程以及技术特点的梳理，对其研发技术趋势以及未来应用前景展开深入分析。

关键词：智能制造;工业机器人;应用前景

中图分类号：TP3        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）14-0061-03

在自动控制领域中，工业机器人的诞生和应用为智能化生产提供了更多探索可能性，作为机器人学科类属的研发产品，工业机器人研发涉及计算机、自动化、通信工程、机电工程等多类领域的先进技术，其在发展应用过程中逐渐成为大型制造业中至关重要的生产要素。在进入智能制造时代后，信息技术的引入和结合使得工业机器人的研发、制造过程更加智能化，依托于研发场合与项目的具体设计原则，工业机器人广泛应用于更多具有重复性质或危险性质的工业生产场合，并在科技、国防、工业等领域中得到广泛应用，迄今为止工业机器人的相关研究成为工业制造领域中极为重要的一个研究环节。

1工业机器人发展历程

国外关于工业机器人的研究发展起步较早，而早期我国由于经济发展水平相对落后，只能依赖于进口国外机器产品的途径来优化工业制造生产。在优秀学者以及研究专家的不断努力下，我国在人工智能制造以及信息技术领域不断发展，以突飞猛进的发展态势成为当今世界市场规模居于首位的机器人大国，同时也在工业制造业领域颇具建树。在此过程中，工业机器人以极为迅速的普及速度应用至生产领域中，实现了人工劳动力的解放，显著降低了由于人工操作所产生的安全风险以及操作误差率，在提升制造效率的同时更加保障了产品质量，使得重复、批量的生产工作更加高效。不仅如此，工业机器人由于其特殊构成以及高度自动化的操控功能，能够替代人工去参与一些危险程度较高的工作，极大地保障了作业人员的人身安全，但是与此同时对于操作工作人员的智能控制水平以及专业素养提出了更高的要求。迄今为止，在政府部门所出台的相关政策规章支持下，工业机器人的发展与应用也不断得到深化。20世纪进入80年代后，国家政府旨在针对工业机器人的自主研发进程展开深化改革，经由两个五年计划的发展和落实，最终脱离了对国外设备以及机器人生产技术的依赖。经过十余年的发展，进入21世纪后我国已经初步实现了工业机器人的规模化、商品化生产，涌现出愈来愈多的工业机器人制造生产厂商，极大地推动了中国制造业的发展进程。迄今为止，我国工业机器人产量以及应用规模已经可以契合于工业生产行业的制造需求，并逐步形成标准化作业的生产链。但是由于工业机器人技术的多领域特征，有关于工业机器人的核心研发技术依然难以脱离美国、日本等发达国家的技术影响，尤其是在如精确控制、变速调节等装备整体研发的关键技术方面，我国关于精度方面的研究设计成果与发达国家相比依然存在较大差距，核心技术发展水平受限，因此我国在工业机器人领域的发展进程依然亟待推进[1]。

2工业机器人应用特点

2.1 高效率、高精度

制造业领域中，生产过程通常以高精度、高可操作性、高灵活度为制造标准，而工业机器人在关键技术方面更为重视高度自动化与智能化的特点。在生产过程中，通过控制调试、管理优化等多个方面的軟件测试，最大程度降低成本消耗，同时保证其生产过程的环保性，从而实现生产增效、规模增量、产品保质的最终目的。

2.2 智能化、数字化

通常而言，工业机器人的应用方式往往为成套布设，而其中所涉及的技术升级内容通常含有柔性生产、精密制造的技术特点，而随着工业机器人的不断优化与升级，信息技术的融合使其呈现树状拓展特征，由此顺应智能化制造时代的发展进程，生产过程以及生产技能逐步呈现智能化、数字化的技术发展特征。

2.3 覆盖领域广泛

目前在各大领域的制造生产过程中，工业机器人的应用覆盖面已经十分普遍，涉及军事制造、电子电力设备制造、汽车制造、轨道交通、机械制造等多个行业领域，并广泛应用于检测、物流运输、工业制造以及生产安装等各大生产环节中，极大地推动了我国制造业的发展进程。

2.4 多学科理论支撑

工业机器人的核心研发技术为自动化集成技术，其中涉及多学科、多领域的理论支撑内容，其中主要为机械类以及电子领域的相关核心技术，同时还涵盖人工智能仿真、动力学、大数据收集等多行业先进技术，由此可见其理论综合性和交织性较强。工业机器人在工作时，首先需要基于工作基本原则设定判断工作场景，并进行环境信息收集与分析处理，当环境参数满足设定需求时开始自主控制运行，其中涉及极为复杂的内部决策、逻辑判断、数据处理工作，最终实现自动控制功能。

3我国工业机器人核心技术以及技术发展趋势

3.1 工业机器人核心技术

1）自主导航技术

工业机器人在制造行业生产过程中同样也起到搬运设备的重要作用，因此自主导航技术同样也是工业机器人核心技术之中的重要组成部分，而如何实现在装配线之中的精准搬运与自动配置依然是当下我国工业机器人研究领域之中的棘手难题。优化升级工业机器人自主导航技术，可以显著推动工业制造生产增效，尤其是在建筑领域中，基于自主导航技术的工业运输能够有效降低风险发生概率，应对紧急情况实现自主启停和运输。

2）灵巧操作技术

工业机器人广泛应用于我国制造业之中，其在生产过程中主要通过模仿人体手臂动作来实现人体工学的设计，从而进行灵巧操作。因此，在工业机器人的核心技术之中，高精度感知是其最为核心的关键要点，基于独立关节部分的模仿设计以及精密传感器的创新研究，构建独立的机械装置以及驱动机构，使得工业机器人的手臂近乎达到人手的灵巧程度，从而实现“人工作业”的替代操作，用于代替工人完成一些重复性较高或危险程度较强的生产制造工作[2]。而相关操作所需材料的研发也是核心技术重要组成部分，尤其是关于驱动机的结构材料选择更加应当注重安全性以及荷载量等方面的综合评估，从而实现更高的工作效率。66DBC426-1084-4E1A-B9AE-31DE04CCCD64

3）环境感知与传感技术

环境感知与传感技术是实现自动化操作的前提，工业机器人要投入生产，应用必须要基于相应的环境参数设定以及自动控制与启停阈值设置，而在机器人工作过程中必须要感知环境设备的实时状态以及生产进展，才能实现精确安全的自主控制。目前在我国工业机器人技术研究领域之中，最大的难题在于非结构性的生物传感器研发，从而突破3D环境感知技术的研究瓶颈，提升工业机器人的复杂环境适应性。

4）人机交互技术

进入智能制造时代之后，智能化工作成为工业机器人的主要发展趋势，因此实现高效的人机交互是推动智能化应用的前提。人机交互主要是指在基于保证人机安全的前提下，依托于多物理效应人机交互装置实现人与工业机器人的良性操作互动。而安全问题是人机交互工作之中的重中之重，此方面涉及作业环境动态以及控制处理等多元方面的内容，因此基于工作生产的实际需求制定工业机器人的具体执行方案是人机交互技术的核心。

3.2 工业机器人研发技术趋势

1）智能系统

随着工业机器人相关传感器技术的不断低成本、高精度化发展，工业机器人将在未来发展中以高度智能化的系统研发趋势不断进步，其能够以更为高效的故障处理效率实现漏洞及时补救以及调整工作状态。同时机器人之间也可以通过通信基站形成联合协作工作机制，通过清单程序共享来最大程度降低误差程度，在工作执行过程中针对程序之中的漏洞问题进行自动修复，而相关软件部分的模型调试仿真也会更加精确[3]。

2）智能执行机构

在制造业不断推进智能自动化生产的过程中，工业机器人執行机构也会逐步向智能化发展，由此实现高度集成的智能化电子设备封装。智能执行器不仅含有基础位置编码器，其中还集成了机器人控制结构、制动结构、伺服控制机构等多功能的电子设备，而在后续研发中上述结构元件将以更为微小的尺寸、科学的布线、较低的成本集成到执行器中，实现高可靠性的工业作业。

3）智能传感器

对于工业机器人而言，能够有序生产和及时反应很大程度上依赖于传感器的高精度信息搜集与数据信息的快速处理。而在工业机器人的未来技术研发过程中，传感器同样也会呈现高度智能化的特征，其中将集成环境信息搜集与数据传输的功能，同时也将通过微加工技术实现低成本产出，从而以微机械传感器的形态适应于更多制造工业领域。目前，如何在有限技术空间内实现高度的电子集成是当下工业机器人领域内技术研发人员亟待突破的重要问题。

4）分布式控制

目前我国工业机器人的整体控制运行基本都基于机器人控制柜，其中装配有负责不同功能的处理器，如数据处理、智能操控等。而在基于上文所述的智能传感器、智能执行机构的基础上，今后工业机器人将以分布式控制为发展趋势，通过互联网络的搭建联合其他智能设备，由此依托于网络、传感器、执行器、处理器的分布式控制处理，提升工业机器人的工作效能，从而适应更为复杂多变的工业制造场地环境，专业处理技术也相对更加自动化，工业机器人的智能化生产、控制水平将大大提升。

4智能制造时代工业机器人的应用前景

4.1 强化仿生性与集成性，适用范围更广

进入智能制造时代之后，大规模的工业自动化装置将会取代传统人工作业，从而在实现生产增效的同时降低生产项目的风险系数，在此背景下工业机器人应运而生。在多领域先进科技的融合催生下，工业机器人的性能将不断提升，而制造成本将会相应降低。在我国工业制造领域之中，机器人的存在形式往往是通过对人体手臂的工学模仿所制造出的机械臂，结合智能化的控制系统与信息处理机构实现自动化操控。在智能制造时代背景下，物联网技术不断发展，信息技术与人工智能技术的引入将会强化工业机器人的仿生性，而工业机器人的控制系统将在软硬件层面实现不同功能模块的集成应用，显著提升工业机器人处理器的计算性能，使其能够以高度拟人化的操作过程参与生产作业。无论是从软件编程研发还是外形结构而言，在未来发展中工业机器人都将以更为优越的性能进入不同领域的制造生产过程中。

4.2 提升自动化集成度，实现标准化控制系统

工业机器人在智能化操控应用的过程中并非独立个体，其需要与不同的生产设备进行全程协调配合。因此在智能制造时代，整个生产体系应当基于不同生产目标展开统筹规划以及合理布局，协调运输设备、数控机床以及工业机器人于不同制造环节之中的工作内容，从而科学规划生产过程。在智能制造时代，工业机器人在应用时将更加倾向于高度自动化集成，构建标准化控制系统，通过软件以及硬件的模块开发使得整个生产系统能够以高度兼容性有序运行。而对于工业机器人的控制系统而言，其必须要具有准确的信息处理能力，准确理解上位机所传达的具体控制信息并将其转化为实际操作指令，当各个执行架构收到具体动作指令时，将通过动作电机以及功能关节的有效配合实现指定要求动作[4]。在智能化工业制造的发展过程中，物联网以及大数据等技术的引入将进一步优化工业机器人控制系统，使其能够针对不同生产制造任务完成标准化作业，而在更换应用场景时仅需由控制模块的功能切换指令便可实现多个场景的兼容切换，无须针对性开发仅适用于固定场景的机器人，极大地节省了制造和维修管理成本。

4.3 基于人机互动，全面发展经济型工业机器人

智能制造时代的新型智能工业机器人，在发展过程中将会基于相关算法应用，基于生产内容以及软件平台对环境图像以及视讯信息进行处理，从而经由高性能的软件计算实现高效即时的人机互动。同时在光学测量领域中，工业机器人同样可以得到广泛的智能化应用，在此生产领域中工业机器人能够对制造项目中的相关组件（如车机设备等）进行精密检测。而针对传统工作模式中，工业机器人操控过程中所搜集到的前瞻性数据缺失情况，通过跟踪传感器的智能化处理可以基于所在环境信息以及控制处理器内部判断进行有效解决。随着工业机器人的不断优化，工业制造生产过程中的多项环节控制功能将会以高度集成的方式统一至控制器之中，并基于网络互联信息数据的有效融合，实现工业机器人的智能化操控与服务。

除上述技术外，视觉图像、机器拟人化、机器学习等人工智能相关技术也将得到深度开拓并应用，实现机器一定程度上代替人执行决策和判断，提升安全性和可靠性。在技术开拓创新进程中，注重引用新材料降低机器人自重与负载比，通过计算机仿真等手段优化操作轨迹，提升其整体灵活性[5]。

5结束语

在国民经济的不断发展背景下，社会对于工业制造领域的改革成果提出了更高的要求，与此同时工业机器人以极为快速的发展趋势占据全球自动化控制领域市场，机器人的核心研发技术逐渐成各国核心竞争力的重要构成要素。尤其在云计算与大数据不断普及的今天，信息技术的引入使得工业机器人不断向智能化制造趋势发展，因此有必要对智能制造时代工业机器人的应用前景展开探讨。在未来智能制造时代，工业机器人则将以更高的性能实现集成性与仿真性的强化，其自动化集成度也将显著提升，从而基于高效的人机互动最终实现经济型工业机器人的全面应用，推动各个领域不断向智能化生产迈进。

参考文献：

[1] 马超凡.基于智能制造时代的工业机器人发展探讨[J].技术与市场，2020，27（9）：96-97.

[2] 王宝鑫.智能制造时代的工业机器人发展新趋势分析[J].发明与创新（职业教育），2019（1）：66-67.

[3] 胡峰，刘媛，陆丽娜.基于机器人产业发展阶段的政策—技术路线图构建[J].中国科技论坛，2019（6）：72-79.

[4] 马飞，焦锐丽，李阁.智能制造背景下工业机器人新技术的应用与发展现状[J].湖北农机化，2020（4）：64.

[5] 陈攀.智能制造时代工业机器人的应用前景研究[J].内燃机与配件，2019（17）：227-228.

收稿日期：2021-10-13

基金项目：安徽省教育厅电气自动化技术特色专业教学资源库（项目编号2020zyk03）;安徽电子信息职业技术学院蚌埠凯盛工程技术有限公司机电一体化示范实训中心（项目编号2019xqsxzx55）

作者简介：刘媛（1982—），女，安徽蚌埠人，讲师，研究生，主要研究方向为工业机器人、自动化。66DBC426-1084-4E1A-B9AE-31DE04CCCD64