陈根：工业之魂机器人，制造业的今日明珠
文/陈根
机器人，当代的工业之魂。
考察过近代工业制造的发展历程，就可以理解机器对加工制造业的意义之重。1784年，蒸汽机的诞生成为第一次工业革命的里程碑，由此产生了新一代的蒸汽动力引擎，带动了第一次工业革命。蒸汽动力引擎是结合了工、技、贸的“科技化+工业化”，奠定了工业时代成功的基础。
同样的，在今天，科技化与工业化的结合也会促进新一时期工业时代的发展。在以信息化、数字化为特征的新兴技术里，工业机器人的力量不可小觑——工业机器人扮演了怎样的角色？工业机器人只是纯粹的技术吗？发展工业机器人，又需要面对多少挑战？
工业机器人的最大贡献
工业机器人是面向工业的多关节机械手或多自由度的机器装置，能够自动执行工作。作为依赖自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器，它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。
事实上，从古至今，人类一直在研究如何减少工作量的方法，尽量使工作更加方便快捷又不失质量地高效完成。早在三千多年前的西周时代，我国就出现了能歌善舞的木偶，称为“倡者”，这可能也是世界上最早的“机器人”。
近代以来，伴随着第一次、第二次工业革命，各种机械装置不断被发明与应用，工业机器人呼之欲出。上世纪50、60年代，随着机构理论和伺服理论的发展，机器人进入了使用化阶段。1960年，美国AMF公司生产了柱坐标型Versatran机器人，可作点位和轨迹控制，成为世界上第一种用于工业生产的机器人。
上世纪70年代，随着计算机技术、现代控制技术、传感技术、人工智能技术的发展，工业机器人得到了迅速发展。这段时期的机器人具有记忆、存储能力，按相应程序重复作业，但对周围环境基本没有感知与反馈控制能力。这种机器人也被称作第一代机器人。
进入80年代，随着传感技术，包括视觉传感器、非视觉传感器（力觉、触觉、接近觉等）以及信息处理技术的发展，有感觉的第二代机器人应技术而生。第二代机器人已经能够获得作业环境和作业对象的部分有关信息，进行一定的实时处理，引导机器人进行作业。
第三代机器人也就是目前的“智能机器人”。智能机器人不仅具有比第二代机器人更加完善的环境感知能力，而且还具有逻辑思维、判断和决策能力，可根据作业要求与环境信息自主地进行工作。智能机器人是智能制造的重要组成部分，是实现智能生产和打造智慧工厂的重要利器。
工业机器人是智能制造的关键一环。究其原因，对于工业机器人来说，能够协助解决制造过程中的问题是首先要考虑的。或者说，正如过去的任何一次工业革命中，机器对生产率的提高一样，工业机器人最大的贡献是在于对制造业生产力的改善而不是机器人自身的获利。
究其原因，工业机器人的智能部分可以以“代理”的方式来看——任务分配至控制系统的底层进行处理，加上传感器、视觉影像、逻辑控制与通信共同协作而达成底层级（或称为核心层）的精简有效的控制系统。系统里众多的“代理”相互沟通进而产生了一个群体智能。
这个群体智能可以应用在各种各样的生产活动中，可以是在不同的单品生产线中，也可以在不同的生产规模中，包括使用在一些柔性生产线上。将工业机器人应用到工业生产线上，不仅可以提高生产效率，还可以改善工作环境，保证工人的生命安全，同时减少原材料的损耗，从源头降低了工业成本。
自德国首先于2011年提出以智能制造为核心的“工业4.0”战略之后，以智能化为标志的第四代工业革命就在全球范围内蓬勃展开。其中，工业机器人作为工业化和信息化的完美结合，以其天然的数字化特性，打通了单个生产设备到整个生产网络的连接，进而支撑起第四次工业革命丰富多彩的应用场景。
如果说，过去二十年互联网的发展联通了我们每一个人，那么未来二十年工业互联网的发展将会联通每一台工业机器人，从而带来生产效率乃至生产方式的全面革新。
政策孵化，技术与需求共振
合肥工业大学机械工程学院院长訾斌在CAIRDC2021中国人工智能与机器人开发者大会上表示，“制造业是一个国家工业发展的基石，而机器人被誉为'制造业皇冠顶端的明珠’，其研发、制造、应用是衡量一个国家创新能力与高端制造业水平的重要标志。”
当前，我国工业机器人发展风头正劲。工业和信息化部发布的《2020年1-12月机器人行业运行情况》显示，2020年累计生产工业机器人23.7万套，同比增长19.1%，创下我国工业机器人单年产量最高纪录。中国制造向“中国智造”升级中，机器人正在扮演着越来越重要的角色。
并且，国家统计局日前发布的消息也显示，2021年1-2月份，全国规模以上工业企业的工业机器人产量4.54万套，同比增长117.6%，创下历年同期新高。
工业机器人得以发展，根本上是由于技术进步规模效应带动工业机器人价格下降。工业机器人发展的初期阶段，高昂的价格一度是阻碍众多中小企业购置设备、建设智能化生产线的主要因素。而随着国产工业机器人带来的市场冲击，制造技术的进步和制造成本的快速下降，工业机器人近几年价格呈现明显的下降趋势。
以我国进出口价格和全球价格为例，我国进口机器人均价从2009年的3.00万美元/台下降到2016年的1.68万美元/台，复合年均增长率为-7.9%；出口均价从2011年的2.93万美元/台下降到2016年的0.52万美元/台，复合年均增长率为-29.3%；全球工业机器人均价从2009年的6.33万美元/台下降到2016年的4.45万美元/台，复合年均增长率为-4.9%。
此外，制造业方面，人力成本正在不断提高，对劳动密集型产业造成明显冲击，企业为压缩成本转向更经济的生产模式，机器换人成为大势所趋。随着中国经济的高速发展，制造业从业人员年均工资从2009年的2.68万元增长至2017年的6.45万元，GAGR11.59%。
同时，适龄劳动人口下降，人口红利消失倒逼产业发展。从人口结构上看，我国15-64岁人口占比从2010年的74.50%的高点开始下降，到2017年仅为71.82%。从人口自然增长率看，近15年低位稳定于5%左右。这意味着，未来我国适龄劳动人口占比仍将处于较低水平，对产业自动化发展产生迫切需求。
当然，工业机器人的高速发展也离不开政策的驱动。工业机器人在国内的发展最早可追溯到科技部的863项目。2006年2月，国务院印发了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》，智能机器人首次被纳入前沿技术中的先进制造技术。各级地方政府积极推进地区规划政策落实，中国工业机器人产业也迎来了迅速发展。
从制造到应用，仍需弥合差距
机器人替代人工生产是制造业重要的发展趋势，是实现智能制造的基础，也是未来实现工业自动化、数字化、智能化的保障。尽管当前我国工业机器人在制造和工业设施领域的应用变革势头迅猛，但无论是从制造业方面还是应用方面来看，我国工业机器人与发达国家之间依然存在较大差距。
从制造方面来看，工业机器人是沿着把自动化作为底层技术，再走向数字化、网络化、智能化发展的脉络，越往上走，越需要芯片、软件和算法的助力。而即便自2010年起我国的制造业产值就已超过美国，规模发展水平较高，但质量效益并不高，仍然有很大的提升空间。
时下，发达国家的工业机器人制造已经进入到了智能阶段，而我国还处于入门阶段。据《第一财经》报道，国产工业机器人凭借性价比、渠道等优势，已经占据了国内很多细分领域的大部分市场，但在关键技术、材料、零部件等方面还是与国际的先进水平有一定差距。
新安装的机器人中，有71%的零部件皆来源于国外，国产化率不足30%。其中，在上游最重要的三大零部件——减速器、伺服电机和控制器中，国产化率分别约为30%、22%、35%，相对较低，在产品精度、稳定性等方面依旧存在很大成长空间。
同时，我国工业机器人同质化十分严重。现阶段，很多工业机器人品牌的产品在性能、外观、技术甚至是营销手段上都呈现出相互模仿的现象，就连各个厂商研发产品的核心技术和生产目的都是一样的。因此，纵观现在的工业机器人市场，几乎没有什么表现突出、具有一定竞争力的机器人产品。
在应用方面，发达国家的工业机器人已经有一套完整的设备应用在工业生产线上，并且在运用工业机器人方面已经十分熟练，甚至于不需要配备专门的工业机器人操作人员，就可以使工业机器人完成其运行。但是，我国的工业机器人应用还需要配备专门的工业机器人技术操作人员，来辅助完成操作。
日本在十九世纪二十年代工业机器人就已经普及，但目前为止，我国工业机器人的发展仍处于初级阶段，正面临着向高端转变，承接国际先进制造，以及国际分工等重大挑战。
工业机器人的不断发展创新对从业人员提出了更高的要求，而该领域的人才供需失衡的矛盾正日益凸显。在制造方面，伺服电机、控制器、减速器成为制约中国工业机器人产业的主要瓶颈，而我国这方面的技术人才极为匮乏。在应用方面，相应操作维护、系统安装调试、系统集成等工业机器人应用人才缺口很大。
工业机器人最大的贡献就是在于对制造业生产力的改善而不是机器人自身的获利。随着控制、驱动和传感技术的进步，机器人可以处理的工作范围还在不断扩大，其带来的改变将是长远而超越想像的。