工业机器人发展现状及地方工科院校一体化育人体系建设思路

第３５卷　第７期　吉　林　化　工　学　院　学　报Ｖｏｌ.３５Ｎｏ.７　２０１８年７月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＪＩＬＩＮＩＮＳＴＩＴＵＴＥＯＦＣＨＥＭＩＣＡＬＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＪｕｌ.　２０１８

收稿日期:２０１８￣０５￣１４基金项目:吉林省科技厅项目(２０１８０１０１３３６ＪＣ)ꎻ吉林市科技创新发展计划项目(２０１７５０２４４)作者简介:曲永印(１９５９￣)ꎬ男ꎬ吉林通化人ꎬ吉林化工学院校长ꎬ教授ꎬ博士ꎬ主要从事电力电子技术与自动化领域的理论研究、技术开发和工程应用.

文章编号:１００７￣２８５３(２０１８)０７￣０００１￣０７工业机器人发展现状及地方工科院校

一体化育人体系建设思路

曲永印ꎬ艾学忠ꎬ高兴泉ꎬ刘　麒(吉林化工学院ꎬ吉林吉林１３２０２２)

摘要:在简要总结国内外机器人发展现状的基础上ꎬ以地方工科院校视角ꎬ从基本理论与基本实验的一体化、综合理论与工程教育的一体化、交叉理论与创新实践的一体化角度ꎬ提出工业机器人育人体系建设思路ꎬ并对加快推进工业机器人教育的举措进行了探讨.关键词:工业机器人ꎻ发展现状ꎻ一体化育人体系中图分类号:ＴＰ２４２文献标志码:ＡＤＯＩ:１０.１６０３９/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ２２－１２４９.２０１８.０７.００１

制造业是国民经济的主体ꎬ是立国之本ꎬ兴国之器ꎬ强国之基.在«中国制造２０２５»和德国工业４.０的大力推动下ꎬ智能制造无疑是新一轮工业

革命的核心ꎬ通过信息技术与制造技术的深度交叉融合ꎬ才能带动制造业数字化水平和智能化水平的大幅提升[１].其中工业机器人是智能制造业

最具代表性的装备ꎬ其作为智能制造的重要组成部分ꎬ是实现产业升级、智慧跨越的关键[２].而实

现这一目标的关键则是掌握工业机器人技术的人才培养地方工科院校ꎬ它代表着我国智能制造行业发展的平均水平ꎬ同时在科技创新和经济发展中发挥了不可替代的作用.因此本文从地方工科院校的视角分析当前国内外工业机器人发展现状ꎬ利用工业机器人多学科交叉融合的特点ꎬ基于智能制造的产业先驱工业机器人ꎬ提出培养宽口径、高素质、复合型、一体化实践育人体系的构想ꎬ满足新工科人才培养需求ꎬ并逐步落实ꎬ适应新一轮工业革命的发展[３].

１　国外工业机器人的发展现状

由于发达国家的劳动力出现地比较早ꎬ环境的因素也促使他们很早就开始发展工业机器人ꎬ从而形成了先发的优势.比如美国ꎬ从上世纪５０年代已经提出了“工业机器人”的概念ꎻ而日本在７０年代就已经形成了工业机器人产业化的发展.他们有深厚的技术积累ꎬ包括一些关键部件的核心技术[４].１.１　美国工业机器人发展动态美国是机器人的诞生地.１９５４年ꎬ美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念ꎬ并申请了专利.１９５８年ꎬ被誉为“工业机器人之父”的ＪｏｓｅｐｈＦ.ＥｎｇｅｌＢｅｒｇｅｒ参与设计了第一台Ｕｎｉｍａｔｅ机器人.１９６２年ꎬ研制出世界上第一台工业机器人[５].比起号称机器人王国的日本起步至少要早五、六年.２０世纪６０年代到７０年代期间ꎬ美国的工业机器人主要立足于基础研究ꎬ只有几所大学和少数公司开展了相关的研究工作.随着日本工业机器人在工业生产中的应用ꎬ美国感到形势紧迫ꎬ才开始真正重视机器人.经过４０多年的发展ꎬ美国现已成为世界上的机器人强国之一ꎬ基础雄厚ꎬ技术先进.据统计ꎬ截止到２００９年底ꎬ美国运行的工业机器人大约有１９.４万台.目前ꎬ美国工业机器人供应商有ＡｄｅｐｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ＡｍｅｒｉｃａｎＲｏｂｏｔ、ＥｍｅｒｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ等公司.据联合国欧洲经济委员会(ＵＮＥＣＥ)和国际机器人联合会(ＩＦＲ)的统计ꎬ美国制造业中ꎬ每１万雇员拥有６３个工业机器人.尽管从排名上说ꎬ美国已经进入世界前十名ꎬ但其与前几名仍然有着很大的差距ꎬ仅相当于德国的４３％ꎬ意大利的５４％ꎬ欧盟的６８％.与普通的制造业相比ꎬ美国汽车工业中每万个产业工人拥有的工业机器人数量大大提高ꎬ达到７４０个ꎬ但仍然远远低于日本(１４００个机器人)和德国(１０００个机器人)[６].近年来ꎬ美国针对机器人技术研发ꎬ推出了ＤＡＲＰＡ的自主机器人研究计划、联合机器人研究计划等ꎬ大力推动机器人在军事、工业等各个领域的应用ꎬ美国的先进制造伙伴计划ꎬ明确提出建立美国在新一代机器人方面的领先地位ꎬ重点研发新一代与人紧密协作的机器人ꎬ提升产业工人、健康保健从业者、手术医生以及宇航员完成困难任务的能力[７].尽管在工业机器人的发展上ꎬ美国走了一条重理论研究ꎬ轻应用开发的曲折道路ꎬ但与其他国家相比ꎬ美国机器人的技术更加全面、先进ꎬ适应性也很强.此外ꎬ美国机器人的智能技术发展也很快ꎬ其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用.高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速ꎬ已实际应用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测等方面[８].１.２　日本工业机器人发展动态日本素有“机器人王国”之称ꎬ自１９６８年从美国引进机器人及其相关技术之后ꎬ就开始了自主研发和生产机器人的道路.经过４０余年的发展ꎬ日本工业机器人领域出现了ＦＡＮＵＣ、安川、川崎、ＯＴＣ、松下、不二越等国际知名品牌ꎬ技术领先ꎬ质量可靠性强.据统计ꎬ目前全世界投入使用的机器人大约有９５万台ꎬ其中日本就占了３８％ꎬ位居各国之首ꎬ可以说占据了世界机器人产业的半壁江山[９].日本在２０１４年«新经济增长战略»中把机器人产业作为本国经济增长的重要支柱ꎬ通过扩大机器人应用领域、设立“实现机器人革命会议”、出台放宽限制的政策等ꎬ促进机器人使用.日本制定了到２０２０年制造业机器人使用量增加２倍、市场规模达到２.８５万亿日元的目标.日本机器人的种类齐全ꎬ主要分为两大类:工业机器人和服务型机器人.工业机器人用于生产工作ꎬ日本的工业机器人产品按应用领域划分为四类ꎬ分别是喷涂机器人、原材料运输机器人、装配机器人、清洁机器人.按照工业分支应用的比例为:自动化零部件工业占３５.１％ꎻ电机械制造工业占２７.３％ꎻ塑料制品工业占９.７％.数据显示工业机器人在汽车和电子领域的应用比例高达６２.４％ꎬ这两类产业是推动日本国内机器人产业增速的引擎.而服务型机器人则帮助人解决生活中的问题[１０].近几年ꎬ日本的工业机器人在食品、药品、化妆品所谓“三品产业”领域的应用有较快的发展.与汽车和电子行业的应用不同ꎬ这些产业卫生标准更高ꎬ而解决这些卫生标准等诸多问题需要有更先进的技术支持.应用于制造业以外的机器人大多都可归入服务型机器人范畴.在服务型机器人开发领域ꎬ日本同样领导着世界潮流ꎬ索尼、日立等３０多家企业和早稻田大学、九州大学等十多所大学ꎬ在服务型机器人开发方面取得重要进展.总体而言ꎬ日本机器人位居世界前列得益于其齐全的机器人种类ꎬ繁多的知名企业ꎬ以及庞大的产业和完整的产业链.１.３　德国工业机器人发展动态２０世纪７０年代中后期ꎬ德国政府采用的积

极行政手段为工业机器人的推广开辟道路ꎬ如在“改善劳动条件计划”中规定ꎬ对于一些危险、有

毒、有害的工作岗位ꎬ必须由机器人来代替.这个计划为机器人的应用开拓了广泛的市场ꎬ并推动了工业机器人技术的发展[１１].

德国工业４.０的提出极大地鼓舞了德国制造业向着更高、质量更好的方向前进ꎬ同时机器人这一工业科技时代“标志性硬件”的普及ꎬ使人工劳动力得到了极大的解放.例如ꎬ大众汽车在德国被称为“国民的汽车”ꎬ其受欢迎程度可见一斑.而在位于萨尔茨吉特的大众汽车发动机制造厂里高低起伏中的工业机械机器人手臂无不展示德国工业的强力实力ꎬ透过这些机器的触角ꎬ德国已将“工业４.０”注入制造业的每一方土地.在一条条生产线旁ꎬ机器人们在专业而毫无怨言地忙碌着.一眼望去ꎬ整个车间只有寥寥数名工人ꎬ一个个小型“变形金刚”在富有节奏感的机械声中大显身手ꎬ

恍如未来工厂.机器人的广泛应用ꎬ不仅让制造成本得到有效降低ꎬ平均生产每台发动机所消耗的能量和污染排放分别降低了６７％和７０％.因此ꎬ在德国“人机协作”早已成为德国现代工厂生产发展的主流ꎬ不论是作为“领头羊”的大型企业ꎬ还是甘当“隐形冠军”的中小企业ꎬ都无一例外地乘上了“智能化”这辆超级快车ꎬ积极践行着德国工业的超级版图“工业４.０”[１２].

最近ꎬ欧盟启动了全球最大民用机器人研发计划———“ＳＰＡＲＣ”ꎬ计划到２０２０年投入２８亿欧元ꎬ创造２４万个就业岗位ꎬ目标是将欧洲机器人产业占全球总产值比重由２０１４年的３５％提升到２０２０年的４２％.该计划将有２００多家公司、１.２万

２

吉　林　化　工　学　院　学　报 ２０１８年 研发人员参与ꎬ包含机器人在各个领域的应用.而以德国为代表的工业机器人行业显示ꎬ该行业从２０１０年至２０１７年期间该行业年平均增长幅度为

１０％ꎬ同期销售额几乎翻了一番.预计２０１８年机

器人和自动化设备的销量将达到１５８亿欧元(约合１８５亿美元)[１３].综上所述ꎬ世界正处于第四次工业革命时期ꎬ国际上工业机器人技术在制造业应用范围越来越广阔ꎬ其标准化、模块化、智能化和网络化的程度也越来越高ꎬ功能越来越强ꎬ正向着成套技术和装备的方向发展.与此同时ꎬ随着工业机器人向更深更广的方向发展以及智能化水平的提高ꎬ工业机器人的应用已从传统制造业推广到其他制造业ꎬ进而推广到诸如采矿、农业、灾难救援等非制造行业ꎬ而且在国防军事、医疗卫生、生活服务、教育娱乐等领域ꎬ服务机器人也崭露头角ꎬ有望成为未来服务行业的主流手段与力量.根据全球机器人应用行业的市场份额图ꎬ如图１所示ꎬ更加说明目前工业机器人的当今应用发展的趋势[１４].图１　全球机器人应用行业市场份额图２　国内工业机器人的发展现状相对于工业强国ꎬ中国工业机器人的起步比较晚.我国于１９７２年开始研制自己的工业机器人ꎬ先后研制出了装配、喷漆、切割、包装、码垛、搬运、焊接、科研以及教学、机床加工等各种用途的工业机器人ꎬ形成了机器人产业化基地并实施了机器人应用工程ꎬ为我国工业机器人产业的腾飞莫定了基础[１５].国内很多研究机构和大学开展了

大量工作ꎬ在机构、驱动和控制等方面取得了丰富成果ꎬ为国内工业机器人产业的创新发展奠定了技术基础.图２显示了截止到２０１６年中国工业机器人的市场销量及国产机器人的销量.据估计ꎬ工业机器人的数量将从２０１６年底的１８０万增加到２０２０年的３００万ꎬ年均增长率为１４％.２０１６年以

来ꎬ最大的工业机器人安装基地在中国.到２０２０年ꎬ中国工业机器人数量将达到近１００万个ꎬ预计在亚洲所有地区的机器人数量将达到１９０万个ꎬ几乎相当于２０１６年全球工业机器人的数量[１６].

然而ꎬ作为衡量一个国家自动化水平的重要标准ꎬ我国每万名产业工人所拥有的工业机器人数量仍然远低于发达国家.以我国１亿制造业产业工人总数计算ꎬ预计到２０２０年ꎬ达到目前世界发达国家机器人装机密度中等水平ꎬ我国需增加机器人装机量１３０万台ꎻ到２０３０年ꎬ达到目前世界发达国家机器人装机密度先进水平ꎬ我国需增加机器人装机量２５０万台.各项数据都表明数年以后世界范围内的机器人需求会保持增长状态[１７].