【機器人】東南大學段晉軍博士教你輕鬆學習工業機器人系統

在日常生活中，談到機器人，我們可能會想到呆萌貼心的大白，想到藍胖子哆啦A夢，玩王者的小哥哥小姐姐可能會聯想到魯班七號。在我們心中的機器人都是被人格化後的機器人形象。那麼，把機器人尤其是工業機器人形象解構以後，他又會是什麼樣子呢？這樣專業的問題，讓我們聽聽東南大學段晉軍博士怎麼說。（以下部分內容摘自段博在《機器人大講堂》中的分享，我們重點介紹一下工業機器人系統）

平時不論是新聞上看到的工業機器人、雙足機器人、四足機器人還是動漫作品裡的機器人形象大部分是機器人本體，而機器人控制系統則是幕後功臣，類似於人的大腦，這個控制系統往往安裝在機器人本體的內部或是有一個單獨的控制單元。

大家來看下面的一幅圖（摘在固高科技的官網），這幅圖描繪了一個工業機器人系統的概貌，一個工業機器人系統包括了機器人本體、伺服電機（或者是直流電機）、減速機、驅動器、控制器、示教器、還有一些外圍的裝置，比如攝像頭、六維力感測器、IO模組、焊接部件等等。

對於一個工業機器人系統而言，我們對上面的圖進行簡化，將剛才的工業機器人系統簡化，抽取出工業機器人系統中必不可少的部分：控制系統、機器人本體和示教器。

而控制系統從常規結構上可以分為兩部分：執行機構和控制系統。執行機構包括機器人本體、伺服電機和減速裝置；控制系統則分為控制器、伺服驅動器、示教器和擴充模組，其中擴充模組包括力覺模組、視覺模組、抓取模組等，也就是說我們我們所看到的機器人能完成的每個動作，都需要新增擴充模組。

舉個例子，假如英雄聯盟中的蒸汽機器人布里茨缺少了抓取模組，就不能完成機械飛爪技能中的抓取敵人功能啦。

現在進入重點啦，下面來具體分析一下控制系統中每個部分的功能和用途吧。

對於工業機器人系統而言，示教器是用於與使用者互動的裝置，它能夠處理和記憶使用者賦予工業機器人的任務指令。一般情況下，它分為三種模式：示教模式、線上模式和遠端模式。示教模式用於示教機器人的動作序列，最終以作業的形式儲存在示教盒中；線上模式是復現使用者示教的作業，此時需要示教器對作業進行線上解析，並將解析結果傳送給控制器。遠端模式是指使用者可以通過一根網線或是通過網路的形式控制機器人動作，此時，使用者不一定就在機器人旁邊，可以是遠端遙控。更通俗一點的理解：示教器就像遙控賽車的遙控器，用遙控器操縱賽車和使用示教器控制工業機器人是一樣的道理，emmm，這麼一想好像高大上的工業機器人也變得沒那麼神祕了。

當然了，示教器的介面風格也不盡相同，下面是部分示教器的樣子~

說完了示教器，我們來聊一聊控制系統，控制系統是整個系統的指揮中心，現在市面上控制系統有三種架構：基於IPC的匯流排式開放控制架構、PC+運動控制卡的分離架構以及高度整合的控制架構。其中，基於IPC的匯流排式開放控制架構目前使用較多，優勢在於易於擴充套件，實時性好；PC+運動控制卡的分離架構則稍遜，其擴充性弱，系統笨重且繁瑣；而高度整合的控制架構則主要適用於小型機器人系統。控制系統的實現基本要靠一行行的程式碼來實現，其內部包括了底層驅動、建模、運動學、動力學、軌跡規劃、任務規劃等非常複雜的code。

最後，我們來說說機器人本體，它就像人的胳膊或腿，它是一個執行機構，它接收來自機器人控制系統的指令，千萬別以為本體只是個執行器，本體中的電機和減速機可都是機器人本體的核心零部件，尤其是減速機。

說了這麼多，那麼工業機器人的應用場景有哪些呢？

在眾多的製造業領域中，工業機器人應用最為廣泛的領域是汽車及汽車零部件製造業，並不斷向其他領域擴充套件，如機械加工行業、電子電氣行業、橡膠及塑料工業、食品工業、木材和傢俱製造業等領域中。

在工業生產中，焊接機器人、鐳射加工機器人、噴塗機器人、搬運機器人、機床機器人、衝壓機器人、真空機器人等工業機器人都已被大量採用。

往往上面呈現的形式是：使用者示教工業機器人一組固定的任務序列，若是加上視覺感測器或力覺感測器，工業機器人將有了視覺感知能力和觸覺感知能力。當賦予了工業機器人感知能力，工業機器人會被擴充套件到更為廣闊的場合。比如人機協作，人機互動，基於視覺的物流揀選、精密裝配等，基於力覺的打磨、去毛刺、柔性裝配等應用場合。

談到工業機器人應用，還想說說央視《大國重器》。2018年3月4日，央視播出《大國重器》第七集《智造先鋒》，作為一名機器人媒體從業者，在觀看視訊時除了驕傲很難再說出其他什麼更加適合於描述自己心中情感的名詞。時至今日，機器人和人工智慧概念成了很多公司炒作自己產品的噱頭，市面上亦不乏各類網紅機器人，我們不斷在各類娛樂節目、新聞媒體中看到機器人的出現，甚至機器人概念成為了某些團隊的炒作工具；與此同時，《大國重器》則把這些和娛樂、和出格言論等可說風馬牛不相及的工業機器人放在了大眾的視野之中，這些冰冷的力臂、車床、發動機可能從誕生的那一刻起到退役都是無言的，這些複雜的機械裝置沒有討喜的擬人化外表，如果沒有《智造先鋒》這麼一期視訊，可能很難為大眾所知，但這也是工業機器人的一大特點：

可能沒有華麗的外表，但是足夠有用。

中國製造2025中提出緊密圍繞重點製造領域關鍵環節，開展新一代資訊科技與製造裝備融合的整合創新和工程應用。支援政產學研用聯合攻關，開發智慧產品和自主可控的智慧裝置並實現產業化。依託優勢企業，緊扣關鍵工序智慧化、關鍵崗位機器人替代、生產過程智慧優化控制、供應鏈優化，建設重點領域智慧工廠/數字化車間。在基礎條件好、需求迫切的重點地區、行業和企業中，分類實施流程製造、離散製造、智慧裝備和產品、新業態新模式、智慧化管理、智慧化服務等試點示範及應用推廣。建立智慧製造標準體系和資訊保安保障系統，搭建智慧製造網路系統平臺；同時，組織實施大型飛機、航空發動機及燃氣輪機、民用航天、智慧綠色列車、節能與新能源汽車、海洋工程裝備及高技術船舶、智慧電網成套裝備、高檔數控機床、核電裝備、高階診療裝置等一批創新和產業化專項、重大工程。這一切的巨集偉壯觀的過程都離不開工業機器人的幫助和支援，可能在日常生活中我們不會直觀地看到工業機器人作業，但是它們一直就在我們的身邊，在你能想象到的任何地方發光、放熱。

---

深度工廠為你解析：工業機器人行業研究報告（含部分關聯企業介紹）

報告看點梳理：

①工業機器人行業概況及發展趨勢

②核心零部件製造商、本體制造商、系統整合商、機器人應用和下游服務商5大產業鏈佈局

③我國工業機器人主要集中在本體和整合端，其根源在於哪個環節？

④知名投資機構佈局及地域分佈

⑤437家工業機器人行業企業介紹及融資資訊

1-9月我國工業機器人產量增長69.4%

《2017年世界機器人報告》稱，中國機器人行業正在以前所未有的速度迅猛發展，正成為全球機器人行業的領先者。

2016年，中國銷售工業機器人增長了27%，達到8.7萬臺，佔全球的近1/3。同時，中國的機器人制造商正在擴大其在國內市場的份額，2018年~2020年，中國機器人的年銷售量預計每年平均增長15%~20%。

2017年8月23日，中國電子協會發布報告稱，預計今年中國將銷售超過11萬的工業用途機器人，同時2017年中國工業機器人市場規模將達到42.2億美元。

2017年1-9月，我國工業機器人產量達到95351臺(套)，同比增長69.4%，9月當月產量為13085臺(套)，比上年同月增長103.2%，繼續保持高速增長態勢。

IDC預測2018機器人十大趨勢

IDC FutureScapes 近日釋出了2018年全行業的預測和觀察。報告中討論了未來1-3年內可能影響機器人行業的ICO和企業高管做出決斷的關鍵性預測。如到2019年，有60%的高新技術製造商將專注於工業機器人的部署；到2020年，全球移動安全機器人市場將增長近3倍等等。

2018年全球機器人十大發展趨勢：

在預測1：到2019年，機器人的應用量將增加三分之一，而60%的G2000高新技術廠商將專注於工業機器人的部署。

預測2：到2020年，新安裝的工業機器人中將有45%至少配備了一個智慧功能，如預測性分析、自我診斷、健康狀況意識、同行學習或自主認知。

預測3：到2021年，負責監督和協調智慧機器人代理的出現，將有效刺激整個工業機器人行業效率提升30%。

預測4：到2021年，30%的G2000製造商將部署網路物理機器人系統，從而使生產力提高10-20%。

預測5：到2020年，全球移動安全機器人市場將增長近300%，而在增強人類安全上，又將有30%的移動安全機器人將配備機載無人機以進行必要部署。

預測6：到2019年，25%的移動機器人將部署包括新增模組化元件的能力，並在同一移動平臺實現多種應用，從而幫助生產力和效率提升30%。

預測7：到2020年，前100家零售商中將有30%在店內採用或試點部署機器人，從而使訂單成本降低20%。

預測8：到2021年，移動機器人部署的45%將通過Raas（Robot as a service：機器人即服務）的方式，使裝置能夠在需求波動期間迅速擴大和縮小，並使機器人部署從資本支出轉移至運營成本。

預測9：在無人機行業部署的軟硬體和服務方面的投入，將有助於繪製和規劃石油、天然氣和煤炭等開採地區的基礎設施，以及調查和監測數千英畝的農作物，預估其產業價值在2020年將達到1億美元。

預測10：到2021年，消費類機器人市場將翻一番，下一代基於AI的機器人將減少對物理性任務的關注，而更多的參與家庭成員的教學和互動當中，並開始走進家庭，提高人類生活質量。

我國工業機器人主要在本體和整合端

工業機器人產業鏈由核心零部件製造商、本體制造商、系統整合商、工業機器人應用和下游服務商構成，其中本體是機器人產業鏈的核心。

目前，國內的機器人企業多為系統整合商。從國內機器人市場發展現狀看，有兩類企業將在未來行業大發展的背景中勝出：一類是有很強技術研發底蘊，專案經驗豐富的行業企業，另一類是在某些行業有一定的專案經驗，擬在自身行業推廣工業機器人的企業。

截至2017年11月初，參照系優質企業資料庫共收錄437家工業機器人行業關聯企業。從產業鏈佈局來看，主要集中在系統整合領域，有278家相關企業，佔全產業鏈的64%。

產業分析——核心零部件製造商

從成本上來看，核心零部件佔工業機器人總成本約72%左右。多軸工業機器人的成本構成中，機械本體約佔22%；伺服系統約佔24%；減速器系統約佔36%；控制系統約佔12%；其他外設約佔6%。

部分關聯企業介紹產業分析——本體制造商

工業機器產業鏈的中游為機器人本體制造商，主要負責工業機器人支柱、手臂、底座等工業機器人主體機械結構部分的生產與組裝。根據機械結構形式，工業機器人可以分為直角座標型機器人，圓柱座標型機器人，並聯機器人，關節型機器人等。

部分關聯企業介紹產業分析——系統整合商

機器人系統整合是指在機器人本體的基礎上，根據機器人的不同應用型別為其安裝不同的執行裝置，將機器人本體和附屬裝置進行系統整合。

部分關聯企業介紹產業分析——應用

工業機器人應用於行業自動化生產線，是利用以機器人為主的自動化裝置，完成搬運、分揀、上下料、裝配、焊接、噴塗、檢測等一部分或大部分生產線上工作，儘量減少人員使用，實現的自動化生產，它的最高形式是自動化技術和資訊數字化技術結合的智慧工廠。

部分關聯企業介紹產業分析——下游服務商

下游服務商主要分為：第三方服務商、代理商。第三服務商主要負責工業機器人的使用、維護、教育培訓等。代理商指承擔國內外工業機器人品牌的代理、分銷等工作。

部分關聯企業介紹投資動向分析

437家工業機器人相關企業中，公開企業資本市場狀態的有87家，其中新三板上市的有63家，A股上市的有14家。

最受投資機構追捧企業

企業市級分佈（前十）

報告資料截至2017年11月

文章來源：參照系研究院·出品

人工智慧賽博物理作業系統

AI-CPS OS

“人工智慧賽博物理作業系統”（新一代技術+商業作業系統“AI-CPS OS”：雲端計算+大資料+物聯網+區塊鏈+人工智慧）分支用來的今天，企業領導者必須瞭解如何將“技術”全面滲入整個公司、產品等“商業”場景中，利用AI-CPS OS形成數字化+智慧化力量，實現行業的重新佈局、企業的重新構建和自我的煥然新生。

AI-CPS OS的真正價值並不來自構成技術或功能，而是要以一種傳遞獨特競爭優勢的方式將自動化+資訊化、智造+產品+服務和資料+分析一體化，這種整合方式能夠釋放新的業務和運營模式。如果不能實現跨功能的更大規模融合，沒有顛覆現狀的意願，這些將不可能實現。

領導者無法依靠某種單一戰略方法來應對多維度的數字化變革。面對新一代技術+商業作業系統AI-CPS OS顛覆性的數字化+智慧化力量，領導者必須在行業、企業與個人這三個層面都保持領先地位：

1. 重新行業佈局：你的世界觀要怎樣改變才算足夠？你必須對行業典範進行怎樣的反思？

2. 重新構建企業：你的企業需要做出什麼樣的變化？你準備如何重新定義你的公司？

3. 重新打造自己：你需要成為怎樣的人？要重塑自己並在數字化+智慧化時代保有領先地位，你必須如何去做？

AI-CPS OS是數字化智慧化創新平臺，設計思路是將大資料、物聯網、區塊鏈和人工智慧等無縫整合在雲端，可以幫助企業將創新成果融入自身業務體系，實現各個前沿技術在雲端的優勢協同。AI-CPS OS形成的數字化+智慧化力量與行業、企業及個人三個層面的交叉，形成了領導力模式，使數字化融入到領導者所在企業與領導方式的核心位置：

1. 精細：這種力量能夠使人在更加真實、細緻的層面觀察與感知現實世界和數字化世界正在發生的一切，進而理解和更加精細地進行產品個性化控制、微觀業務場景事件和結果控制。

2. 智慧：模型隨著時間（資料）的變化而變化，整個系統就具備了智慧（自學習）的能力。

3. 高效：企業需要建立實時或者準實時的資料採集傳輸、模型預測和響應決策能力，這樣智慧就從批量性、階段性的行為變成一個可以實時觸達的行為。

4. 不確定性：數字化變更顛覆和改變了領導者曾經仰仗的思維方式、結構和實踐經驗，其結果就是形成了複合不確定性這種顛覆性力量。主要的不確定性蘊含於三個領域：技術、文化、制度。

5. 邊界模糊：數字世界與現實世界的不斷融合成CPS不僅讓人們所知行業的核心產品、經濟學定理和可能性都產生了變化，還模糊了不同行業間的界限。這種效應正在向生態系統、企業、客戶、產品快速蔓延。

AI-CPS OS形成的數字化+智慧化力量通過三個方式激發經濟增長：

1. 創造虛擬勞動力，承擔需要適應性和敏捷性的複雜任務，即“智慧自動化”，以區別於傳統的自動化解決方案；

2. 對現有勞動力和實物資產進行有利的補充和提升，提高資本效率；

3. 人工智慧的普及，將推動多行業的相關創新，開闢嶄新的經濟增長空間。

給決策制定者和商業領袖的建議：

1. 超越自動化，開啟新創新模式：利用具有自主學習和自我控制能力的動態機器智慧，為企業創造新商機；

2. 迎接新一代資訊科技，迎接人工智慧：無縫整合人類智慧與機器智慧，重新

   評估未來的知識和技能型別；

3. 制定道德規範：切實為人工智慧生態系統制定道德準則，並在智慧機器的開

   發過程中確定更加明晰的標準和最佳實踐；

4. 重視再分配效應：對人工智慧可能帶來的衝擊做好準備，制定戰略幫助面臨

   較高失業風險的人群；

5. 開發數字化+智慧化企業所需新能力：員工團隊需要積極掌握判斷、溝通及想象力和創造力等人類所特有的重要能力。對於中國企業來說，創造兼具包容性和多樣性的文化也非常重要。

子曰：“君子和而不同，小人同而不和。”  《論語·子路》雲端計算、大資料、物聯網、區塊鏈和 人工智慧，像君子一般融合，一起體現科技就是生產力。

如果說上一次哥倫布地理大發現，擴充的是人類的物理空間。那麼這一次地理大發現，擴充的就是人們的數字空間。在數學空間，建立新的商業文明，從而發現新的創富模式，為人類社會帶來新的財富空間。雲端計算，大資料、物聯網和區塊鏈，是進入這個數字空間的船，而人工智慧就是那船上的帆，哥倫布之帆！

新一代技術+商業的人工智慧賽博物理作業系統AI-CPS OS作為新一輪產業變革的核心驅動力，將進一步釋放歷次科技革命和產業變革積蓄的巨大能量，並創造新的強大引擎。重構生產、分配、交換、消費等經濟活動各環節，形成從巨集觀到微觀各領域的智慧化新需求，催生新技術、新產品、新產業、新業態、新模式。引發經濟結構重大變革，深刻改變人類生產生活方式和思維模式，實現社會生產力的整體躍升。

---

產業智慧官  AI-CPS

用“人工智慧賽博物理作業系統”（新一代技術+商業作業系統“AI-CPS OS”：雲端計算+大資料+物聯網+區塊鏈+人工智慧），在場景中構建狀態感知-實時分析-自主決策-精準執行-學習提升的認知計算和機器智慧；實現產業轉型升級、DT驅動業務、價值創新創造的產業互聯生態鏈。

長按上方二維碼關注微信公眾號： AI-CPS，更多資訊回覆：

新技術：“雲端計算”、“大資料”、“物聯網”、“區塊鏈”、“人工智慧”；新產業：“智慧製造”、“智慧農業”、“智慧金融”、“智慧零售”、“智慧城市”、“智慧駕駛”；新模式：“財富空間”、“特色小鎮”、“賽博物理”、“供應鏈金融”。

點選“閱讀原文”，訪問AI-CPS OS官網