1 機(jī)器人市場的快速成長
在過去的幾年里，工業(yè)機(jī)器人市場一直保持著較快的增長，主要分為兩個方面。
（1）工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用市場在擴(kuò)大
傳統(tǒng)的機(jī)器人的主要應(yīng)用市場是汽車工業(yè)和電子工業(yè)，但2011年電子半導(dǎo)體工業(yè)對于機(jī)器人的需求已經(jīng)超過了汽車工業(yè)，同時，塑料機(jī)械、包裝機(jī)械、金屬加工領(lǐng)域的機(jī)器人用量也更快的成長，尤其是在包裝領(lǐng)域迅猛增長。如圖一所示，中國是全球機(jī)器人市場增速最快的市場。
圖1 IFR 2011年機(jī)器人市場成長性分析
（2）機(jī)器人的市場需求量在快速增長
2011年，中國工業(yè)機(jī)器人市場的總體產(chǎn)量達(dá)到了19500臺，與2011年相比增長率達(dá)51%，這是中國產(chǎn)業(yè)升級的集中體現(xiàn)，需求正在被釋放。
2 機(jī)器人為工業(yè)生產(chǎn)所做的貢獻(xiàn)
（1）提高產(chǎn)品的一致性
由于機(jī)器人采用更高精度的伺服系統(tǒng)進(jìn)行定位加工，它能夠給生產(chǎn)帶來品質(zhì)的高度一致，即所生產(chǎn)產(chǎn)品更好的質(zhì)量穩(wěn)定性，而人工進(jìn)行的生產(chǎn)則無法保證質(zhì)量的穩(wěn)定性，尤其是在大批量生產(chǎn)時。
（2）成本更低
過去，由于中國的人工成本較低，因此，機(jī)器人未得到大的發(fā)展。然而，隨著人工成本的不斷上升，如今一臺10年為生命周期的機(jī)器人在其10年的工作時間里所消耗的成本僅為一個技師的23%，工業(yè)機(jī)器人的成本相較于人工成本明顯降低，使得市場對于機(jī)器人的需求日益迫切。
（3）提供最大的生產(chǎn)靈活性
除了能夠提升生產(chǎn)的速度和精度，機(jī)器人為生產(chǎn)系統(tǒng)帶來的最大的貢獻(xiàn)則在于其提升了生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性，將不同的獨立生產(chǎn)單元進(jìn)行銜接，并且根據(jù)訂單和工藝的不同而任意調(diào)節(jié)。
3 機(jī)器人控制技術(shù)
3.1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計
3.1.1傳統(tǒng)機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)
傳統(tǒng)意義上，機(jī)器人不同于定位控制。由于機(jī)器人是一個建立在齊次變換庫基礎(chǔ)上的模型，而此模型又建立在歐拉-拉格朗日方程解析的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上，因此，其算法設(shè)計較為復(fù)雜，非傳統(tǒng)PLC可以實現(xiàn)，通常的系統(tǒng)架構(gòu)均采用PC+RTOS系統(tǒng)。
傳統(tǒng)機(jī)器人系統(tǒng)均采用RTOS來開發(fā)，通常采用工控機(jī)加PCI總線的嵌入式系統(tǒng)，即VxWorks運動控制部分可以運行在嵌入式控制卡上，采用RTOS來處理運動任務(wù)，而PC則處理顯示、監(jiān)控、操作等任務(wù)。
由于傳統(tǒng)的架構(gòu)在PLC上無法實現(xiàn)機(jī)器人的控制而采用了這種解決方案， KUKA、ABB、Staubli均采用專用的系統(tǒng)，總線普遍采用CAN、Profibus、DeviceNet等現(xiàn)場總線技術(shù)。
3.1.2開放式架構(gòu)設(shè)計
隨著PC-Based控制技術(shù)的發(fā)展，在通用的平臺上即可實現(xiàn)對機(jī)器人和CNC的算法運行，因此，未來機(jī)器人制造商將不依賴于專用的開發(fā)系統(tǒng)來進(jìn)行機(jī)器人的開發(fā)，開放系統(tǒng)包括：
● 開放的通信技術(shù)，如Ethernet；
● 開放的設(shè)備與交互互聯(lián)架構(gòu)OPC UA和XML；
● 開放的硬件平臺（Windows+Runtime）；
● 開放的軟件開發(fā)PLCopen &IEC61131-3；
● OOP開發(fā)平臺.Net。
因此，借助于開放的架構(gòu)設(shè)計，機(jī)器人制造商在系統(tǒng)開發(fā)時無需專門開發(fā)硬件或軟件模塊，利用已有的功能和技術(shù)，可大大降低開發(fā)成本。另一方面，機(jī)器人開發(fā)者將開發(fā)重點集中在與客戶應(yīng)用的融合功能上。
3.2慣量前饋技術(shù)
慣量前饋技術(shù)是應(yīng)用于高精度和重載型機(jī)器人的必然需求，由于重載型機(jī)器人在運動過程中產(chǎn)生的慣量變化而產(chǎn)生了機(jī)器人的運行抖動，造成機(jī)器人運行精度的降低，通過慣量前饋技術(shù)，機(jī)器人可以實現(xiàn)對抖動的消除。
來自B&R的開放架構(gòu)設(shè)計通過基于建模的方式開發(fā)了慣量前饋的算法設(shè)計，通過MATLAB/Simulink，機(jī)器人的整個運行過程被建模，通過伺服驅(qū)動器的電流環(huán)前饋來實現(xiàn)快速的定位調(diào)節(jié)。
3.3實時以太網(wǎng)技術(shù)
由于傳統(tǒng)的總線如CAN、Profibus、DeviceNet只能實現(xiàn)較低的傳輸速度和實時性，隨著應(yīng)用對于需求的提升，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性提出了更高的要求，各種實時以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為此提供了技術(shù)實現(xiàn)的基礎(chǔ)，其中POWERLINK技術(shù)以其高實時性、開源技術(shù)獲得了諸如Staubli、Comau等知名廠商的應(yīng)用，SERCOSIII也以其卓越的特性獲得了廠商的認(rèn)可。
3.4視覺系統(tǒng)在機(jī)器人中的應(yīng)用
（1）需求
機(jī)器視覺是提升機(jī)器人智能性的一個關(guān)鍵技術(shù)，目前來自Cognex等視覺系統(tǒng)廠商的高速采樣技術(shù)和處理能力使得高速運行下的機(jī)器人可以借助視覺系統(tǒng)實現(xiàn)快速的定位
（2）實現(xiàn)
圖2 高速運行下的機(jī)器人借助視覺系統(tǒng)實現(xiàn)快速定位
3.5機(jī)器人的開發(fā)平臺
3.5.1需求的產(chǎn)生
未來，機(jī)器人市場將會得到細(xì)分，在控制系統(tǒng)方案提供商、機(jī)器人制造商、終端用戶之間必然會產(chǎn)生一個銜接環(huán)節(jié)，即機(jī)器人系統(tǒng)實施服務(wù)商。在不同的行業(yè)，對機(jī)器人的需求會有不同，加工過程的工藝也會千差萬別。因此，在機(jī)器人和應(yīng)用之間需要一個實施商（SI）來進(jìn)行各項的銜接，如圖3所示。
圖3 機(jī)器人市場細(xì)分示意圖
3.5.2模塊化的功能設(shè)計
為了響應(yīng)不同行業(yè)加工工藝對于機(jī)器人應(yīng)用需求的差異化，控制系統(tǒng)必須為不同的應(yīng)用功能提供靈活的軟件組態(tài)和配置功能，這依賴于模塊化的軟件設(shè)計技術(shù)。對于不同的機(jī)器人應(yīng)用，它包含以下幾個方面：
● 前饋控制功能；
● 變位機(jī)；
● 視覺與智能識別；
● 路徑優(yōu)化；
● 防碰撞；
● 安全技術(shù)；
● 智能編程；
● 軸測試；
…
為此，很多廠商提供模塊化的機(jī)器人設(shè)計平臺，例如：B&R提出了新的MAP it!設(shè)計架構(gòu)，將不同的應(yīng)用功能進(jìn)行封裝，包括參數(shù)設(shè)置、語言、診斷等，用戶可以根據(jù)實際需求進(jìn)行自我定義，而無需復(fù)雜的編程。
3.5.3集成開發(fā)平臺
由于機(jī)器人的應(yīng)用涉及到OEM廠商的應(yīng)用開發(fā)、系統(tǒng)集成商的二次應(yīng)用開發(fā)和終端客戶的現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)與集成等，因此，一個能夠涵蓋整個機(jī)器人應(yīng)用的完整平臺架構(gòu)是必須的，否則它會給系統(tǒng)開發(fā)帶來以下困難：
● 必須為不同的系統(tǒng)建立軟件的接口，這些開發(fā)往往會缺乏穩(wěn)定性；
● 工程師必須學(xué)習(xí)不同的開發(fā)工具，因為它增加了系統(tǒng)開發(fā)的難度；
● 平臺的不同，可能意味著一些功能將喪失，例如：A公司的硬件支持慣量前饋，而B公司的軟件卻無法提供算法設(shè)計能力。
目前，在自動化領(lǐng)域里來自B&R的Automation Studio是唯一一個具備這樣全局設(shè)計能力的開發(fā)平臺，它具有兩個維度的能力：
（1）滿足一個平臺，面向所有對象和任務(wù)：
● CNC & Robotics庫（支持SCARA、Tripod、全關(guān)節(jié)等多種機(jī)器人齊次變換庫）；
● 定位控制（機(jī)器人外的外圍工程應(yīng)用，輸送帶、裁切等）；
● 液壓控制；
● 視覺系統(tǒng)（產(chǎn)品識別、智能路徑優(yōu)化）；
● 安全技術(shù)（Safety@Robotics）；
● 仿真分析；
● IT-Based維護(hù)技術(shù)（程序遠(yuǎn)程下載、狀態(tài)監(jiān)控）；
● OPC UA架構(gòu)（與CIMS、MES、ERP的連接與數(shù)據(jù)共享）；
（2）滿足全流程的應(yīng)用開發(fā)需求
● 項目管理(版本管理、配置、EPLAN圖紙)；
● 仿真測試（MATLAB/Simulink）；
● 功能封裝(C++,OOP開發(fā))；
● 編程(C,C++高級語言開發(fā),IEC61131-3,PLCopen)；
● 系統(tǒng)調(diào)試；
● 遠(yuǎn)程診斷與維護(hù)（基于VNC,Web,FTP Server）。
對于機(jī)器人系統(tǒng)而言，Automation Studio是一個非常好的集成開發(fā)平臺，能夠為OEM廠商、SI和End User提供完整的系統(tǒng)開發(fā)、應(yīng)用和維護(hù)的服務(wù)能力。
4 中國本土機(jī)器人技術(shù)開發(fā)前瞻
必須承認(rèn)，目前國內(nèi)機(jī)器人技術(shù)與國際相比尚有較大的差距，KUKA、ABB、Comau、Staubli、Yaskawa等機(jī)器人廠商仍然占據(jù)著超過80%的市場份額，新松、奇瑞、廣州數(shù)控等國內(nèi)制造商走在市場前列，未來，若要趕上國際廠商的腳步，我們必須著眼于以下幾方面。
（1）構(gòu)建面向未來的軟件開發(fā)平臺
注重機(jī)器人的軟件開發(fā)平臺，使得在該平臺上能夠滿足未來長遠(yuǎn)的產(chǎn)品開發(fā)要求，確保選擇合適的開發(fā)平臺，以便能夠支持不同的機(jī)器人類型、不同的機(jī)器人功能設(shè)計需求、以及對安全技術(shù)、視覺技術(shù)的支持能力的持續(xù)提升。
選擇一個好的開發(fā)平臺將為未來發(fā)展帶來諸多好處：
● 無需反復(fù)的人員培訓(xùn)與學(xué)習(xí)；
● 提升代碼的重用性，降低開發(fā)成本；
● 長久的技術(shù)支持。
（2）加強(qiáng)機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用集成的開發(fā)
未來的市場競爭將變得更加細(xì)化，由于各個領(lǐng)域的應(yīng)用的大面積拓展，不同廠商可以選擇不同的細(xì)分市場進(jìn)行精心耕耘，其開發(fā)必須能夠結(jié)合行業(yè)的實際應(yīng)用。例如塑料加工可能需要支持EUROMAP的機(jī)械手接口，而對于包裝工業(yè)則需要視覺識別，這些應(yīng)用的需求可以更多的以軟件模塊的形式集成在系統(tǒng)中，為客戶的實際應(yīng)用提供方便。過分的貪大求全并不利于深度的積累，加大行業(yè)應(yīng)用的集成開發(fā)有助于企業(yè)獲得更廣闊的市場。