工业4.0与机器人技术发展综述

工业4.0：关于工业自动化与机器人技术的综述

1.0 引言

工业领域对每个国家的经济都至关重要，并持续作为增长和就业的推动力。在此背景下，工业主要指制造业，通过将材料转化为产品来创造附加值[1]。2011年，“工业4.0”这一术语首次广为人知，当时一项名为“工业4.0”的倡议由来自企业、政府和学术界的代表组成的联盟提出，旨在推动德国制造业竞争力的提升[2]。德国拥有全球最具竞争力的制造业之一，并在制造设备行业处于全球领先地位[3]。自2011年德国联邦政府将工业4.0列为高科技战略的关键倡议之一以来，工业4.0已成为众多企业、研究中心和大学关注的焦点。大量学术出版物、实践文章和会议对此主题进行了探讨[2]。德国联邦政府将工业4.0视为一种新兴结构，在该结构中，以信息物理生产系统（CPPS）形式存在的生产和物流系统深度融合利用全球可用的信息与通信网络，实现广泛的信息自动化交换，并使生产与业务流程相匹配[4]。

由于“工业4.0”这一术语在德语区以外尚不广为人知[2]，因此从全球视角考察类似概念具有重要意义。一些评论者提出了类似理念，称之为信息物理系统、智能工厂、智能生产、机器对机器、先进制造、物联网、万物互联或工业互联网[5]。工业4.0或第四次工业革命也指制造业数字化进程的下一阶段，其中物联网（IoT）将发挥巨大作用，有望向系统输入信息并为制造业增值，以成本效益的方式实现小批量、多品种的生产[1]。它还涉及制造业整个价值链流程的管理和组织。各种组织一直在倡导工业物联网和工业4.0理念，以打造更智能的工厂[3]。同时，根据[6]，工业4.0的理念涵盖多种设备，从智能手机、小工具、电视和手表到家用电器正变得越来越灵活和智能。这些设备正日益能够通过互联网相互通信或连接到数据源。根据高德纳分析师的预测，到2020年将有[7]26亿件“事物”连接到互联网。因此，基于关于工业4.0机器人技术的大量文献，其主要目标是开发一种智能工厂，使产品能够在生产过程中自主寻找路径，并在出现干扰时建立替代方案，其技术基础为信息物理系统以及“物联网与服务互联网”。

2.0 工业革命历史

从1784年第一台机械织布机诞生至今，正好是232年前；正在进行的工业革命过程可分为四个阶段。第一次工业革命发生在18世纪末，以水和蒸汽为基础实现机械化生产。第二次工业革命始于20世纪初，在传送带和大规模生产的引入过程中展开，亨利·福特和弗雷德里克·泰勒等标志性人物与此密切相关。第三次工业革命通过电子与信息技术（IT）系统实现了生产过程的数字化自动化。如今，随着自主机器人、现代自动化、信息物理系统、物联网、服务互联网等技术的兴起，工业格局正在向第四阶段转变。工业机器人作为工业4.0的关键驱动力之一，自20世纪后期以来已取得显著发展。它们正变得更具生产力、灵活性、多功能性、安全性以及协作性，从而在整个生态系统中创造出前所未有的价值。智能工厂将成为工业4.0的核心，通过采用信息与通信技术，推动供应链和生产线的变革，实现更高水平的自动化和数字化。这意味着机器将利用自我优化、自我配置甚至人工智能来完成复杂任务，从而大幅提升成本效益并提供更高质量的产品或服务。

3.0 工业4.0技术

工业4.0是一个新兴领域，物联网与信息物理系统相互连接，在这一过程中，软件、传感器、处理器和通信技术的结合对于使“事物”具备向其输入信息的潜力并最终为制造过程增加价值起到了重要作用。工业4.0的最终目标是构建一个开放、智能的制造平台，用于工业网络化信息应用。希望这将最终使各种规模的制造企业能够便捷且经济地获取可定制以满足其需求的建模与分析技术。工业4.0这一概念最好通过该项目的“智能工厂”来定义，即通过信息物理系统实现虚拟与物理世界的融合，并由此促成技术与业务流程的融合[1]。

工业制造生命周期将越来越面向客户个性化需求，并涵盖：产品开发与生产的构想与订单、产品分销以及回收利用，同时还包括所有相关服务。人类、物体与系统的互联互通，形成了动态、实时优化且自组织的企业间价值创造系统，并通过成本、可用性和资源效率等标准进行评估和优化。工业4.0强调在整个经济体系中实现所有生产单元的一致的数字化和互联。支撑工业4.0的几项关键技术包括：横向与纵向系统集成、物联网、网络安全、云计算、大数据分析、模拟、增材制造（3D打印）、增强现实以及机器人[8]。下图展示了与工业4.0相关的技术。

在工业4.0中，随着跨企业的通用数据集成网络的发展并实现真正的自动化价值链，企业、部门、功能和能力之间的横向与纵向系统集成将变得更加紧密。工业物联网还将使更多设备具备嵌入式计算能力，并通过标准技术实现互联。这使得现场设备能够根据需要相互之间以及与更集中的控制器进行通信和交互。它还去中心化分析与决策制定，实现实时响应。

可靠的通信以及对机器与用户的先进身份和访问管理对于工业4.0至关重要，以应对手段日益增多的网络安全威胁，这些威胁随着增强的连接性以及标准通信协议的使用而急剧增加。

随着技术性能的提升，机器数据与功能将越来越多地部署到云计算中，从而为生产系统提供更多的数据驱动服务。工业4.0中的更多生产相关活动将需要加强跨站点和企业边界的共享数据。

大数据与分析能够实现从众多不同来源和客户处收集数据并进行综合评估，以支持实时决策，优化生产质量，节约能源，并改进设备服务。

仿真将利用实时数据在虚拟模型中镜像物理世界，该模型可包括机器、产品和人类。这使得操作人员能够在物理切换之前，在虚拟世界中测试并优化下一款产品的机器设置，从而缩短机器设置时间并提高质量。

增材制造方法还将在工业4.0中被广泛用于生产提供结构优势的小批量定制产品，例如复杂、轻量化设计。高性能、去中心化增材制造系统将减少运输距离和库存。尽管该系统仍处于初期阶段，但企业将在迈向工业4.0的过程中更广泛地使用它。

基于增强现实的系统可以支持多种服务，例如在仓库中拣选零件并通过移动设备发送维修指令。

机器人正变得越来越自主、灵活且协作。最终，它们将能够相互交互，与人类安全地并肩工作，并向人类学习。这些机器人的成本将更低，能力范围也将比目前制造业中使用的机器人更广泛。

4.0 工业4.0中的机器人

机器人在现代制造业中发挥着重要作用。仅欧洲的工业4.0参与者开发的多用途工业机器人数量自2004[9]以来几乎翻了一番。工业4.0的一个重要特征是由能够智能完成任务的机器人驱动的自主生产方法，重点在于安全性、灵活性、多功能性和协作性。由于无需隔离其工作区域，机器人集成到人类工作空间变得更加经济且高效，并开辟了众多可能的应用。

在工业领域，越来越多的工业机器人正通过最新技术创新不断发展，以推动工业革命。智能机器人将不仅取代人类在封闭区域内的简单结构化工作流程中的角色。在工业4.0中，机器人与人类将携手合作，共同完成互联任务，并使用智能传感器人机界面。机器人的应用范围正在扩大，涵盖生产、物流和办公管理（如分发文件）等多种功能，并且可以实现远程控制。如果出现问题，工人将通过与其连接的网络摄像头关联的手机收到消息，从而能够查看问题并发出指令，使生产继续进行，直到他第二天返回。因此，工厂每天24小时运行，而工人仅在白天在场[9]。

多家企业已推出采用最新技术的机器人，以引领工业4.0的发展。库卡LBR iiwa是一款用于工业应用的轻型机器人，专为人类与机器人在高敏感度任务中的安全近距离协作而设计。

iiwa即智能工业工作助手，可通过连接到云计算[10]，从其人类同事处学习，并自主检查、优化和记录自身的工作结果。博世也推出了APAS系列机器人系统，包括APAS助手、APAS检测员和APAS基础模块，支持基于可快速轻松重构的生产系统的敏捷灵活的生产理念[11]。该机器人具备移动性、本质安全、联网以及可配置工艺模块，可通过对话式控制用户界面调整至新任务。先进的碰撞避免系统使其能够与人类协同工作更加安全。川田工业的Nextage机器人实现了从单纯设备向部件装配线伙伴的演进。其整体设计包括带有两个摄像头的“头部”、躯干、两条六轴手臂、移动底座以及灵活的软件图形用户界面。

其先进的立体视觉配合图像识别系统，可精确确定物体距离并获取三维坐标。配套的开源软件提供了卓越的可视性和可用性，使Nextage的操作和指令输入变得简便灵活。该机器人有两种型号，一种面向工业，另一种面向研究。优傲双臂YuMi机器人是ABB推出的首款协作机器人。它配备先进视觉系统、灵巧手、供料系统、灵敏力控反馈以及最先进的机器人控制软件，支持示教编程。结合内置的安全功能，该机器人可与人类并肩工作。其他各公司为紧跟潮流而开发的多种机器人型号如下面表1所示。

No	型号	公司	描述
1	Baxter	Rethink机器人技术	Baxter，世界上第一台交互式生产机器人，特别适合广泛的应用，适用于广泛的包装应用
2	Sawyer	Rethink机器人技术	革命性的高性能协作性设计用于执行的机器人，机器看管、电路板测试及其他传统机器人难以实现自动化的精确任务
3	罗伯塔	戈姆特克	罗伯塔是一种轻量级的，灵活且廉价六轴工业机器人。它曾专门为中小企业，这些企业专注于灵活和高效的自动化
4	UR系列	Universal机器人	UR‐5是一种高度灵活的机械臂，非常适合用于优化低负载协作流程，例如：拾取、放置和测试
5	CR‐35iA	发那科	CR‐35iA机器人似乎会目标集成汽车装配线，机器看管应用，金属加工和包装等
6	生物机器人Arm	仿生的机器人技术	轻量级生物机器人机器人已通过认证，可在靠近人类的环境中安全使用，无需采取额外防护措施
7	P‐Rob	F&P个人机器人技术	F&P提供一体化机器人解决方案，利用机械臂方面的专业知识，执行器技术以及人工智能
8	Speedy‐10	Mabi机器人技术	“柔性制造”当今经常被宣传的是这背后的原理是发展并且它基于一种轻量级设计，具有优异的阻尼特性
9	PF400	自精动化	客户使用的PF400自动化程度较低，经验少但功能强大，并且足够快速以支持轻型装配操作
## 5.0 工业4.0中的国际机器人组织

各类组织及关键参与者均拥有强大的研究部门，这些部门不仅支持产品开发和制造过程自动化，同时还向其他工业企业推广其专有技术，或为第三方提供‘智能’服务的平台。这将进一步推动工业4.0的实施。下表列出了对工业4.0机器人产业感兴趣的组织。

No	组织	描述
1	工业‐科学 研究 联盟	产研联盟是一个咨询小组，汇集来自科学和工业界的领先代表，以协助推进高科技战略跨部门创新政策倡议的实施
2	阿卡特	阿卡特支持决策者和社会，提供专业的技术评估和前瞻性建议，并支持知识转移于科学与工业之间，以及鼓励下一代工程师
3	智能工厂KL	智能工厂KL作为先驱开展工作，用于关键技术的转移，将工业4.0各方面付诸实践
4	德国研究中心 for 人工智能 (DFKI)	DFKI的愿景基于信息物理系统，将机械系统与电子设备相结合，连接一切在一起，工厂中的不同模块可以自主移动，以使工厂能够调整生产线
5	Institute for Management Cybernetics, RWTH Aachen University	该机构探索并开发解决方案 for 经济 and 技术 问题 in 跨学科团队。工业 4.0 项目 ProSense 旨在基于网络的支撑系统和传感器实现生产控制，以支持生产计划与控制中的决策者
6	工业平台4.0	该平台的主要目标是技术的开发，标准，业务和组织模型及其实际实施
7	工业互联网联盟 (IIC)	工业互联网联盟的目标是加速工业互联网应用的采用和部署，通过技术试验平台，使用用例和需求开发[12]
8	西门子	西门子生产定制可编程逻辑控制 (可编程逻辑控制器) 在最先进的“智能工厂”，其中产品管理、制造业和自动化系统被集成[13]
9	W3C	万维网联盟 (W3C) 是一个国际组织，致力于制定开放标准以确保网络的长期发展。万维网联盟标准作为未来工业4.0项目的基础
10	OPC 基金会	OPC基金会的使命是管理一个全球性组织，在该组织中，用户、供应商和联盟共同协作以创建用于多厂商、多平台的数据传输标准，平台，安全可靠工业中的互操作性自动化
11	Fraunhofer IAO	弗劳恩霍夫IAO一直助力塑造工业4.0项目，因为早在2011年作为活动的一部分由工业‐科学研究联盟[1]
12	谷歌	谷歌眼镜作为一种新概念机器操作，这些主要地已开发 for 消费领域，整合于其他事物的抬头显示用于信息以及一个数字相机。谷歌眼镜也可在工业环境中用作操作的补充设备，用于操作和生产中的观察
13	英特尔	英特尔在开发前沿新一代低功耗芯片用于联网物联网设备。英特尔研发中心（即英特尔开放实验室）以及众多工业合作操作（例如英特尔与库卡的基于PC的机器人控制器）奠定了英特尔物联网推进计划的基础。此外，英特尔正瞄准初创企业和开发者
14	微软	微软已联手 up with 领先的机器人技术制造商库卡，以打造一款可独立运行的机器人，该机器人可在工厂装配线上工作
15	IBM	IBM 是一家全球集成的技术和咨询公司，总部位于纽约阿蒙克。IBM 致力于五大增长倡议——云、大数据与分析、移动、社交业务和安全
16	博世力士乐	博世力士乐的现实装配 line 制造个体产品完全自动化且经济地

6.0 马来西亚的机器人技术潜力

根据马来西亚经济规划局（EPU）制定的五年综合蓝图《马来西亚第十一个计划》，政府旨在提高生产力，减少对资本和劳动力投入的依赖。其中一个重要的解决方案是提高工业生产率，这将促进更大程度地采用自动化和进行技能提升。行业协会的作用也将进一步加强，以通过与目标出口市场的其他行业协会建立智能合作，应对全球竞争[14]。

马来西亚的自动化与机器人产业自1983年起由前总理敦·达图·斯里·马哈蒂尔·宾·穆罕默德博士推行，当时他推出了国家汽车制造商宝腾，该公司最初是唯一的国家汽车公司，直到1993年普罗顿的出现。尽管制造业在自动化和机器人技术方面已有长期应用，但工业4.0在马来西亚的理念主要受到外国公司如库卡和 ABB的影响。大型制造企业和跨国集团已将这一议题视为非常重要。而中小型企业（SME）目前似乎尚未认为工业4.0与自身密切相关，尽管这些企业最有可能成为转型的最大受益者。中小企业通常能够更快地实施数字化转型，因为它们可以更轻松地从零开始构建和实施新的IT架构。大型制造企业和跨国集团在应对其现有自然发展形成的结构时面临更大的复杂性。

马来西亚政府机构已推出多项倡议，以鼓励本地产业采用最新技术。马来西亚高技术产业政府集团（MIGHT）旨在通过加快高技术的应用，应对全球化和贸易自由化对未来经济增长的影响。该倡议下的项目和活动包括建立战略伙伴关系与联盟、技术获取与培育、能力建设，以及通过政策干预和旗舰项目促进这些领域的增长。马来西亚旨在通过新设立的全球马来西亚‐韩国机器人合作与发展计划，走在下一代科学技术进步的前沿，双方已同意在机器人人才发展计划、机器人标准化合作、机器人展览以及国际合作方面开展交流[15]。马来西亚国家信息通信技术研发中心 MIMOS 正与中国在智能制造技术的研究与开发方面进行合作[16]。

因此，自动化与机器人产业的发展有望通过政府和产业参与者的各项关键倡议，推动马来西亚迈向工业4.0。

7.0 机器人产业4.0的影响

概念性工业4.0对制造过程、成果和商业模式具有重大影响和广泛变革。它能够实现大规模定制，提高生产力、灵活性和生产速度，并提升产品质量。这种大规模定制使得小批量生产成为可能，甚至可以生产单个独特产品，这得益于快速配置机器以适应客户提供的规格以及增材制造的能力。这种灵活性还促进了创新，因为原型或新产品可以在无需复杂重新调整工具或新建生产线设置的情况下快速生产。因此，利用工业4.0技术[8]，可以实现一种产品多种变体的生产，并减少库存。产品生产的速也得到提升，数字设计和制造流程的虚拟建模缩短了产品设计到交付之间的时间。在德国，数据驱动的供应链预计可将交付订单所需时间缩短120%，并将产品推向市场的时间缩短70%[17]。

将产品开发与数字化和实体生产相结合，已与产品质量的大幅提升和显著改进相关联，降低错误率。传感器数据可用于监控每一件生产的产品，而非通过抽样检测来发现错误，纠错机械可实时调整生产流程。这些数据还可以利用“大数据”技术进行收集和分析，以识别并解决持续存在的问题。质量提升在降低成本从而增强竞争力方面发挥着重要作用。根据[18]，如果欧洲百强制造商能够消除所有缺陷，便可节省报废或返工缺陷产品的成本。

生产力还可以通过多种工业4.0效应得到提升。通过在预测性维护程序中使用高级分析，制造企业可以避免工厂车间的机器故障，从而减少停机时间并提高生产。一些企业能够建立“熄灯工厂”，在员工下班后，自动化机器人无需照明或供暖即可继续生产。人类工人则可以更高效地投入到真正重要的任务中。

如今，与二十五年前相比，企业用更少的员工就能赚取更多利润。在一本关于第四次工业革命的书中，施瓦布向世界经济社会论坛每位代表发放了该书，并在其中将1990年的底特律与2014年的硅谷进行了比较。1990年，底特律最大的三家企业市值为360亿美元，收入为2500亿美元，拥有120万名员工。而2014年，硅谷最大的三家企业市值显著更高（达1.09万亿美元），收入大致相同（约2470亿美元），但员工数量却减少了约十分之一（仅为13.7万名）。工业应用中的机器人技术具有重大的经济影响，生产力的提升能够推动经济增长。最近的一项研究估计，到2025[2]年，这些效益将为德国GDP贡献多达780亿欧元。

8.0 结论

本文综述了工业4.0或类似理念下机器人技术的概念发展趋势。自从信息与通信技术（ICT）出现以来，世界各国的经济大幅增长，企业能够在全球范围内竞争以抓住机遇。德国自2011年起致力于成为工业4.0解决方案的领先市场，引领工业4.0革命，以实现其高科技愿景，因此许多公司、组织和研究人员借此机会提升自身知识与技术水平。第四次工业革命将基于信息物理系统、物联网和服务互联网。越来越多的企业和国家以不同的方式加入这一浪潮，以保持竞争力，从而获得生产力和经济上的收益。尽管工业4.0涵盖范围非常广泛，制造业中的应用领域，随着专为工业革命设计的新机器人技术和自动化产品创新的出现，这一趋势正在迅速实现。