与当前十分“吸睛”的人形机器人同出一源，工业机器人外观多样，操作灵活，是如今先进制造业的“主力选手”。全国每三台工业机器人，就有一台是“广东造”，而作为全国机器人生产重镇，广州机器人生产量稳居全国前三，2023年工业机器人产量近1.5万套。经过多年蓄势蓄能，广州的机器人核心零部件也正打破国外技术垄断，实现国产替代。
工业机器人到底有哪些应用和重要零部件？
在现代工业中到底发挥哪些作用？
未来还会有哪些应用方向？
本期《科技周刊》，记者采访了相关工业机器人企业和科技应用科普基地，向大家介绍工业机器人的科学原理和前沿应用。
广东省机械研究所有限公司工业机器人科技应用创新科普基地，工业机器人作业展示。
广东省机械研究所有限公司工业机器人科技应用创新科普基地负责人林新跃和工程师罗子健告诉记者，工业机器人如今广泛应用于汽车、家具、建材、电器等行业，从事搬运、激光、焊接、打磨、喷涂、冲压、协作等工作。在科普基地内，可以看到一台台工业机器人应用工作站，集中展示了工业机器人的典型应用场景，有视觉应用模块、轨迹应用模块、码垛应用模块、装配应用模块等。
视觉应用模块
定位手和目标识别复杂场景
和人类主要依靠眼睛感知外界环境类似，视觉也将为机器人提供感知和决策支持，从而帮助工业机器人完成各种任务。
视觉系统首先将采集机器人工作环境的可视化数据，之后进行视觉系统的标定，特别是机器人机械手和基座上的视觉系统三维坐标标定，从而帮助机器人完成任务。随着如今AI算法的不断迭代升级，视觉能够帮助机器人实现异常检测、目标识别、颜色识别、几何特征识别等功能。
现如今，视觉可以帮助工业机器人实现多项任务。如用于检测工件表面的划痕、裂纹、凹陷等缺陷，以及零部件的尺寸测量和形变检测；再如用于工件识别与分拣，帮助机器人识别不同种类的目标，并在复杂场景中同时识别多个目标，进行任务分配和路径规划；通过视觉系统确定目标物体的三维空间坐标和姿态，指导机器人进行高精度的装配作业。
视觉应用模块
轨迹应用模块
精确规划路径控制运动形态
工业机器人要真正帮忙干活，不仅要有一双“慧眼”，还要有可以准确运行的“肢体”。
工业机器人轨迹应用模块是用于实现机器人运动路径规划和控制的重要组成部分，它在工业自动化生产中发挥着关键作用。依托工业机器人轨迹编程，以及机器人本体内的精密减速器、伺服电机等关键零部件，机器人可以确定机械手从起点到终点的运动路径，包括直线、曲线、圆弧等多种形式。此外，它还可以做速度与加速度控制，规划机器人在路径上的速度和加速度变化，确保运动的平滑性和稳定性。
罗子健介绍，工业机器人轨迹应用模块有很多重要的应用场景，比较典型的应用是汽车工厂的机器人涂胶。依靠工业机器人的机械手和轨迹编程，机器人可为车窗玻璃标准化涂胶，实现胶宽、胶高轨迹的统一，从而大大提高车窗玻璃安装的良品率。而在焊接、喷涂等机器人作业中，轨迹应用同样发挥着至关重要的作用，“不仅是汽车工业，在很多家电的领域，比如我们日常看的电视，同样需要利用机器人给屏幕边缘进行涂胶和安装。”
轨迹模块应用场景，比较典型的有汽车工厂的机器人涂胶，以及焊接、喷涂等作业。图为涂胶作业。
码垛应用模块
抓取码放堆垛轻松解放人力
精准搬放物料是工业机器人的一大“工种”，也被称为码垛。码垛是指工业上将物品整齐地堆叠到托盘、栈板等载体上的过程。如今，工业机器人码垛已广泛应用于物流、化工、食品饮料等行业。
通常码垛机器人兼具高精度、高负载能力和灵活性，能够适应不同形状和重量的物料。这些机器人通过计算机编程和传感器技术实现自动化操作，精准地抓取物料并将其放置到指定位置。这类机器人还需要配备强有力的末端执行器，如夹爪、真空吸盘等，用于抓取和放置物料，通过更换末端执行器或调整程序，码垛机器人可以适应不同形状和重量的物料。
通常，物料通过输送系统到达机器人抓取位置后，机器人就可以通过视觉或其他传感器获取物料位置信息。随后，机器人通过末端执行器实现物料抓取，并将其放置到托盘上。某些托盘还可以在码垛过程中自动升降，以适应不同高度的码垛需求。码垛完成后，托盘就会被输送至下一个工序。
在现实的工厂场景内，码垛工业机器人可以与AGV（自动导向搬运车）一起协作，完成物料的搬运，从而推动工厂的无人化。机器人码垛的应用场景可包括物流仓储，提高仓储管理效率；在有害环境中码垛，保护工人健康；还可以在食品饮料行业，用于包装箱、瓶装物等的码垛。“拿护肤品码垛为例，码垛机器人能协助生产线的上下料，成品在产线上包装完了以后，需要将多个物料规整后从传送带取下来，再等待下一批物料到来再次执行，当码垛到指定的数量时就能完成这一工作。”罗子健介绍。
码垛应用模块
装配应用模块
从飞机到手机高精度装零件
现如今，人形机器人已经开始进场“打螺丝”。而事实上，装配一直是工业机器人的传统“主业”之一。
工业机器人装配主要用于实现各类制造业中零部件的高精度、高效率的自动化装配，在提高生产效率、降低人力成本、提升产品质量等方面发挥着重要作用，是现代制造业不可或缺的一部分。
装配模块常常包括装配台、定位机构、夹紧机构、挡料机构等，在机械手的配合下，这些组件能够确保物料在装配过程中被准确定位和固定。在一些复杂的装配任务中，还会需要多个工业机器人协同工作，从而完成大型组件的装配，工业机器人装配通常与PLC（可编程逻辑控制器）配合使用，从而实现自动化控制。
工业机器人的装配模块可大可小，大可用于汽车制造、航空航天等大型产品的生产；小则可以用于手机等电子产品的生产制造。机器人的机械手可以根据需求配置不同的末端，从而实现不同的装配功能。
罗子健介绍：“装配的过程常常需要多个工业机器人在多个模块下共同完成。比如安装手机屏幕，前期，工业机器人要拿着物料去做清洗和检测，通过视觉检测确认符合要求后，再进行手机的装配。”
罗子健告诉记者，机器人如今早已不是手机、汽车这类技术含金量很高的标准化工厂独有，他和同事就曾帮助一家外贸的拖把厂提升生产效率，“厂里安装拖把时，原先需要人工把魔术贴从物料带上撕掉，再由人工粘到拖把末端上。以前都是通过人工操作，而如今这一步骤我们帮助厂家实现了自动化。”
工业机器人装配可实现高精度、高效率、自动化。图为装配作业。
研发一体化关节模组
实现核心功能部件国产化
昊志机电相关负责人向记者介绍，今年3月，公司凭借自主技术创新，已成功研发出包含“世界级精度与寿命的谐波减速器”“高精度编码器”等一系列核心功能部件的“一体化关节模组”，打破国外技术垄断，实现机器人核心功能部件的全面国产化，为机器人在多领域的规模化应用铺平了道路。
公司介绍，一体化关节模组集电机（驱动装置）、减速器（传动装置）、编码器（传感装置）、伺服驱动和控制软件（控制装置）等多种零部件于一身，融合动力输出、精准传动、智能控制三大核心功能。
其技术架构分为三层，分别是动力层：通过自主研发的谐波减速器与高精度伺服系统，实现扭矩放大与动态响应；传感层：集成六维力传感器与双绝对值编码器，实时反馈力矩、位置与姿态数据；控制层：基于Infranor集团的运动控制技术，实现多轴协同与边缘计算。三层架构协同发力，可构建“感知—决策—执行”闭环，助力机器人精准完成复杂动作。
机器人一体化关节模组堪称机器人的“核心枢纽”，对机器人硬件成本与运动性能起着关键作用。它巧妙安装于机器人关节部位，能将电机的旋转运动转化为驱动连杆机构的运动，为机器人的灵动操作提供持续稳定的动力。
一体化关节模组
工业机器人天选打工人
替代危险工作：顶着粉尘打磨水龙头
除了最大程度减少人力耗费，工业机器人还能让人类摆脱危险的用工环境。
罗子健告诉记者，如今，水龙头等金属零件的打磨，也已基本依靠工业机器人，“以往水龙头的打磨会产生很多粉尘，对人体有较大伤害，现在，使用机器人替代人工去进行快速、标准化的打磨，其精度偏差不到千分之一。良品率较经验丰富的老师傅还要高。”
扛下重复劳动：反复验证ATM稳定性
罗子健认为，工业机器人的另一重要意义，是帮助人类从枯燥的重复劳动中摆脱出来。
“一个比较有趣的例子，就是我们曾与ATM机制造商合作，利用机器人提高ATM取款机的疲劳测试成绩。”罗子健告诉记者，为了验证ATM机的稳定性，以往出厂前，需要人力不断给ATM机插卡，输入按钮，进行存钱、取钱等一系列验证操作，这些操作必须重复一定的数量，并且ATM机没有出现差错后，才能质检合格出厂。为此，罗子健和同事设计了一个工业机器人的程序，通过机械手模仿人的动作插卡、提现、存款、再拔卡，最终让工人机器人完成了人类质检员的工作。
科学家解前沿
人形机器人与工业机器人
最佳拍档
广东省科学院智能制造研究所机器人技术团队的吴鸿敏博士告诉记者，在如今的工业应用场景里，仍有一些工作是工业机器人没有办法做的，只能通过人工来完成。比如，对于一些柔性物体，或操作对象容易发生变形的场景，例如一些家电的总装环节，工业机器人做得比较少，因为这对于机器人的灵巧性、视觉感知的精度以及算法模型的适应性要求比较高，不能通过单一的模式进行建模。
对于这些场景，工业机器人未来要通过新技术和大模型，将感知、规划、控制、执行更好地融为一体。这样，当机器人面对容易形变的软物体操作时，机器人就能够根据看到物体的形变，去生成相应的动作，去解决传统机器人技术没有办法用到的动作。
在一些工厂，人形机器人已经与工业机器人一起进厂打工了——这两类机器人如何成为和谐的“工友”？吴鸿敏表示：“人形机器人制造的初衷就是让它能像人一样去做更复杂的工作，如果人形机器人仅仅是去做单一固定的任务，那我们确实还不如用一个单臂或双臂的工业机器人，这在成本和效率上更具优势。”
吴鸿敏表示，工业机器人大部分会被固定在工厂的某个地方，只负责自己的一道工序，人形机器人进厂打工则是为了与工业机器人实现互补。将来，工业机器人将继续去做那些精度要求、重复性要求比较高的工序；人形机器人将主要应对场景变化比较大、需要柔性生产的生产线。
机器人关节
打破国外垄断
要实现工业机器人的各类模块应用，关键在于不断提升机器人关键零部件的水平。工业机器人中，最关键的核心零部件为伺服电机、精密减速器等。在机器人的每个关节内，都有伺服电机和精密减速器等来帮助机器人实现每个动作平稳顺畅运行。
伺服电机：
核心功能之一是实现高精度的位置控制。通过反馈装置（如编码器或旋转变压器），电机能够实时监测自身的位置，并将数据反馈给控制系统。控制系统根据目标位置和实际位置的偏差，调整电机的运动，从而实现精确的位置控制。
精密减速器：
能够实现机器人复杂的运动控制，支持机器人完成多轴联动、轨迹跟踪等任务。通过精确控制每个关节的运动，机器人可以实现复杂的动作，如焊接、喷涂、装配等。
尽管这些关键零部件目前仍比较依赖于进口，但经过多年来广州科研机构和科技企业的蓄势蓄能、研发攻关，国产替代正在不断加速。在关键零部件领域，广州已拥有昊志机电、广州数控等伺服电机、减速器、工业机器人控制器等核心部件生产企业。
昊志机电负责人向记者介绍，公司的谐波减速器、编码器、六维力传感器等核心部件实现100%自主研发，相较于进口方案，成本骤降50%，使我国机器人关节模组在核心技术上实现自主可控，具备了与国际巨头竞争的核心实力。同时，该一体化关节模组选用高性能无框力矩电机，具备3.5倍过载能力，运行平稳，电流波动小，力控更精准、更安全。配置高精度双绝对值编码器，输出精度高，重复定位精度高达0.003°，满足高端制造业对机器人性能的严苛要求。模组采用大中空设计，既满足中心布线需求，又使关节结构更紧凑、体积更小巧，有效减轻机器人关节模组重量，保证了机器人负重比，使其能够适应更多样化的工作场景和任务需求。模组还选用高精度、长寿命、高刚性、低噪音的谐波减速器，并配置高精度传感器，实时监控模组的发热情况，确保长期稳定运行。
“广州在机器人的伺服电机、减速机乃至控制系统方面，近年来正取得长足进步，以前，我们更多是依赖进口产品，如今，生产工业机器人所要用到的零部件，在广东基本都已有了很成熟的供应链，工业机器人企业做出来的产品，合格率和稳定性也已有了很大的提高。”罗子健告诉记者。
统筹编辑：梁倩薇、嵇沈玲
文/广州日报新花城记者：武威
图/广州日报新花城记者：王维宣
海报：曾鸿悦、崔素华
