当电脑直接与机器对话

（一）工业机器人——助力智能制造

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。

根据调查显示，2005~2012年，全球工业机器人的年均销售增长率为9%，而中国工业机器人年均销售增长率达到25%。中国已经成为工程机械制造大国，但与欧美、日韩等国家仍然有较大差距，接下来必然要向高技术含量和高附加值的方向进行转型，向制造强国迈进，这需要更加精密的加工与制造手段，以及更智能化的工业机器人。

1.工业机器人组成系统

现代工业机器人本身就是一个高度集成化的复杂机电产品，机器人的机械结构系统由机身、手臂、末端执行器三大件组成，而在工作环境下，由很多个分系统共同协调完成计算机指令动作。这些分系统主要包括：

（1）驱动系统。

要使机器人运行起来，需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置，这些传动装置组成驱动系统，相当于人体的肌肉，驱动关节旋转和摆动，可以是液压传动、气动传动、电动传动，或者把它们结合起来应用的综合系统。

（2）感受系统。

测量回转关节位置的轴角编码器、控制速度的测速计都是工业机器人内部传感器，几乎所有的工业机器人都有。视觉传感器是外部传感器，可为更高层次的工业机器人控制提高适应能力。

（3）环境交互系统。

机器人——环境交互系统是实现机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。当然也可以是多台机器人集成为一个去执行复杂任务的功能单元。

（4）人机交互系统。

人机交互系统是人与机器人进行联系和参与机器人控制的装置。例如，计算机的标准终端、指令控制台、信息显示板、危险信号报警器等。

（5）控制系统。

控制系统用来控制工业机器人按规定要求动作，是工业机器人的关键和核心部分，它类似于人的大脑，控制着工业机器人的全部动作。工业机器人功能的强弱以及性能的优劣，主要取决于控制系统。工业机器人控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。控制系统的任务是根据机器人的作业指令以及从传感器反馈回来的信号，支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。如果机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。根据控制原理可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统。

多数工业机器人采用计算机控制，一般分为决策级、策略级和执行级。决策级的功能是识别环境、建立模型，将作业任务分解为基本动作序列；策略级将基本动作变为关节坐标协调变化的规律，分配给各关节的伺服系统；执行级给出各关节伺服系统执行给定的指令。

2.工业机器人种类

工业机器人已经越来越广泛地应用于生产制造的各个环节，不同种类的机器人共同组成了工厂中的机器人系统。常见的机器人包括以下几种：

（1）移动机器人。

移动机器人（AGV）是工业机器人的一种类型，它由计算机控制，具有移动、自动导航、多传感器控制、网络交互等功能，它可广泛应用于机械、电子、纺织、卷烟、医疗、食品、造纸等行业的柔性搬运、传输等功能，也用于自动化立体仓库、柔性加工系统、柔性装配系统（以AGV作为活动装配平台）；同时可在车站、机场、邮局的物品分拣中作为运输工具。

移动机器人是国际物流技术发展的核心技术和设备，是用现代物流技术配合、支撑、改造、提升传统生产线，实现点对点自动存取的高架箱储、作业和搬运相结合，实现精细化、柔性化、信息化，缩短物流流程，降低物料损耗，减少占地面积，降低建设投资等的高新技术和装备。

（2）点焊机器人。

焊接机器人具有性能稳定、工作空间大、运动速度快和负荷能力强等特点，焊接质量明显优于人工焊接，大大提高了点焊作业的生产率。

图3-12 点焊机器人

点焊机器人主要用于汽车整车的焊接工作，生产过程由各大汽车主机厂负责完成。国际工业机器人企业凭借与各大汽车企业的长期合作关系，向各大型汽车生产企业提供各类点焊机器人单元产品并以焊接机器人与整车生产线配套形式进入中国，在该领域占据市场主导地位。随着汽车工业的发展，焊接生产线要求焊钳一体化，重量越来越大，165kg点焊机器人是目前汽车焊接中最常用的一种机器人。

（3）弧焊机器人。

弧焊机器人主要应用于各类汽车零部件的焊接生产。在该领域，国际大型工业机器人生产企业主要以向成套装备供应商提供单元产品为主。一些公司主要从事弧焊机器人成套装备的生产，根据各类项目的不同需求，自行生产成套装备中的机器人单元产品，也可向大型工业机器人企业采购并组成各类弧焊机器人成套装备。

图3-13 弧焊机器人

孤焊机器人的关键技术包括：

①弧焊机器人系统优化集成技术：弧焊机器人采用交流伺服驱动技术以及高精度、高刚性的RV减速机和谐波减速器，具有良好的低速稳定性和高速动态响应，并可实现免维护功能。

②协调控制技术：控制多机器人及变位机协调运动，既能保持焊枪和工件的相对姿态以满足焊接工艺的要求，又能避免焊枪和工件的碰撞。

③精确焊缝轨迹跟踪技术：结合激光传感器和视觉传感器离线工作方式的优点，采用激光传感器实现焊接过程中的焊缝跟踪，提升焊接机器人对复杂工件进行焊接的柔性和适应性，结合视觉传感器离线观察获得焊缝跟踪的残余偏差，基于偏差统计获得补偿数据并进行机器人运动轨迹的修正，在各种工况下都能获得最佳的焊接质量。

（4）激光加工机器人。

激光加工机器人是将机器人技术应用于激光加工中，通过高精度工业机器人实现更加柔性的激光加工作业。系统通过示教盒进行在线操作，也可通过离线方式进行编程。该系统通过对加工工件的自动检测，产生加工件的模型，继而生成加工曲线，可以利用CAD数据直接加工，可用于工件的激光表面处理、打孔、焊接和模具修复等。

图3-14 激光加工机器人

激光加工机器人的关键技术包括：

①激光加工机器人结构优化设计技术：采用大范围框架式本体结构，在增大作业范围的同时，保证机器人精度。

②机器人系统的误差补偿技术：针对一体化加工机器人工作空间大、精度高等要求，并结合其结构特点，采取非模型方法与基于模型方法相结合的混合机器人补偿方法，完成几何参数误差和非几何参数误差的补偿。

③高精度机器人检测技术：将三坐标测量技术和机器人技术相结合，实现了机器人高精度在线测量。

④激光加工机器人专用语言实现技术：根据激光加工及机器人作业特点，完成激光加工机器人专用语言。

⑤网络通信和离线编程技术：具有串口、CAN等网络通信功能，实现对机器人生产线的监控和管理，并实现上位机对机器人的离线编程控制。

（5）真空机器人：

真空机器人是一种在真空环境下工作的机器人，主要应用于半导体工业中，实现晶圆在真空腔室内的传输。真空机械手难进口、受限制、用量大、通用性强，成为了制约半导体装备整机的研发进度和整机产品竞争力的关键部件。而且国外对中国买家严加审查，归属于禁运产品目录，真空机械手已成为严重制约我国半导体设备整机装备制造的“卡脖子”问题。直驱型真空机器人技术属于原始创新技术。

图3-15 真空机器人

真空机器人的关键技术包括：

①真空机器人新构型设计技术：通过结构分析和优化设计，避开国际专利，设计新构型满足真空机器人对刚度和伸缩比的要求。

②大间隙真空直驱电机技术：涉及大间隙真空直接驱动电机和高洁净直驱电机开展电机理论分析、结构设计、制作工艺、电机材料表面处理、低速大转矩控制、小型多轴驱动器等方面。

③真空环境下的多轴精密轴系的设计：采用轴在轴中的设计方法，减小轴之间的不同心以及惯量不对称的问题。

④动态轨迹修正技术：通过传感器信息和机器人运动信息的融合，检测出晶圆与手指之间基准位置之间的偏移，通过动态修正运动轨迹，保证机器人准确地将晶圆从真空腔室中的一个工位传送到另一个工位。

⑤符合SEMI标准的真空机器人语言：根据真空机器人搬运要求、机器人作业特点及SEMI标准，完成真空机器人专用语言。

⑥可靠性系统工程技术：在IC制造中，设备故障会带来巨大的损失。根据半导体设备对MCBF的高要求，对各个部件的可靠性进行测试、评价和控制，提高机械手各个部件的可靠性，从而保证机械手满足IC制造的高要求。

（6）洁净机器人。

洁净机器人是一种在洁净环境中使用的工业机器人。随着生产技术水平不断提高，其对生产环境的要求也日益苛刻，很多现代工业产品生产都要求在洁净环境进行，洁净机器人是洁净环境下生产需要的关键设备。

洁净机器人的关键技术包括：

①洁净润滑技术：通过采用负压抑尘结构和非挥发性润滑脂，实现对环境无颗粒污染，满足洁净要求。

②高速平稳控制技术：通过轨迹优化和提高关节伺服性能，实现洁净搬运的平稳性。

③控制器的小型化技术：由于洁净室建造和运营成本高，通过控制器小型化技术减小洁净机器人的占用空间。

④晶圆检测技术：通过光学传感器，能够通过机器人的扫描，获得卡匣中晶圆有无缺片、倾斜等信息。

3.工业机器人VS人类劳动

在现代的工业大生产中，工业机器人将会承担越来越多的工作，智能化和自动化的趋势将导致机器人与人类互相争夺工作岗位，本节分别通过成本、易用性、工作能力和创造性四个角度，分析工业机器人和人类劳动的各自优势。

（1）成本。

据统计，适用于中小型企业工业机器人的每台售价大约在1万美元，折合人民币约7万元。一些应用在大型设备上的高精度多轴机器人价格高达百万元。而据国家统计局给出的数据，2015年全年人均工资为49969元。也就是说，如果一个中小型企业引进1台机器人代替1个人工，能在一年半的时间收回成本。

图3-16 洁净机器人

而据研究报告显示，2016年中国员工的工资将平均增长8%，增幅位列全球第一，企业人工的费用将会越来越高，而随着机器人技术的不断发展，机器人成本反而会越来越低。由此可见，机器人在成本上将会胜过人工成本。

（2）易用性。

工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3~6个运动自由度，其中腕部通常有1~3个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。

工业机器人按程序输入方式分为有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件，通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。示教输入型的示教方法有两种：一种是由操作者用手动控制器（示教操纵盒），将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种是由操作者直接领动执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。

正是由于机器人结构控制上的复杂性，使用工业机器人的员工需要专业的操作才能。如果操作不当，就算是一个简单的动作，也可能出现很大的安全事故。相比之下，对于一些简单的工序，由人工来完成会方便很多。

（3）工作能力。

工业机器人普遍能达到低于0.1mm的运动精度（指重复运动到点精度），抓取重达1t的物体，伸展也可达三四米。机器人不仅可以完成高强度的抓取动作，也可以完成十分精细的雕刻工序。

工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险、恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成型、机械加工和简单装配等工序上，以及在原子能工业等部门中，完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。应用在工程机械制造领域的工业机器人主要包括点焊机器人、切割机器人、喷涂机器人、装配机器人以及移动机器人等。

由于机器人承担了很多危险或令人厌烦的工作，许多职业病、工伤及因此需要付出的高昂代价都可以避免；此外，由于机器人总是以相同的方式完成其工作，所以产品质量十分稳定。

（4）创造性。

自主的意识判断和带有情感的创造性是人类的显著特点，也是人类至今还牢牢将机器人控制在手里的原因。

尽管近几年来，人工智能在不断发展，但是据Facebook人工智能研究主任严莱春（Yann Lecunn）表示，如果没有固定的程序指引的话，机器人将不可能像人类那样拥有先天性的情绪，也不会产生这样的情绪。在工业上，工人之间可以相互交流，可以在不同情况下分析问题，可以及时处理突发情况。而机器人按照特定的程序“思考”，一旦环境突变，还有可能造成机器瘫痪甚至引发安全事故。

综上所述，从不同的角度进行衡量，工业机器人和人类劳动相比，二者具有各自的优势与劣势，所以选用何种加工手段应该基于实际的生产环境与加工特点来判断。在智能制造盛行的今天，人类在工业生产中的作用依然不可取代，所以对于工业机器人与人类劳动的对比不能一概而论。

（二）3D打印——增材制造

3D打印机不像传统制造机器那样通过切割或模具塑造制造物品，而是通过层层堆积材料形成实体物品，这种方法从物理的角度扩大了数字概念的范围。对于要求具有精确的内部凹陷或互锁部分的复杂形状设计，3D打印机是目前首选的加工设备，它可以将三维模型中的设计在实体世界中实现。

1.3D打印的优势

（1）制造复杂物品不增加成本。

就传统制造而言，物体形状越复杂，制造成本越高。对3D打印机而言，制造形状复杂的物品成本不增加，打印一个华丽的形状复杂的物品和打印一个简单的方块会消耗掉差不多的时间、技能或成本。

（2）产品多样化不增加成本。

一台3D打印机可以打印许多形状，它可以像工匠一样每次输出不同形状的物品。传统的方法一直限制于制造设备功能较少，做出的形状种类有限。而3D打印技术省去了培训机械师或购置新设备的成本，一台3D打印机进行零部件加工只需要不同的数字设计蓝图和一批新的原材料。

图3-173 D打印机

（3）无须组装。

3D打印可以使部件一体化成型。相较于传统的大规模生产建立在组装线基础之上，在现代工厂中，机器生产出相同的零部件，然后由机器人或工人组装。产品组成部件越多，组装耗费的时间和成本就越多。而3D打印机通过分层制造可以同时打印例如一扇门及上面的配套铰链，不需要进行组装。省略组装就缩短了供应链，节省了在劳动力和运输方面的花费。

（4）零时间交付。

3D打印机可以按需打印。即时即量的生产极大地减少了企业的实物库存，制造商可以根据客户订单需求使用3D打印机定制化制造出满足客户要求的产品，这种制造方式也促进了新商业模式的产生。3D打印机使得人们所需的物品按需就近生产，零时间交付，并且最大限度地减少长途运输的成本。

（5）设计空间无限。

由于传统制造技术和工匠制造的产品形状有限，所以制造形状的能力受制于所使用的工具。例如，传统的木制车床只能制造圆形物品，轧机只能加工用铣刀组装的部件，制模机仅能制造模铸形状。而3D打印机完全突破了这些局限，开辟巨大的设计创新空间，甚至可以制作目前只存在于自然界的形状。

图3-183 D打印成品

（6）零技能制造。

3D打印机从设计文件里获取各种操作指令，做出同样复杂的产品，其所需要的操作技能相较于其他加工方法少很多，非技能制造开辟了新的商业模式，并能在远程或极端情况下为人们提供新的便捷生产方式。

（7）不占空间、便携制造。

就单位生产空间而言，与传统制造机器相比，3D打印机的制造能力更强。例如，注塑机只能制造比自身小很多的物品，与此相反，3D打印机可以制造和其打印台一样大的物品。3D打印机调试好后，打印设备可以自由移动，打印机可以制造比自身还要大的物品。较高的单位空间生产能力使得3D打印机适合家用或办公使用，因为它所需的物理空间小。

（8）减少废弃副产品。

与传统的减材金属制造技术相比，3D打印机制造金属时产生最少的废弃副产品。传统金属加工的浪费量惊人，一直是人们所头疼的问题，例如，对于一般加工而言，90%的金属原材料被丢弃在工厂车间里。3D打印制造金属时浪费量极大地减少，并且随着打印材料的进步，“净成形”制造有希望成为更环保的产品加工方式。

（9）材料类型的无限组合。

对当今的制造机器而言，将不同原材料结合加工形成单一产品是件难事，传统的制造机器上，切割或模具成型过程很难将多种原材料融合在一起。但是，随着多种材料3D打印技术的发展，不同原材料被有机地融合在一起。以前无法混合的原料通过一定方式的混合后将形成新的材料，这些材料色调种类可调节并且具有独特的物理属性或功能。

（10）精确的实体复制。

数字音乐文件可以被无休止地复制，音频质量并不会下降。未来，3D打印将数字精度扩展到实体世界。扫描技术和3D打印技术将共同提高实体世界和数字世界之间形态转换的分辨率，我们可以扫描、编辑和复制实体对象，创建精确的副本或优化原件。

以上部分优势目前已经得到证实，其他的会在未来的一二十年（或三十年）成为现实。3D打印突破了原来熟悉的历史悠久的传统制造限制，为以后的创新提供了舞台。

2.3D打印的挑战

和所有新兴技术一样，3D打印技术也有自己的缺点，它们会成为3D打印技术发展路上的绊脚石，影响这项技术的成长速度。3D打印或许可能为世界带来一些改变，但如果想成为市场的主流，就要克服种种担忧和可能产生的负面影响。

（1）材料的限制。

仔细观察周围的一些物品和设备，你就会发现3D打印的第一个绊脚石就是所需材料的限制。虽然高端工业印刷可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印，但目前无法实现打印的材料都是比较昂贵和稀缺的。

另外，现在的打印机也还没有达到成熟的水平，无法支持我们在日常生活中所接触到的各种各样的材料。研究者们在多材料打印上已经取得了一定的进展，但除非这些进展达到成熟并有效，否则材料依然会是3D打印的一大障碍。

（2）机器的限制。

众所周知，3D打印要成为主流技术（作为一种消耗大的技术），它对机器的复杂性要求可想而知。目前的3D打印技术在重建物体的几何形状和机能上已经取得了一些进展，几乎任何静态形状的物品都可以被打印出来，但对于运动的物体，其几何形状难以捕捉时打印的难度和清晰度就很难得到保证。

这个困难对于制造商来说也许是可以解决的，但是3D打印技术想要进入普通家庭，每个人都能随意打印想要的东西，那么机器的限制就必须得到解决。

（3）知识产权的忧虑。

在过去的几十年里，音乐、电影和电视产业中对知识产权问题越来越关注。3D打印技术毫无疑问也会涉及这一问题，因为现实中的很多东西通过这种技术都会得到更加广泛地传播。

人们可以随意复制任何东西，并且数量不限。如何制定3D打印的法律法规用来保护知识产权，也是政府相关部门面临的问题之一。

（4）道德的挑战。

道德是底线。什么样的东西会违反道德规律，我们是很难界定的，如果有人打印出生物器官或者活体组织，是否有违道德？我们又该如何处理呢？如果无法尽快找到解决方法，相信我们在不久的将来会遇到极大的道德挑战。

（5）费用的承担。

3D打印技术需要承担的费用是高昂的，对于普通大众来说更是如此。例如上面提到第一台在京东上架的3D打印机的售价为1万5千元，又有多少人普通家庭愿意花费这个价钱来尝试这种自己不了解的技术呢？

如果想要普及到大众，必须把打印机限制在合理的价格，并且又能让售价与成本不形成冲突。相信古往今来每一种新技术从诞生初期到进入市场，都会面临着这些类似的障碍，但只要找到合理的解决方案，3D打印技术一定会更加迅速地得到发展与应用。

3.3D打印案例

(1)3D技术应用于癌症切除。

北京清华长庚医院首任执行院长董家鸿教授率领该院肝胆胰外科医师团队，利用3D打印技术，成功完成10例胆道癌症精准根治性切除。通过3D技术实现胆道癌症的精确根治性切除成为了我国首创。

董家鸿教授介绍说，近年来，3D打印技术在临床医学中已有诸多应用，除制作康复辅具、假肢和医疗模型等体外医疗器械，随着第三代3D打印技术的发展，在制作组织器官的代替品上也日趋成熟。

3D打印技术在准确定位病灶与重要脉管结构的关系上发挥了重要作用，不但可以快速制造出与术中大小位置完全一致的透明化3D模型，也使外科医生跳出“凭空想象”的窘境，在术前即可从多维度真实预见术中情形，明确重要管道的走行，制定手术路径和程序并预演手术。在3D打印技术的辅助下，外科医生可借助肝脏及解剖机构的3D图形，精确定位病灶并确定手术路径，实现完整切除病灶和避免重要解剖结构损伤的多目标优化。

3D打印技术成功应用于肝胆外科手术，实际上是精准医疗的体现。精准医疗的核心是将现代科学技术与传统医疗相融合，借鉴循证医学方法，个体化选择最低消耗、最小损害、最佳疗效作业。以前只能通过电脑实现的3D效果，现在通过3D打印后按1:1的比例将模型带入手术室与术中进行比对，实时引导重要管道的分离和病灶的切除，提高手术的根治性切除率，同时降低手术风险，最终实现患者获益最大化。这种方式也有助于术中讨论以及对年轻医生进行培训。

清华长庚医院利用3D打印技术实现精准医疗，目的是要给每个病人提供最适宜的就医方法，使医疗资源耗费最小化，并在最小损害的前提下，使患者达到最好的疗效。目前在医院成功切除的十例胆道癌症患者中，有六名在传统治疗评估中是无法进行切除手术的，但通过3D打印技术后，成功进行切除手术，其中有几名四期癌症患者。

图3-193 D打印人体器官

(2)3D打印电动车。

英国ETT工业公司早前设计了两款可让买家自行组装的电动两轮车Trayser和Raker，买家可直接向厂方下载指定的电子档案，便能以3D打印机打印配件，装配成最合自己心意的爱车。Trayser和Raker的区别在于前者是电动单车，而后者是动力较大的“电单车”。

两者的车体外形虽有分别，但都是以铝合金激光切割成型，纤薄的车身极具未来感，厂方以此获得IF设计奖项。虽是自行组装，但两者的速度绝不逊色于一般的电单车。Trayser的时速可达25km，而续航力可达97km.Raker的最高时速可达45km，续航力80km.两者均以电力推动，充满电一次需5h.

(3)3D打印精准复制梵·高绝世名画《星夜》。

来自加拿大多伦多的3D打印公司Custom Prototypes将荷兰绘画大师梵·高的代表作之一《星夜》以3:4的比例准确地3D打印了出来，并且凭借这件作品赢得了AMUG大会举办的技术竞赛后处理类的第一名。

图3-203 D打印的《星夜》

为了创建这件作品，Custom Prototypes团队首先用高分辨率相机对这幅名画进行拍摄，然后对拍摄结果进行严格分析，并据此生成CAD文件。在这个过程中，制作人员主要将注意力放在了梵·高借助便宜的石膏粉所形成的雕塑般的纹理上。据Custom Prototypes团队称，他们之所以能够准确地复制梵·高画作之中的纹理，主要归功于该公司的大幅面高精度SLA3D打印机。