機器人 第三次工業(yè)革命的另一推手

楊恩泉

以機器人為代表的智能制造是第三次工業(yè)革命的重要組成部分

《經濟學人》2012年4月21日文章認為，智能機器人將和3D打印等一起改變傳統(tǒng)的制造業(yè)模式，催生“第三次工業(yè)革命”。事實上，制造業(yè)革命已經發(fā)生，目前主要發(fā)達國家在汽車制造、電子制造等“精密制造”領域主要用機器人自動化生產線進行制造。機器人代表的柔性化、綠色化、數(shù)字化的智能制造是一種新的技術—生產范式，已經改變了高端制造模式，并迅速向其他領域擴散，引爆了制造業(yè)的新革命。

鑒于此，世界主要發(fā)達國家紛紛布局機器人產業(yè)，以期在產業(yè)變革中占得先機。

美國機器人發(fā)展起步早，其發(fā)展思路是立足于相關機器人技術實現(xiàn)產業(yè)化，包括醫(yī)療外科機器人及家用智能吸塵器機器人已經實現(xiàn)產業(yè)化發(fā)展。在過去的20多年里，美國政府先后發(fā)布了聯(lián)合機器人研究計劃（Joint Robotics Program）、《無人系統(tǒng)路線圖（2009～2034年）》、《機器人戰(zhàn)略白皮書》，2011年6月美國總統(tǒng)奧巴馬還提出NRI國家機器人發(fā)展計劃（NASA，NSF，NIH），借機振興美國制造業(yè)。

日本一貫將機器人技術列入國家級的研究計劃和重大項目，以工業(yè)機器人、仿人娛樂機器人為突破口，采用模塊化和標準化道路，近兩年開始積極開展RT（機器人技術）的研究，推進服務機器人的產業(yè)化。另外經濟產業(yè)省發(fā)布新產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略和機器人技術戰(zhàn)略，其中日本能源及產業(yè)技術綜合開發(fā)機構（NEDO）資助了包括：服務機器人安全技術和驗證項目（2009～2013）、智能機器人技術軟件計劃（2007～2011）等在內的多個項目。

歐盟2006年制定了歐洲第七框架計劃（FP7），執(zhí)行期從2007年至2013年，以加強機器人模塊化功能部件和危險作業(yè)機器人研發(fā)；另外歐洲機器人技術研究網絡還提出了2002～2022年歐洲機器人研究與應用的路線圖（Euron Research Roadmaps）。

韓國機器人發(fā)展強調智能機器人與現(xiàn)代網絡相結合，制定了韓國“839”戰(zhàn)略計劃：智能服務機器人是9種核心技術之一；將智能服務機器人作為21世紀推動國家經濟增長的10大發(fā)動機產業(yè)之一，2013年成為世界三大機器人生產國之一。2008年、2009年相繼發(fā)布《智能機器人開發(fā)與普及促進法》與《第一次智能機器人基本計劃》，目標是到2018年使韓國成為全球機器人主導國家。

我國在《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020年）》中，明確指出將服務機器人作為未來優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略高技術，科技部于2012年4月24日印發(fā)《智能制造科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》和《服務機器人科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》，“十二五”期間我國將把工業(yè)和服務機器人作為戰(zhàn)略新興產業(yè)予以重點扶持。

國外機器人產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1954年喬治·德沃爾設計出第一臺可編程工業(yè)機器人，并于1961年發(fā)表了該項專利，1962年通用汽車公司將其投入使用，標志著第一代機器人誕生。20世紀80年代，世界工業(yè)生產技術上的高度自動化和集成化高速發(fā)展，同時也使工業(yè)機器人得到進一步發(fā)展，并在這個時期工業(yè)機器人對世界整個工業(yè)經濟的發(fā)展起到了關鍵性作用。目前，世界上工業(yè)機器人無論是從技術水平還是從已裝配的數(shù)量上都日趨成熟，特別是以日、美為代表的少數(shù)發(fā)達國家優(yōu)勢更為明顯。與此同時，隨著應用領域的拓展以及智能化水平的提高，工業(yè)機器人的應用已從傳統(tǒng)制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，進而推廣到諸如采礦、農業(yè)、建筑、災難救援等非制造行業(yè)，而且在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、生活服務等領域，機器人的應用也越來越多，如無人偵察機（飛行器）、警備機器人、醫(yī)療機器人、家用服務機器人等。機器人，己經成為世界各國搶占的高科技制高點。

國內機器人產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

我國工業(yè)機器人起步于20世紀70年代初期，隨著改革開放的實施與深化，其在工業(yè)自動化的發(fā)展進程中扮演著極其重要的角色?，F(xiàn)在，我國從事機器人研發(fā)的單位有200多家，專業(yè)從事機器人產業(yè)開發(fā)的企業(yè)有50家以上?！熬盼濉逼陂g，在國家“863”高技術計劃項目的支持下，沈陽新松機器人自動化股份有限公司、哈爾濱博實自動化設備有限責任公司、上海機電一體化工程公司、北京機械工業(yè)自動化所、四川綿陽思維焊接自動化設備有限公司等確立為智能機器人主題產業(yè)基地。國內的機器人技術研發(fā)力量已經具備了大型機器人工程設計和應用的能力，整體性能已達到國際同類產品的先進水平，并具有更好的性價比和市場競爭力。目前，我國在在上海、沈陽、北京、蕪湖等地建立了工業(yè)機器人及其自動化生產線工廠和產業(yè)基地，開發(fā)出一批有市場前景的，具有自主知識產權的工業(yè)機器人及其自動化生產線產品。

機器人產業(yè)發(fā)展趨勢與前沿關鍵技術

機器人產業(yè)技術發(fā)展主要趨勢為智能化、標準化、網絡化。具體為：由簡單機電一體化裝備，向以生機電一體化和多傳感器智能化等方面發(fā)展；由單一作業(yè)，向服務機器人與信息網絡相結合的虛擬交互、遠程操作和網絡服務等方面發(fā)展；由研制單一復雜系統(tǒng)，向將其核心技術、核心模塊嵌入于高端制造等相關裝備方面發(fā)展。另外機器人的市場化要求家庭化、模塊化、產業(yè)化成為未來服務機器人應用發(fā)展的趨勢。機器人技術越來越向智能機器技術與系統(tǒng)方向發(fā)展，其應用領域向助老助殘、家用服務、特種服務等方面擴展，在學科發(fā)展上與生機電理論與技術、納米制造、生物制造等學科進行交叉創(chuàng)新，研究的科學問題包含新材料、新感知、新控制和新認知等方面。

仿生材料與結構

自然界中生物經過億萬年長期進化，其結構與功能已達到近乎完美的程度，實現(xiàn)了機構與功能的統(tǒng)一，局部與整體的協(xié)調和統(tǒng)一。服務機器人作為機器人的一個重要分支，從仿生學角度出發(fā)，吸收借鑒生物系統(tǒng)的結構、性狀、原理、行為以及相互作用，能夠為機器人的功能實現(xiàn)提供必要的技術支撐，其中仿生皮膚、人工肌肉及結構驅動一體化設計是當前及未來服務機器人發(fā)展的重要課題。目前來看，仿生材料與機構能夠為未來機器人實現(xiàn)多功能高效率發(fā)展提供必要的技術儲備，一個很重要的問題是必須具備相應的光機電微納加工工藝及傳感驅動執(zhí)行一體化設計能力，這對于仿生結構材料的未來應用至關重要。

模塊化自重構

模塊化自重構機器人通過對多個單一的模塊化智能單元進行可變構形設計、運動規(guī)劃及控制，以達到提升機器人運動能力、負載能力及對環(huán)境適應能力的效果。自重構機器人的核心問題主要體現(xiàn)在模塊的幾何拓撲分布及相應的整體剛度。從自重構機器人發(fā)展的初衷來看，未來自重構機器人面臨著大規(guī)模機載并行計算及結構化或是非結構化環(huán)境下長時間完全自主能力實現(xiàn)的挑戰(zhàn)。

復雜環(huán)境下機器人動力學控制

隨著人類探索空間的擴大及對任務需求的提高，未來機器人的工作環(huán)境將是復雜多變的，高動態(tài)性、高適應性、高負載能力是機器人特別是戶外機器人發(fā)展的方向之一。以機械臂為代表的工業(yè)機器人必須滿足對高負載及高速的雙重需求，但是高負載與高速將給機器人帶來額外的影響，一方面是對外部運動生成器提出更高的要求，其生成的指令必須讓內環(huán)伺服控制器能夠有效執(zhí)行；另一方面，大負載高速運動引起內部摩擦等非線性因素放大，傳統(tǒng)的動力學將不再適用，從而對控制器的設計提出更高要求。

智能認知與感知

智能認知與感知是機器人與人、機器人與環(huán)境進行交互的基礎，目前與機器人密切相關的智能認知感知技術包括腦生肌電認知、城市環(huán)境下移動機器人對環(huán)境的感知與識別以及智能空間等3方面。首先，在腦生肌電認知方面，研究者主要是希望通過腦波、肌肉神經信號幫助殘障人士操作智能輪椅、假肢等器具，以恢復其肢體功能；其次，在城市環(huán)境下移動機器人對環(huán)境的感知與識別方面，主要是為提高無人系統(tǒng)的自主能力提供技術支持。典型的代表是Google的自動駕駛汽車項目，通過集成機載激光雷達，慣性導航設備獲得自動汽車實時的位置與交互環(huán)境數(shù)據(jù)，通過機載任務控制計算機進行實時路徑規(guī)劃并行為決策，最終實現(xiàn)了實際道路的全程自主駕駛。最后，在智能空間方面，是以傳感器網絡為基礎，目前主要是為醫(yī)護人員實時監(jiān)測在一個固定空間內活動的老年人或病人的身體狀況提供技術支持。

研究主要集中在傳感器組網通訊、高效環(huán)境信息提取重建、數(shù)據(jù)源與服務集成等方面。未來智能認知與感知主要是在傳感器技術發(fā)展的基礎上，進行大量數(shù)據(jù)有效分類、歸納，并提取可靠有效信息，凝聚成反映人-機-環(huán)境交互關系的特征數(shù)據(jù)網，并結合人工智能的發(fā)展及高效能計算能力的實現(xiàn)，為機器人的智能化發(fā)展提供基礎保障。

多模式網絡化交互

機器人多模式網絡化交互，主要體現(xiàn)在兩個方面，一是機器人之間的組網協(xié)調，包括單一類型機器人群體及多類型機器人群體協(xié)作問題。另一方面是微電子機械系統(tǒng)（MEMS）技術、應用軟件及網絡通信新技術的發(fā)展催生出的新型人機交互模式。

微納系統(tǒng)

機器人的一個重要應用是希望其能夠在狹小空間里開展探測或是執(zhí)行任務。目前，微納型醫(yī)療機器人及軍用偵察機器人正成為服務機器人研究的一個熱點，而其核心技術在于創(chuàng)新并集成多功能低功耗傳感及驅動模塊。

機器人產業(yè)市場及發(fā)展前景

據(jù)國際機器人聯(lián)合會統(tǒng)計，2011年全球工業(yè)機器人市場銷售達16.6萬臺，同比增長38%，其中中國銷售2.26萬臺，同比增長51%。2011年中國工業(yè)機器人市場規(guī)模突破100億元，同比增長50%以上。從應用行業(yè)角度來看，工業(yè)機器人最早應用于汽車行業(yè)，2011汽車行業(yè)工業(yè)機器人市場份額超過40%。電子、機床、食品飲料煙草為其他主要應用行業(yè)。

國際工業(yè)機器人技術日趨成熟，已經成為一種標準設備而得到工業(yè)界廣泛應用，從而也形成了一批在國際上較有影響力的著名工業(yè)機器人公司，這些公司目前在中國的工業(yè)機器人市場也處于領先地位，具體來看又可分為“四大”及“四小”兩個陣營：“四大”即為ABB、FANUC、安川及KUKA；“四小”為OTC、松下、那智不二越及川崎。國內也涌現(xiàn)了一批工業(yè)機器人廠商，這些廠商中既有像新松這樣的國內機器人技術的引領者，也有像南京埃斯頓、廣州數(shù)控這些伺服、數(shù)控系統(tǒng)廠商。

目前中國工業(yè)機器人使用密度不足世界平均水平的三分之一，只是機器人使用密度高的國家如日本的二十分之一，韓國的十九分之一，德國的十七分之一，離制造業(yè)發(fā)達國家差距還很大，但是相較于中國當前工業(yè)制造業(yè)轉型升級之際，對于先進工業(yè)機器人的應用領域將越來越廣，所以未來中國機器人市場前景廣闊。據(jù)國際機器人聯(lián)合會預測，2015年全球工業(yè)機器人市場銷售達20.75萬臺，其中中國銷售3.5萬臺。

我國機器人產業(yè)發(fā)展建議

以機器人為代表的智能制造是第三次工業(yè)革命的重要組成部分，我國應該抓住這次機遇，制定相關政策措施，大力發(fā)展我國的機器人產業(yè)，提升我國制造業(yè)水平，加速實現(xiàn)我國產業(yè)結構調整和優(yōu)化升級。

一是國家政策支持。國家政策支持是加速高新技術產業(yè)化的重要前提，機器人屬于國家戰(zhàn)略性高技術，是多項前沿技術和綜合實力的體現(xiàn)，國家已經制定了一些規(guī)劃，但還需進一步落實相關政策并對產業(yè)加以管理和引導。國家在資金、稅收等各個方面給予一定的優(yōu)惠政策，把機器人產業(yè)發(fā)展納入到重要產業(yè)政策中，鼓勵企業(yè)采用國產機器人。

二是推動產學研聯(lián)盟建設，形成強大的研究、開發(fā)和應用隊伍。工業(yè)機器人涉及機械、自動化、計算機、人工智能等諸多學科，只有將國內所有力量組織起來，群策群力，才能將技術研究搞上去，并與國外大公司進行競爭。

三是盡快改變關鍵元器件主要依賴進口的局面。成本和整體解決方案已成為企業(yè)選擇工業(yè)機器人的首要因素，成本居高不下是制約國產機器人進一步發(fā)展的關鍵因素之一，除了受到批量較小影響外，國產機器人發(fā)展主要受到關鍵元器件價格的制約。

四是除了努力提高工業(yè)機器人性能外，我國還要大力加強大型、專業(yè)應用工程軟件開發(fā)工作。在工業(yè)機器人作業(yè)系統(tǒng)中，周邊裝備和控制單元占總成本的80%，這些裝置的研發(fā)與集成決定著整個作業(yè)系統(tǒng)的開發(fā)周期，其技術性能直接影響系統(tǒng)的生產效率和產品質量，機器人作業(yè)系統(tǒng)開發(fā)已成為制約工業(yè)機器人推廣應用的關鍵因素之一。

五是加強人才隊伍建設。給高技術人才創(chuàng)造發(fā)揮聰明才智的長效機制，吸引人才，培養(yǎng)人才，留住人才，高新技術企業(yè)的競爭是人才的競爭，沒有人才，何談發(fā)展。

（作者單位系中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心 ）