歐盟“SPARC”機器人研發(fā)計劃解析

劉金國 張學賓 曲艷麗

(中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室，沈陽，110016)

0 引言

2014 年6 月9 日，中國共產(chǎn)黨中央總書記習近平在中國科學院第十七次院士大會和中國工程院第十二次院士大會開幕會上發(fā)表重要講話，對中國機器人技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出指示：“我們不僅要把我國機器人水平提高上去，而且要盡可能多地占領市場”；他關于“機器人是制造業(yè)皇冠上的明珠”的定位，對中國從事機器人研發(fā)的科研人員既是振奮鼓舞，更是鞭策激勵。

目前，機器人的研發(fā)、制造、應用已成為衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志。2014 年6 月3 日，基于對機器人世界市場形勢的預測，歐盟啟動了投資28 億歐元的“SPARC”機器人研發(fā)計劃[1]。“SPARC”是一種由歐盟委員會、歐洲工業(yè)界與學術界從研究到生產(chǎn)共同促進機器人產(chǎn)業(yè)和增長壯大產(chǎn)業(yè)鏈的公私合作關系（Public Private Partnership，PPP），旨在提供擴大機器人在工廠、空中、陸地、水下、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、救援服務等行業(yè)的應用，提升機器人技術對歐洲的經(jīng)濟和社會的影響[1]。

歐盟“SPARC”機器人計劃將極大地推動歐洲機器人的發(fā)展，可以為歐洲甚至世界工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活節(jié)約成本，提高生活質(zhì)量，改善工作環(huán)境，減少資源浪費?！癝PARC”計劃實施后，歐盟機器人技術將對全球經(jīng)濟和社會產(chǎn)生巨大的影響。由此，本文從計劃的起源、目標、管理、運行模式、主要研究內(nèi)容等方面對歐盟“SPARC”計劃進行解析，并根據(jù)案例提出我們的若干思考，旨在為推動我國機器人技術發(fā)展提供參考。

1 “SPARC”計劃起源和目標

“SPARC”是歐盟委員會(European Commission)和歐洲機器人聯(lián)盟之間的一種公私合作關系(PPP)[1]，其運轉(zhuǎn)需要通過具有法律實體的法人。因此，2013 年9 月17 日成立了歐洲機器人協(xié)會(euRobotics AISBL)[2]。歐洲機器人協(xié)會是根據(jù)比利時法律成立的一個非營利性協(xié)會，位于布魯塞爾，將為歐洲機器人聯(lián)盟提供一個法律實體，并與歐盟委員會進行合作。2012 年9 月18 日，簽訂諒解備忘錄并成立委員會；2013 年10 月17 日，合同委員會正式成立；2014 年6 月3 日，“SPARC”成功啟動，從此拉開了歐盟“SPARC”機器人研發(fā)計劃的大幕[3]。

截至到2014 年5 月，為了確保歐洲機器人在世界范圍的戰(zhàn)略地位，歐洲工業(yè)部門和研究單位的182 個成員，從工業(yè)、研究和商業(yè)等多個方面共同推動機器人技術的研究與應用。作為將機器人技術產(chǎn)業(yè)、研究領域、學術界鏈接為一體的代表，歐盟委員會發(fā)起了這項史上經(jīng)費投入最大的歐洲機器人研究與開發(fā)計劃，即歐盟“SPARC”機器人研發(fā)計劃[1-3]，其具體起源流程如圖1 所示。

圖1 歐盟“SPARC”機器人計劃起源流程圖[3]

同時，歐洲機器人協(xié)會還通過協(xié)調(diào)操作的方式對機器人的未來購買力做準備。2012-2014 年，機器人PPP 的形成流程如圖2 所示，機器人PPP 的形成可以推進機器人在社會多個方面的應用，有利于實現(xiàn)“SPARC”計劃的既定目標。

圖2 機器人PPP 形成流程圖[3]

為推動機器人市場的全速發(fā)展，“SPARC”計劃提出了如下三個方面的目標：

1）歐盟機器人計劃需應對歐盟發(fā)展戰(zhàn)略所帶來的重大社會挑戰(zhàn)，滿足歐盟經(jīng)濟發(fā)展的需要，同時需尋求國家市場和機器人計劃核心技術之間的平衡。機器人技術在未來全球市場所占的份額將會不斷變化，其在全球市場份額的變化趨勢預測如圖3 所示。由此可知，“SPARC”計劃將使得機器人技術在歐洲市場的份額提升超過14%，營業(yè)額將提高大約440 億歐元。

2）使機器人成為制定社會目標和解決方案的重要因素，進一步推動歐洲制造業(yè)的發(fā)展，維護歐洲的歷史基礎設施，提高交通系統(tǒng)的效率，進而為機器人技術投資提供一個重要的研究和創(chuàng)新方向，創(chuàng)造潛在的未來收益價值。

3）形成一個促進合作伙伴之間更廣泛協(xié)作與交流的歐洲機器人共同體，刺激投資和創(chuàng)新，推動機器人技術進步，進一步擴大歐洲機器人市場，增強市場競爭力，使歐洲成為全球機器人市場的關鍵部件供應商以及全球共同認定的機器人技術社區(qū)，全面促進世界機器人技術的發(fā)展，推動整個社會進步。

2 管理和運行模式

歐洲機器人協(xié)會由35 個組織組成，代表182 家公司、大學和研究機構(gòu)，接受所有對機器人感興趣的歐洲利益相關者，其中包括終端用戶、金融和專業(yè)機構(gòu)等新成員組織，致力于使“SPARC”在2020 年前成為一個開放式的聯(lián)合運行組織[4]。

歐洲機器人協(xié)會組織專家進行“主題組織”工作，為帶來巨大經(jīng)濟利益的市場領域和社會福利提供建議，并推出多年度路線圖（Multi-Annual Roadmap, MAR）[5]?；谶@一路線圖，“SPARC”發(fā)展建議委員會在“地平線2020”計劃下資助機器人領域，刺激更多的充滿活力和有效的機器人技術團體進行技術開發(fā)。歐洲機器人協(xié)會的組織機構(gòu)管理運行模式如圖4 所示。

圖3 2011-2020 機器人技術市場市場份額變化趨勢[3]

圖4 歐洲機器人協(xié)會結(jié)構(gòu)管理運行示意圖[5]

“SPARC”通過多年度路線圖(MAR)支持的戰(zhàn)略研究議程(Strategic Research Agenda，SRA)[5]來宣傳機器人技術的應用，并及時更新以反映機器人新的發(fā)展方向和市場領域。戰(zhàn)略研究議程是一個機器人技術團體的高級別戰(zhàn)略概述，同時也為機器人專家、社會決策者、企業(yè)家、潛在工廠用戶和市場相關工作人員提供機器人技術介紹。

“SPARC”的運行模式參照多年度路線圖(MAR)進行，多年度路線圖(MAR)細致描述了戰(zhàn)略研究議程(SRA)中所提出的高水平的技術和市場。歐洲機器人協(xié)會利用其組織成員的專業(yè)知識，每年通過公開尋求咨詢會來組織主題，征求相關專家的意見，按照優(yōu)先順序更新發(fā)展策略，進而達成歐洲機器人的研究、發(fā)展和創(chuàng)新方案。在這一過程中，主題組織提出的建議與給定的標準都會進行仔細的匹配審查。

機器人PPP 的基本目標是通過連接學術界和產(chǎn)業(yè)界來更好地促進歐洲機器人技術的研究、開發(fā)和創(chuàng)新。歐盟委員會將在機器人技術上把工業(yè)和學術界的研究需求轉(zhuǎn)化為具體的工作計劃和組織戰(zhàn)略，從而使所建議的研究成果與其利益相關者更加相關。機器人PPP 未來運行模式如圖5 所示。

圖5 機器人PPP 運行示意圖[5]

3 主要研究內(nèi)容

機器人有望成為支撐社會進步的新一代自動化設備和認知世界的驅(qū)動者，其可以通過優(yōu)秀的學習能力與周圍世界無縫交接，進而構(gòu)建數(shù)學和物理世界之間的緊密聯(lián)系。歐盟“SPARC”機器人計劃的研究領域涉及生活、社會、工作等多個方面，其應用領域如圖6 所示。服務機器人將在農(nóng)業(yè)、交通、醫(yī)療、安全和公共事業(yè)等非制造業(yè)領域的競爭中展示其卓越的影響力，并有望成為銷售最多的機器人類型。因此，服務機器人技術是“SPARC”機器人計劃的主要研究內(nèi)容之一。

圖6 機器人服務應用研究領域示意圖[5]

在機器人技術方面，歐洲在世界上占有重要地位。歐洲科學的多樣性支持其多學科領域的研究，機器人技術是整合了廣泛技術領域的集成技術，其發(fā)展反過來又依賴于各種基礎研究領域的進步。歐洲在多學科技術領域均具有較強的實力，例如協(xié)作機器人和環(huán)境智能、語音和以觸覺為基礎的人機接口、安全驅(qū)動器(無齒輪)、夾持器和靈巧機器手、運動(無雙足移動)、材料科學與工程、導航和避障、任務規(guī)劃、車輛控制、運動控制(運動學和動力學)、仿生學、生物機械學、控制論等方面的理論研究。這些理論研究為研制機器人提供基礎，也將成為“SPARC”機器人計劃的主要研究內(nèi)容之一。

在社會科學方面，機器人的使用也引發(fā)了許多倫理問題、社會爭議以及法律問題。歐洲已經(jīng)達成了這方面的共識：在更廣泛地部署和應用機器人之前，對道德、法律和社會等方面進行調(diào)查聽證，這非常重要。作為機器人技術團體利益的代表，歐洲機器人協(xié)會在“SPARC”機器人計劃中將對道德、法律、社會等方面的問題進行深入研究。

機器人工作組的主要計劃研究內(nèi)容如表1 所示。

表1 機器人工作組的計劃研究內(nèi)容[5]

同時，研究內(nèi)容還包括“地平線2020”內(nèi)容，即第八個歐洲框架計劃。對于機器人技術委員會而言，“地平線2020”的戰(zhàn)略目標可簡化如下[5-7]：

1）提高歐盟的機器人技術和科學地位；

2）加強其在工業(yè)創(chuàng)新上的領導力，包括對關鍵技術的投資和對中小企業(yè)提供更大的資金投入與支持；

3）解決歐洲共性的主要問題，如：氣候變化、可持續(xù)交通、可再生能源經(jīng)濟性、食品安全保障以及人口老齡化等。

“地平線2020”計劃將引進一些專業(yè)儀器來推動創(chuàng)新，使機器人更接近市場，同時促進學者、生產(chǎn)者和使用者之間關于機器人技術的對話。最令人矚目的是前期商業(yè)廣告采購(Pre-Commercial Procurement，PCP)[6]和創(chuàng)新工具的公共采購(Public Procurement of Innovation，PPI)[6]等。此外，通過創(chuàng)建一個專業(yè)測試組織，安裝機器人單元，把機器人系統(tǒng)部署到實際環(huán)境中測試。

為了幫助中小企業(yè)參與“地平線2020”計劃，委員會還將在一些中小企業(yè)中推廣應用機器人技術，專注于中小企業(yè)機器人的研究開發(fā)和創(chuàng)新。這對機器人技術推廣至關重要，將推動歐洲機器人應用目標的實現(xiàn)。

機器人在社會生活中的應用領域如圖7 所示。

圖7 機器人工作領域圖[7]

歐盟“SPARC”機器人計劃的研究內(nèi)容對國內(nèi)相關研發(fā)有一定的借鑒之處在于：在制定保障措施和標準、規(guī)范和立法時，需要考慮系統(tǒng)設計過程的機器設備和技術。系統(tǒng)的模塊化設計方法可能成為主流，即通過整個系統(tǒng)而不僅僅考慮單獨的組件來解決問題。上述分析問題的方式基于以下假設：在短期，機器人和人類將協(xié)作工作，特定情況下將直接交互；在中期，機器人和人彼此在工作中和在家庭中合作和共享空間；在長期，機器人將執(zhí)行更復雜的和有持續(xù)監(jiān)督要求的任務，人類和機器人日益復雜的交互將變得更加頻繁。

4 案例與思考

每一個廣闊的市場領域都包括一些一起成立的用于服務支持和基礎設施管理的公司，機器人領域的市場也一樣。同時，機器人將影響多個業(yè)務領域的發(fā)展，可以提供額外的利益或創(chuàng)建新的產(chǎn)品類型。機器人有可能從制造業(yè)到醫(yī)療保健業(yè)改變許多地區(qū)的機器人應用市場，如機器人可能成為救命的手術工具、智能康復訓練師以及在物流方案中可靠的搬家公司等。以下是機器人應用的五個典型成功案例及若干思考，可進一步感受到機器人技術的積極作用。

案例1：十年前彼得公司裝配制造業(yè)75%的組件外包到亞洲。近些年，雖然外包的組件定價不錯，但其設計需要很長時間才能完成，成本相應上升，而且近年來客戶開始需求更多的定制產(chǎn)品，設計風格每年都不斷變化，企業(yè)間的競爭加劇，業(yè)務變得困難。所以，彼得決定重新投資自動化設備，這是個艱難的決定，工廠需要變革且業(yè)務需要重組，自動化制造業(yè)所需的新技術也是必需的。設計和生產(chǎn)能力上的新改變，使產(chǎn)品在質(zhì)量和價格上競爭不斷，這就需要彼得在技術上開辟新思路。彼得成功應用了機器人技術，他采用多個機器人作為自動銷售人員，還有一些機器人用來生產(chǎn)容易生產(chǎn)的手工組件。機器人的應用使其業(yè)務效率大幅提高，效益也相應增加，自此開啟了由機器人高度靈活操作的自動化制造企業(yè)，企業(yè)成功實現(xiàn)了轉(zhuǎn)型[6]。

啟示1：機器人的使用是組件生產(chǎn)中的關鍵因素，同時為提高制造業(yè)競爭力，減少生產(chǎn)成本等方面提供了一些方法。在歐洲制造業(yè)中應用機器人可以減少產(chǎn)品的交貨時間，機器人組裝技術的低成本又允許更大程度地適應產(chǎn)品定制和價格的變化。機器人市場通過多樣化的應用實現(xiàn)了強大的增長預期，并以較低的應用成本成功進入了歐洲制造行業(yè)。

案例2：現(xiàn)已有相當數(shù)量的機器人應用在農(nóng)業(yè)上，少量已經(jīng)成功實現(xiàn)自動化，優(yōu)勢是顯著提高了農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量、增強了人們在土地使用、環(huán)境影響和管理等方面收集數(shù)據(jù)的能力以及對作物和牲畜評估的能力，提供了增加效率的機會。如水果蔬菜收獲機器人技術進一步提高了現(xiàn)場加工和包裝的效率，使用自動或半自動農(nóng)用車輛進行通信和運輸可使農(nóng)作物運輸效率得以提高，確保產(chǎn)品更高效地流入包裝和分銷系統(tǒng)。

機器人可以在最佳條件下選擇性收獲農(nóng)產(chǎn)品，以此來提高農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量，還可將農(nóng)業(yè)機器人應用在農(nóng)作物數(shù)據(jù)加載、農(nóng)場情況統(tǒng)計、產(chǎn)量監(jiān)測、土壤條件分析等方面，所有的統(tǒng)計數(shù)據(jù)隨著農(nóng)業(yè)機器人的使用形成“大數(shù)據(jù)”農(nóng)業(yè)，進而促進農(nóng)業(yè)的大發(fā)展[6]。

啟示2：農(nóng)業(yè)機器人需要一些特別的技術，如土地質(zhì)量檢測和土地分布規(guī)劃、評估識別農(nóng)作物和牲畜的生存條件、農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)和加工處理、農(nóng)場之間運輸車輛的協(xié)調(diào)等。這些特別的技術讓農(nóng)業(yè)機器人的應用領域越來越廣，其技術也越來越完善。

案例3：卡爾是商檢部門副經(jīng)理，負責在大型集裝箱港口裝卸來自世界各地的船舶貨物，新規(guī)定需要他對海水污染、進口物品限制、船舶安全等進行持續(xù)不斷的檢查和監(jiān)控。他負責檢查和監(jiān)督500000km2的入港海面水域的情況。有一次，海水污染監(jiān)測船在一個繁忙的碼頭發(fā)現(xiàn)了漏油事件，此時急需監(jiān)控水下泄漏的程度及泄露水域的面積，卡爾請求獲得其他三個監(jiān)測工作部門的幫助，當污染水面隨著洋流和潮汐漂移而呈現(xiàn)出泄露景象時，他及時派遣了5 架飛行機器人（無人機）進行泄漏量評估。無人機在石油污染監(jiān)測終端進行了水下基礎設施的檢查、運輸通道的維護，從而避免了航運中斷。無人機的應用成功實現(xiàn)了對危險泄漏量的監(jiān)測和評估工作[6]。

啟示3：許多市場都使用機器人進行環(huán)境監(jiān)測：監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的人員和貨物，監(jiān)測空氣質(zhì)量和工業(yè)過程排放的水質(zhì)。在民用基礎設施如橋梁、水庫、電線等方面，機器人可以更有效地提供幫助，進而提高檢測人員的工作能力?；A設施機器人還可以對核反應堆執(zhí)行維護任務，繼而顯著延長反應堆的壽命。機器人也可以用在其他民用基礎設施上，如對公路和管道進行維護，從而盡可能地降低成本。

案例4：日常生活電器如地板清潔器等，提供了機器人應用的可能性。許多地板清潔部門的產(chǎn)品供應商在積極尋找機器人應用的可能性，機器人可能成為地板清潔領域的第一選擇，然而在其他電器市場的滲透率還處于較低水平，如門窗玻璃清潔器。

機器人技術在電器消費市場的應用還是有巨大潛力的。電器市場的應用對機器人技術提出了更高的要求，尤其是在人與機器人交互密切的電器上。早期的應用可能僅僅集中在流動性援助上，后期將會擴展到涉及人體功能各方面，老齡化社會提供了一個此類機器人技術需要迫切開發(fā)的環(huán)境。

啟示4：強烈預期，機器人技術的應用將使國內(nèi)機械市場未來十年加速發(fā)展，應用的低成本和技術的可靠性是其主要驅(qū)動因素。機器人技術也將進入其他可應用的市場，如在娛樂和教育中的發(fā)展應用，機器人手臂和半自主殘疾輪椅輔助機器人已經(jīng)存在于市場中，可以預見，機器人技術的應用會越來越廣泛。

案例5：家用電器機器人主要通過處理日?，嵤聛砉?jié)省人的時間。為了達到有效目的，這些機械裝置必須功能可靠，一旦興起將加速電器市場的發(fā)展，并且這些功能將被人們更為頻繁地使用。在教育中，應用機器人幫助孩子們學習科學技術已經(jīng)很常見，并且有可能擴展到其他方面，如機器人有可能成為體育教練等。同時，應用機器人來監(jiān)測和協(xié)助空巢老人，對于應對老齡化社會有很大作用[6]。

啟示5：在某些領域，應用機器人技術可以解決很多方面的社會挑戰(zhàn)，如：不同人口結(jié)構(gòu)的變化、健康和福祉、食品生產(chǎn)、運輸和安全等領域。在每一個挑戰(zhàn)中，機器人都有機會發(fā)展其技術能力。因此，家用機器人將在方便人們生活和促進社會進步方面發(fā)揮不可替代的作用，機器人技術將會走入尋常生活之中。

6 結(jié)論和討論

歐盟“SPARC”機器人研發(fā)計劃的實施對世界機器人市場有重要的引導作用。機器人技術將應用在各行各業(yè)之中，這些應用對于建立機器人行業(yè)的信心具有積極的影響，雖然這些影響現(xiàn)在還難以預測，但到2020 年機器人應用前景的趨勢是可以預見的。機器人技術在醫(yī)療保健、物流、農(nóng)業(yè)和小規(guī)模生產(chǎn)中對于效率和服務收益的提高是明顯的，歐盟“SPARC”機器人研發(fā)計劃取得成功，將會推進機器人技術的發(fā)展和普及。

在世界機器人發(fā)展日益迅猛的背景下，我國機器人技術也取得很大進展，但還存在一些問題[4]。目前，雖然我國機器人領域的從業(yè)人員付出了很多努力，但整個國家的機器人技術和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀并不樂觀，針對當今機器人市場發(fā)展的大趨勢，我國也應該采取相應的發(fā)展策略。

在國家組織管理層面，要有長期穩(wěn)定的投入和行業(yè)的加強管理，推動官、產(chǎn)、學、研、用等多方的合作和溝通，推進我國機器人產(chǎn)業(yè)有序健康發(fā)展。工信部曾專門發(fā)文（《工業(yè)和信息化部關于推進工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》）對我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展進行規(guī)劃，管理部門還需要進一步結(jié)合我國國情進行頂層設計。

在國內(nèi)技術突破層面，需開展機器人系統(tǒng)本體及其關鍵器件的設計分析、制造工藝、試驗檢測、標準規(guī)范等核心技術研究，攻克伺服電機、精密減速器、伺服驅(qū)動器、末端執(zhí)行器、傳感器、人機界面等關鍵單元技術；此外，需要加強機器人領域微納米制造、人工智能、網(wǎng)絡控制、人機融合等前沿技術的梳理和預先研究，實施技術成熟度管理，增加自主技術儲備；研發(fā)工作可以借鑒歐盟機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的公私合營模式，縮短資金、技術和市場三者之間的距離。

在國內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，充分發(fā)揮現(xiàn)已成立的機器人產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟的作用，減少低水平重復和盲目投資，集中優(yōu)勢研究力量實現(xiàn)核心部件國產(chǎn)化、自主化，實現(xiàn)龍頭企業(yè)規(guī)?；?、配套企業(yè)集群化，大幅度減低成本和價格。

在國際競爭層面，國內(nèi)機器人領域內(nèi)的主要研究機構(gòu)和企業(yè)需要主動走出國門，加強與相關國外企業(yè)或機構(gòu)的聯(lián)系，以合作、投資、控股并購或收購等方式利用國外的已有技術和市場，帶動自身的發(fā)展。

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