楊恩泉

以機(jī)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(jīng)濟(jì)學(xué)人》2012年4月21日文章認(rèn)為，智能機(jī)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(shí)上，制造業(yè)革命已經(jīng)發(fā)生，目前主要發(fā)達(dá)國(guó)家在汽車制造、電子制造等“精密制造”領(lǐng)域主要用機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行制造。機(jī)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(shù)—生產(chǎn)范式，已經(jīng)改變了高端制造模式，并迅速向其他領(lǐng)域擴(kuò)散，引爆了制造業(yè)的新革命。

鑒于此，世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛布局機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，以期在產(chǎn)業(yè)變革中占得先機(jī)。

美國(guó)機(jī)器人發(fā)展起步早，其發(fā)展思路是立足于相關(guān)機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，包括醫(yī)療外科機(jī)器人及家用智能吸塵器機(jī)器人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。在過(guò)去的20多年里，美國(guó)政府先后發(fā)布了聯(lián)合機(jī)器人研究計(jì)劃（Joint Robotics Program）、《無(wú)人系統(tǒng)路線圖（2009～2034年）》、《機(jī)器人戰(zhàn)略白皮書(shū)》，2011年6月美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬還提出NRI國(guó)家機(jī)器人發(fā)展計(jì)劃（NASA，NSF，NIH），借機(jī)振興美國(guó)制造業(yè)。

日本一貫將機(jī)器人技術(shù)列入國(guó)家級(jí)的研究計(jì)劃和重大項(xiàng)目，以工業(yè)機(jī)器人、仿人娛樂(lè)機(jī)器人為突破口，采用模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化道路，近兩年開(kāi)始積極開(kāi)展RT（機(jī)器人技術(shù)）的研究，推進(jìn)服務(wù)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化。另外經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省發(fā)布新產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略和機(jī)器人技術(shù)戰(zhàn)略，其中日本能源及產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）資助了包括：服務(wù)機(jī)器人安全技術(shù)和驗(yàn)證項(xiàng)目（2009～2013）、智能機(jī)器人技術(shù)軟件計(jì)劃（2007～2011）等在內(nèi)的多個(gè)項(xiàng)目。

歐盟2006年制定了歐洲第七框架計(jì)劃（FP7），執(zhí)行期從2007年至2013年，以加強(qiáng)機(jī)器人模塊化功能部件和危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人研發(fā)；另外歐洲機(jī)器人技術(shù)研究網(wǎng)絡(luò)還提出了2002～2022年歐洲機(jī)器人研究與應(yīng)用的路線圖（Euron Research Roadmaps）。

韓國(guó)機(jī)器人發(fā)展強(qiáng)調(diào)智能機(jī)器人與現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，制定了韓國(guó)“839”戰(zhàn)略計(jì)劃：智能服務(wù)機(jī)器人是9種核心技術(shù)之一；將智能服務(wù)機(jī)器人作為21世紀(jì)推動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的10大發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)之一，2013年成為世界三大機(jī)器人生產(chǎn)國(guó)之一。2008年、2009年相繼發(fā)布《智能機(jī)器人開(kāi)發(fā)與普及促進(jìn)法》與《第一次智能機(jī)器人基本計(jì)劃》，目標(biāo)是到2018年使韓國(guó)成為全球機(jī)器人主導(dǎo)國(guó)家。

我國(guó)在《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020年）》中，明確指出將服務(wù)機(jī)器人作為未來(lái)優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略高技術(shù)，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(xiàng)規(guī)劃》和《服務(wù)機(jī)器人科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》，“十二五”期間我國(guó)將把工業(yè)和服務(wù)機(jī)器人作為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)予以重點(diǎn)扶持。

國(guó)外機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1954年喬治·德沃爾設(shè)計(jì)出第一臺(tái)可編程工業(yè)機(jī)器人，并于1961年發(fā)表了該項(xiàng)專利，1962年通用汽車公司將其投入使用，標(biāo)志著第一代機(jī)器人誕生。20世紀(jì)80年代，世界工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)上的高度自動(dòng)化和集成化高速發(fā)展，同時(shí)也使工業(yè)機(jī)器人得到進(jìn)一步發(fā)展，并在這個(gè)時(shí)期工業(yè)機(jī)器人對(duì)世界整個(gè)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了關(guān)鍵性作用。目前，世界上工業(yè)機(jī)器人無(wú)論是從技術(shù)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(dá)國(guó)家優(yōu)勢(shì)更為明顯。與此同時(shí)，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓展以及智能化水平的提高，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用已從傳統(tǒng)制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，進(jìn)而推廣到諸如采礦、農(nóng)業(yè)、建筑、災(zāi)難救援等非制造行業(yè)，而且在國(guó)防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、生活服務(wù)等領(lǐng)域，機(jī)器人的應(yīng)用也越來(lái)越多，如無(wú)人偵察機(jī)（飛行器）、警備機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、家用服務(wù)機(jī)器人等。機(jī)器人，己經(jīng)成為世界各國(guó)搶占的高科技制高點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步于20世紀(jì)70年代初期，隨著改革開(kāi)放的實(shí)施與深化，其在工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展進(jìn)程中扮演著極其重要的角色?，F(xiàn)在，我國(guó)從事機(jī)器人研發(fā)的單位有200多家，專業(yè)從事機(jī)器人產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)的企業(yè)有50家以上?！熬盼濉逼陂g，在國(guó)家“863”高技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目的支持下，沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司、哈爾濱博實(shí)自動(dòng)化設(shè)備有限責(zé)任公司、上海機(jī)電一體化工程公司、北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化所、四川綿陽(yáng)思維焊接自動(dòng)化設(shè)備有限公司等確立為智能機(jī)器人主題產(chǎn)業(yè)基地。國(guó)內(nèi)的機(jī)器人技術(shù)研發(fā)力量已經(jīng)具備了大型機(jī)器人工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用的能力，整體性能已達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，并具有更好的性價(jià)比和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。目前，我國(guó)在在上海、沈陽(yáng)、北京、蕪湖等地建立了工業(yè)機(jī)器人及其自動(dòng)化生產(chǎn)線工廠和產(chǎn)業(yè)基地，開(kāi)發(fā)出一批有市場(chǎng)前景的，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機(jī)器人及其自動(dòng)化生產(chǎn)線產(chǎn)品。

機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)與前沿關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展主要趨勢(shì)為智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化。具體為：由簡(jiǎn)單機(jī)電一體化裝備，向以生機(jī)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(wù)機(jī)器人與信息網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的虛擬交互、遠(yuǎn)程操作和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等方面發(fā)展；由研制單一復(fù)雜系統(tǒng)，向?qū)⑵浜诵募夹g(shù)、核心模塊嵌入于高端制造等相關(guān)裝備方面發(fā)展。另外機(jī)器人的市場(chǎng)化要求家庭化、模塊化、產(chǎn)業(yè)化成為未來(lái)服務(wù)機(jī)器人應(yīng)用發(fā)展的趨勢(shì)。機(jī)器人技術(shù)越來(lái)越向智能機(jī)器技術(shù)與系統(tǒng)方向發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域向助老助殘、家用服務(wù)、特種服務(wù)等方面擴(kuò)展，在學(xué)科發(fā)展上與生機(jī)電理論與技術(shù)、納米制造、生物制造等學(xué)科進(jìn)行交叉創(chuàng)新，研究的科學(xué)問(wèn)題包含新材料、新感知、新控制和新認(rèn)知等方面。

仿生材料與結(jié)構(gòu)

自然界中生物經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年長(zhǎng)期進(jìn)化，其結(jié)構(gòu)與功能已達(dá)到近乎完美的程度，實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)與功能的統(tǒng)一，局部與整體的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。服務(wù)機(jī)器人作為機(jī)器人的一個(gè)重要分支，從仿生學(xué)角度出發(fā)，吸收借鑒生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性狀、原理、行為以及相互作用，能夠?yàn)闄C(jī)器人的功能實(shí)現(xiàn)提供必要的技術(shù)支撐，其中仿生皮膚、人工肌肉及結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)一體化設(shè)計(jì)是當(dāng)前及未來(lái)服務(wù)機(jī)器人發(fā)展的重要課題。目前來(lái)看，仿生材料與機(jī)構(gòu)能夠?yàn)槲磥?lái)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)多功能高效率發(fā)展提供必要的技術(shù)儲(chǔ)備，一個(gè)很重要的問(wèn)題是必須具備相應(yīng)的光機(jī)電微納加工工藝及傳感驅(qū)動(dòng)執(zhí)行一體化設(shè)計(jì)能力，這對(duì)于仿生結(jié)構(gòu)材料的未來(lái)應(yīng)用至關(guān)重要。

模塊化自重構(gòu)

模塊化自重構(gòu)機(jī)器人通過(guò)對(duì)多個(gè)單一的模塊化智能單元進(jìn)行可變構(gòu)形設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及控制，以達(dá)到提升機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力、負(fù)載能力及對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力的效果。自重構(gòu)機(jī)器人的核心問(wèn)題主要體現(xiàn)在模塊的幾何拓?fù)浞植技跋鄳?yīng)的整體剛度。從自重構(gòu)機(jī)器人發(fā)展的初衷來(lái)看，未來(lái)自重構(gòu)機(jī)器人面臨著大規(guī)模機(jī)載并行計(jì)算及結(jié)構(gòu)化或是非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間完全自主能力實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)。

復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人動(dòng)力學(xué)控制

隨著人類探索空間的擴(kuò)大及對(duì)任務(wù)需求的提高，未來(lái)機(jī)器人的工作環(huán)境將是復(fù)雜多變的，高動(dòng)態(tài)性、高適應(yīng)性、高負(fù)載能力是機(jī)器人特別是戶外機(jī)器人發(fā)展的方向之一。以機(jī)械臂為代表的工業(yè)機(jī)器人必須滿足對(duì)高負(fù)載及高速的雙重需求，但是高負(fù)載與高速將給機(jī)器人帶來(lái)額外的影響，一方面是對(duì)外部運(yùn)動(dòng)生成器提出更高的要求，其生成的指令必須讓內(nèi)環(huán)伺服控制器能夠有效執(zhí)行；另一方面，大負(fù)載高速運(yùn)動(dòng)引起內(nèi)部摩擦等非線性因素放大，傳統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)將不再適用，從而對(duì)控制器的設(shè)計(jì)提出更高要求。

智能認(rèn)知與感知

智能認(rèn)知與感知是機(jī)器人與人、機(jī)器人與環(huán)境進(jìn)行交互的基礎(chǔ)，目前與機(jī)器人密切相關(guān)的智能認(rèn)知感知技術(shù)包括腦生肌電認(rèn)知、城市環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人對(duì)環(huán)境的感知與識(shí)別以及智能空間等3方面。首先，在腦生肌電認(rèn)知方面，研究者主要是希望通過(guò)腦波、肌肉神經(jīng)信號(hào)幫助殘障人士操作智能輪椅、假肢等器具，以恢復(fù)其肢體功能；其次，在城市環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人對(duì)環(huán)境的感知與識(shí)別方面，主要是為提高無(wú)人系統(tǒng)的自主能力提供技術(shù)支持。典型的代表是Google的自動(dòng)駕駛汽車項(xiàng)目，通過(guò)集成機(jī)載激光雷達(dá)，慣性導(dǎo)航設(shè)備獲得自動(dòng)汽車實(shí)時(shí)的位置與交互環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)機(jī)載任務(wù)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃并行為決策，最終實(shí)現(xiàn)了實(shí)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(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，目前主要是為醫(yī)護(hù)人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在一個(gè)固定空間內(nèi)活動(dòng)的老年人或病人的身體狀況提供技術(shù)支持。

研究主要集中在傳感器組網(wǎng)通訊、高效環(huán)境信息提取重建、數(shù)據(jù)源與服務(wù)集成等方面。未來(lái)智能認(rèn)知與感知主要是在傳感器技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(jī)-環(huán)境交互關(guān)系的特征數(shù)據(jù)網(wǎng)，并結(jié)合人工智能的發(fā)展及高效能計(jì)算能力的實(shí)現(xiàn)，為機(jī)器人的智能化發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。

多模式網(wǎng)絡(luò)化交互

機(jī)器人多模式網(wǎng)絡(luò)化交互，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是機(jī)器人之間的組網(wǎng)協(xié)調(diào)，包括單一類型機(jī)器人群體及多類型機(jī)器人群體協(xié)作問(wèn)題。另一方面是微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)、應(yīng)用軟件及網(wǎng)絡(luò)通信新技術(shù)的發(fā)展催生出的新型人機(jī)交互模式。

微納系統(tǒng)

機(jī)器人的一個(gè)重要應(yīng)用是希望其能夠在狹小空間里開(kāi)展探測(cè)或是執(zhí)行任務(wù)。目前，微納型醫(yī)療機(jī)器人及軍用偵察機(jī)器人正成為服務(wù)機(jī)器人研究的一個(gè)熱點(diǎn)，而其核心技術(shù)在于創(chuàng)新并集成多功能低功耗傳感及驅(qū)動(dòng)模塊。

機(jī)器人產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)及發(fā)展前景

據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)，2011年全球工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)銷售達(dá)16.6萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)38%，其中中國(guó)銷售2.26萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)51%。2011年中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模突破100億元，同比增長(zhǎng)50%以上。從應(yīng)用行業(yè)角度來(lái)看，工業(yè)機(jī)器人最早應(yīng)用于汽車行業(yè)，2011汽車行業(yè)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)份額超過(guò)40%。電子、機(jī)床、食品飲料煙草為其他主要應(yīng)用行業(yè)。

國(guó)際工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備而得到工業(yè)界廣泛應(yīng)用，從而也形成了一批在國(guó)際上較有影響力的著名工業(yè)機(jī)器人公司，這些公司目前在中國(guó)的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)也處于領(lǐng)先地位，具體來(lái)看又可分為“四大”及“四小”兩個(gè)陣營(yíng)：“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(guó)內(nèi)也涌現(xiàn)了一批工業(yè)機(jī)器人廠商，這些廠商中既有像新松這樣的國(guó)內(nèi)機(jī)器人技術(shù)的引領(lǐng)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(guó)工業(yè)機(jī)器人使用密度不足世界平均水平的三分之一，只是機(jī)器人使用密度高的國(guó)家如日本的二十分之一，韓國(guó)的十九分之一，德國(guó)的十七分之一，離制造業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家差距還很大，但是相較于中國(guó)當(dāng)前工業(yè)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)之際，對(duì)于先進(jìn)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹?lái)越廣，所以未來(lái)中國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)前景廣闊。據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)預(yù)測(cè)，2015年全球工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)銷售達(dá)20.75萬(wàn)臺(tái)，其中中國(guó)銷售3.5萬(wàn)臺(tái)。

我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

以機(jī)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(guó)應(yīng)該抓住這次機(jī)遇，制定相關(guān)政策措施，大力發(fā)展我國(guó)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，提升我國(guó)制造業(yè)水平，加速實(shí)現(xiàn)我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化升級(jí)。

一是國(guó)家政策支持。國(guó)家政策支持是加速高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要前提，機(jī)器人屬于國(guó)家戰(zhàn)略性高技術(shù)，是多項(xiàng)前沿技術(shù)和綜合實(shí)力的體現(xiàn)，國(guó)家已經(jīng)制定了一些規(guī)劃，但還需進(jìn)一步落實(shí)相關(guān)政策并對(duì)產(chǎn)業(yè)加以管理和引導(dǎo)。國(guó)家在資金、稅收等各個(gè)方面給予一定的優(yōu)惠政策，把機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展納入到重要產(chǎn)業(yè)政策中，鼓勵(lì)企業(yè)采用國(guó)產(chǎn)機(jī)器人。

二是推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟建設(shè)，形成強(qiáng)大的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用隊(duì)伍。工業(yè)機(jī)器人涉及機(jī)械、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、人工智能等諸多學(xué)科，只有將國(guó)內(nèi)所有力量組織起來(lái)，群策群力，才能將技術(shù)研究搞上去，并與國(guó)外大公司進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。

三是盡快改變關(guān)鍵元器件主要依賴進(jìn)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(jī)器人的首要因素，成本居高不下是制約國(guó)產(chǎn)機(jī)器人進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，除了受到批量較小影響外，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人發(fā)展主要受到關(guān)鍵元器件價(jià)格的制約。

四是除了努力提高工業(yè)機(jī)器人性能外，我國(guó)還要大力加強(qiáng)大型、專業(yè)應(yīng)用工程軟件開(kāi)發(fā)工作。在工業(yè)機(jī)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(gè)作業(yè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，其技術(shù)性能直接影響系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)已成為制約工業(yè)機(jī)器人推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。

五是加強(qiáng)人才隊(duì)伍建設(shè)。給高技術(shù)人才創(chuàng)造發(fā)揮聰明才智的長(zhǎng)效機(jī)制，吸引人才，培養(yǎng)人才，留住人才，高新技術(shù)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)是人才的競(jìng)爭(zhēng)，沒(méi)有人才，何談發(fā)展。

（作者單位系中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心 ）