寧波智能制造產(chǎn)業(yè)研究院組合創(chuàng)新研究中心 趙新華

以機(jī)器人為核心，新一代生產(chǎn)范式

寧波智能制造產(chǎn)業(yè)研究院組合創(chuàng)新研究中心 趙新華

互聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)正改變著人們的生活方式。與此同時(shí),機(jī)器人作為工業(yè)4.0的核心技術(shù),將改變生產(chǎn)方式。機(jī)器人的應(yīng)用將整個(gè)工業(yè)從福特時(shí)代的汽車生產(chǎn)線,升級(jí)為新的以機(jī)器人為核心的生產(chǎn)范式,其內(nèi)涵包括生產(chǎn)布局、物流體系、質(zhì)量體系、供應(yīng)鏈管理、能源供給等,其外延涉及可再生制造能力、未來生產(chǎn)管理、產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式等,影響范圍之大,需要我們用新的理念重新審視。

機(jī)器人；生產(chǎn)范式；制造業(yè)

1 從福特式生產(chǎn)線談起

手工工場(chǎng)時(shí)代，所有的工作是以人為核心的生產(chǎn)范式；進(jìn)入工業(yè)時(shí)代之后的工廠，工作以能源和動(dòng)力機(jī)器為核心的生產(chǎn)范式；隨著產(chǎn)品的復(fù)雜性不斷提升，以福特汽車為代表的新型工廠，將汽車制造業(yè)升級(jí)為以生產(chǎn)線為核心的生產(chǎn)要素、其他生產(chǎn)要素（包括工人、機(jī)器、原料、產(chǎn)品等等）圍繞生產(chǎn)線進(jìn)行配置的新一代的生產(chǎn)范式。

這種以生產(chǎn)線為核心要素的生產(chǎn)范式，以管理學(xué)之父泰勒“動(dòng)作分解”等科學(xué)管理理論為基礎(chǔ)，結(jié)合由此衍生出全面追溯的6Sigma全面質(zhì)量管理體系、JIT零庫存的供應(yīng)鏈管理方法、ERP企業(yè)資源計(jì)劃企業(yè)管理實(shí)踐等一系列管理理論和方法，非常適合復(fù)雜程度高、批量大、庫存管理要求高、質(zhì)量要求高的產(chǎn)品制造要求。而汽車制造業(yè)以其產(chǎn)量超過航空航天、復(fù)雜程度超過普通產(chǎn)品、行業(yè)覆蓋度廣、節(jié)拍控制精準(zhǔn)、產(chǎn)品質(zhì)量要求達(dá)載人級(jí)安全，成為了先進(jìn)制造業(yè)的標(biāo)志性產(chǎn)業(yè)。

隨著工業(yè)機(jī)器人的不斷成熟，特別是MIB移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人、AGV自動(dòng)導(dǎo)航運(yùn)輸、LPS室內(nèi)定位技術(shù)、CNC全數(shù)控加工中心、增材制造技術(shù)等新技術(shù)的出現(xiàn)和成熟，全新一代的以機(jī)器人為核心的生產(chǎn)范式即將浮出水面，有望替代百年歷史的以生產(chǎn)線為核心的生產(chǎn)范式，引領(lǐng)下一次產(chǎn)業(yè)革命。

2 以機(jī)器人為核心的生產(chǎn)范式的內(nèi)涵

以機(jī)器人為核心的生產(chǎn)模式意味著“一切從機(jī)器人的角度思考”，生產(chǎn)布局、物流、生產(chǎn)加工、供應(yīng)鏈等方面均采用以機(jī)器人為核心的方式。

2.1 以機(jī)器人為核心的生產(chǎn)布局方式

機(jī)器人時(shí)代的布局是球形空間。手工時(shí)代，由于人的工作臺(tái)決定了工作地點(diǎn)，因此布局是點(diǎn)狀的；傳統(tǒng)的生產(chǎn)布局方式，是生產(chǎn)線線性的，因?yàn)槲锪髟O(shè)備決定了這一切；機(jī)器人生產(chǎn)時(shí)代，將是環(huán)形的，機(jī)器人的手臂的運(yùn)動(dòng)范圍是一個(gè)有限空間，所以非移動(dòng)機(jī)器人布置在中間，周邊擺放各種刀具、上下料口、貨架、半成品、加工資源，這一點(diǎn)在某機(jī)器人企業(yè)對(duì)未來工廠的描述中已經(jīng)提到。

機(jī)器人時(shí)代的連接是立體的。由于不用考慮人走動(dòng)、人的操作高度，所以輸送線的高度可以降低到最低，貼地操作，皮帶會(huì)更多、鋼結(jié)構(gòu)會(huì)更低；由于不用考慮人的操作，所以不同層之間的立體空間可以很小，很窄，而不必?fù)?dān)心碰頭等要求；在不影響通道的情況下，由于不必考慮過多的人員安全問題，立體的安裝會(huì)更多，從而出現(xiàn)更立體的工廠模式。

機(jī)器人時(shí)代的工廠是緊湊的。由于減少人的操作，所以燈光照明線路可以節(jié)約，同時(shí)人的上下樓梯等通道除了檢修可以大幅減少，為人員操作考慮的空調(diào)、降溫、通風(fēng)、勞保、除塵設(shè)施的成本可以大幅下降，從而帶來一種新的“機(jī)器人因工程學(xué)”，即在無需考慮人員的情況下如何進(jìn)行工廠布局，需要站在機(jī)器人的視角，而不是人類的視角。

2.2 以機(jī)器人為核心的物流體系

隨著工廠內(nèi)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，物流體系中人的因素會(huì)逐漸減少。Google的AGV已經(jīng)通過了沙漠測(cè)試，現(xiàn)在進(jìn)入城區(qū)測(cè)試階段；Amazon的飛行物流也在實(shí)驗(yàn)階段；沃爾瑪?shù)牡叵鹿艿垒斔驮诟淖兂鞘械目臻g布局。在機(jī)器人時(shí)代，物流體系以操作方便的機(jī)器人為最佳選擇，將帶來集裝箱/托架/盒子的標(biāo)準(zhǔn)化和智能化、電梯在內(nèi)的室內(nèi)智能物流系統(tǒng)的建立、室內(nèi)智能空間標(biāo)簽化與標(biāo)識(shí)的系統(tǒng)化等關(guān)鍵技術(shù)的突破和應(yīng)用。

同時(shí)，物流體系伴隨著追溯體系的建立，以條碼/智能條碼/隱形條碼/RFID標(biāo)簽等為代表的智能標(biāo)簽技術(shù)，將成為機(jī)器人生產(chǎn)中的標(biāo)配，并將該智能應(yīng)用一直延伸到消費(fèi)環(huán)節(jié)。

比如：某輪胎企業(yè)，現(xiàn)在在建立智能生產(chǎn)線的時(shí)候，考慮到用機(jī)器人或AGV為每個(gè)輪胎的制定位置內(nèi)嵌RFID，一方面，在生產(chǎn)過程中，該信息可以為機(jī)器人、各類物流設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備使用；另一方面，一旦輪胎出現(xiàn)事故，可以首先將信息反饋，確定質(zhì)量問題出現(xiàn)的規(guī)律，改善生產(chǎn)，形成新的生產(chǎn)者和消費(fèi)者的關(guān)系。這種情況下，如果在建立生產(chǎn)線時(shí)仍然采用以前的方式，而不能面向未來，則在未來一段時(shí)間后，會(huì)發(fā)現(xiàn)要再次更新。

2.3 以機(jī)器人為核心的質(zhì)量體系

機(jī)器人為產(chǎn)品質(zhì)量負(fù)責(zé)，可以大幅減少生產(chǎn)過程中的不確定性。但與此同時(shí)，機(jī)器人設(shè)備的定期檢驗(yàn)、校準(zhǔn)變得更加重要。同時(shí)機(jī)器人需要定期維保，通過升級(jí)軟件程序?qū)崿F(xiàn)定期安全“培訓(xùn)”。機(jī)器人用的儀表也在發(fā)生變更。現(xiàn)在的智能電表和智能水表的安裝，往往考慮了遠(yuǎn)程的讀取，而沒有給近距離機(jī)器人讀取和操作提供接口。未來智能儀表的讀取，也未必需要采用網(wǎng)絡(luò)方式，而是可以采用機(jī)器人可接受的短距通信方式，其位置也不必考慮人的讀取，而可以布局在更隱蔽的位置，不必預(yù)留查看空間。

危險(xiǎn)區(qū)域的安全管理和質(zhì)量控制也會(huì)由于機(jī)器人的介入，而更改升級(jí)為一種無人值守、定期巡查的方式。

機(jī)器人的大批量使用，也會(huì)改變工業(yè)大數(shù)據(jù)的使用方法，未來的生產(chǎn)質(zhì)量管理中，是按機(jī)器人而不是按照操作工人來統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量分布情況，自動(dòng)采集不同機(jī)器人在不同工作狀態(tài)下生產(chǎn)的產(chǎn)品的情況，根據(jù)該數(shù)據(jù)，除了可以診斷產(chǎn)品的質(zhì)量問題，同時(shí)還可以診斷機(jī)器人可能存在的磨損、故障和精度誤差等情況，這種科學(xué)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果和改進(jìn)方案在以人為中心的生產(chǎn)環(huán)境中是難以實(shí)現(xiàn)的。

2.4 以機(jī)器人為核心的供應(yīng)鏈管理

工廠內(nèi)進(jìn)行采購和銷售環(huán)節(jié)交接的將有更多機(jī)器人的參與，淘寶的收貨環(huán)節(jié)也會(huì)有更多機(jī)器人的介入。這將與當(dāng)前的臨時(shí)儲(chǔ)貨柜方法結(jié)合，成為面向未來的供應(yīng)鏈管理體系。

2.5 以機(jī)器人為核心的能源供給體系

工廠內(nèi)進(jìn)行能源供給要考慮機(jī)器人的常用方式，除現(xiàn)有的能源供給方式之外，將增加無線充電等方式，同時(shí)考慮到觸電、電磁兼容、接地安全等要求，電路的布局將重新設(shè)計(jì)。同時(shí)以氣源、真空源、蒸汽源等為動(dòng)力的操作方式也會(huì)為機(jī)器人的隨處使用提供更多的更方便的接頭。

除此之外，以機(jī)器人為核心，是一種面向未來的智能工廠的設(shè)計(jì)理念和哲學(xué)。以機(jī)器人為核心的監(jiān)控，將帶來移動(dòng)和飛行的監(jiān)控機(jī)器人；以機(jī)器人為核心的管理，將帶來隨著人移動(dòng)生產(chǎn)音頻、視頻的提示系統(tǒng)；以機(jī)器人為核心的管理，將出現(xiàn)給機(jī)器人看的二維碼生產(chǎn)看板；以機(jī)器人為核心的5S管理，將改變循環(huán)經(jīng)濟(jì)的思維模式……

3 機(jī)器人工業(yè)時(shí)代的外延

機(jī)器人為核心的生產(chǎn)范式，不僅改變工廠內(nèi)的生產(chǎn)方式，它也會(huì)改變未來對(duì)生產(chǎn)本質(zhì)的思考。

3.1 機(jī)器人是一種“可再生的制造能力”

“我們?cè)敢赓徺I機(jī)器人，產(chǎn)品型號(hào)發(fā)生變化的時(shí)候，機(jī)器人可以通過重新調(diào)整程序?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)產(chǎn)，而不必?fù)?dān)心該機(jī)器人無法適應(yīng)產(chǎn)品規(guī)格的變化?！逼髽I(yè)主購買裝備時(shí)，除了關(guān)心裝備的特性、性能、價(jià)格之外，還關(guān)心投資回收期，機(jī)器人作為一種長期可使用的、多行業(yè)可使用的裝備，具有極強(qiáng)的適應(yīng)性。

當(dāng)前的很多制造資源是不可再生的，所謂不可再生，是指一旦不再生產(chǎn)這種產(chǎn)品，那么該制造資源可以回收的價(jià)值很低，很難應(yīng)用于其他的領(lǐng)域，這造成了固定資產(chǎn)中很多無價(jià)值的資產(chǎn)。而機(jī)器人則不同，機(jī)器人是一種可再生的資產(chǎn)，如同房產(chǎn)和汽車，是一種幾乎所有行業(yè)都需要的資產(chǎn)。

在能源領(lǐng)域，可再生能源為主導(dǎo)是發(fā)達(dá)國家能源結(jié)構(gòu)未來發(fā)展的趨勢(shì)之一；在制造領(lǐng)域，以機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床為代表的可再生的制造資源為主導(dǎo)，也是目前發(fā)達(dá)國家工業(yè)化的趨勢(shì)之一，其結(jié)果是可再生能源占能源結(jié)構(gòu)的百分比從1%上升到20%～50%，機(jī)器人等可再生的制造資源將占到當(dāng)前所有制造資源的30%甚至更高。

以中國工業(yè)GDP30萬億每年為例，每10萬元年工業(yè)GDP對(duì)應(yīng)一臺(tái)機(jī)器人或數(shù)控機(jī)床，則該行業(yè)可以達(dá)到累積裝機(jī)容量在30萬億/10萬元×30%=9億臺(tái)以上，機(jī)器人等可再生制造資源的遠(yuǎn)大前景也將得到飛速的發(fā)展。

3.2 機(jī)器人改變工廠生產(chǎn)的所有制

工廠的所有者目前是以整體的方式對(duì)工廠擁有產(chǎn)權(quán)，隨著機(jī)器人的應(yīng)用，一種新型的合伙方式將可能出現(xiàn)，機(jī)器人的所有者擁有不同生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)的機(jī)器人和對(duì)應(yīng)的利潤增值。從而將整個(gè)工廠的投資，從簡(jiǎn)單的所有者投資，變更為勞者有其田的分散式所有權(quán)和經(jīng)營權(quán)模式，而這種所有制關(guān)系的升級(jí)，可能帶來的生產(chǎn)關(guān)系的變更，將如同小崗村包產(chǎn)到戶的效果。

在某大型國有企業(yè)，由于一個(gè)關(guān)鍵崗位員工的退休，造成一臺(tái)上千萬設(shè)備的閑置，同時(shí)生產(chǎn)產(chǎn)品的品質(zhì)也在下降。由于原有的師徒制在中國制造領(lǐng)域難以為繼，既不能沿用傳統(tǒng)中華文明中以尊師重教為核心理念、以師徒制為核心的知識(shí)傳承模式，又不能采用西方文明中知識(shí)私有所帶來的價(jià)值激勵(lì)體制，加之80后90后的員工對(duì)于長期進(jìn)行重復(fù)崗位技能的學(xué)習(xí)和積累有一定文化上的抵觸，所以，造成了核心know-how知識(shí)的流失。而將知識(shí)嵌入機(jī)器人，將機(jī)器人分清所有權(quán)，根據(jù)所有權(quán)決定經(jīng)營權(quán)將產(chǎn)生一個(gè)新的傳承鏈條，并帶來新的生產(chǎn)活力的釋放。

3.3 機(jī)器人改變產(chǎn)品設(shè)計(jì)方式

如同珍妮紡紗機(jī)的出現(xiàn)改變了棉和絲綢的使用比例，改變了世界貿(mào)易中服裝相關(guān)產(chǎn)品的流向 ；機(jī)器人的出現(xiàn)，將改變產(chǎn)品的形式，如便于機(jī)器人操作的把手和內(nèi)嵌鐵條的出現(xiàn)是一種方式，又如便于機(jī)器人標(biāo)識(shí)而不是讓人標(biāo)識(shí)的視覺符號(hào)系統(tǒng)。

特別的，產(chǎn)品形態(tài)將出現(xiàn)更多的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的趨勢(shì)，隨著機(jī)器人能力的提升，特別是不同企業(yè)之間機(jī)器人圖紙平臺(tái)上信息交互的信息量的提升，不同產(chǎn)品之間共享模塊，實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)、跨產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)，將成為可能。機(jī)器人會(huì)記住他所生產(chǎn)的每一件產(chǎn)品，并將之與數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行對(duì)比，一旦發(fā)現(xiàn)重復(fù)生產(chǎn)或相似的東西，模塊化設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制就會(huì)啟動(dòng)，提醒設(shè)計(jì)者可能存在的通用模塊的存在。

除了以上提到的三點(diǎn)，這種以機(jī)器人為核心的生產(chǎn)范式的外延將不斷擴(kuò)大，也將帶來專門為機(jī)器人服務(wù)的維修店、工具店、超市、金融服務(wù)、租賃模式、投資、機(jī)器人當(dāng)鋪等新的產(chǎn)業(yè)形態(tài)。在這方面，寧波已經(jīng)開始嘗試建立以機(jī)器人為核心的生產(chǎn)制造系統(tǒng)的智能制造小鎮(zhèn)，打造機(jī)器人的未來硅谷——三七市鎮(zhèn)，形成一種基于現(xiàn)實(shí)世界生態(tài)環(huán)境下的“智能制造特區(qū)”，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人以及以機(jī)器人為核心的下一代生產(chǎn)范式的“社會(huì)試驗(yàn)田”。

4 結(jié)語

一代裝備、一代工業(yè)。

每一代工業(yè)變革都是伴隨著新能源和新智能的引入。繼工業(yè)1.0以“機(jī)器換人工”機(jī)械化的蒸汽機(jī)、工業(yè)2.0以“電氣換機(jī)械”自動(dòng)化的能源原動(dòng)機(jī)、工業(yè)3.0以“成套換單臺(tái)”信息化的計(jì)算機(jī)以后，工業(yè)4.0帶給我們的是以“智能換數(shù)據(jù)”智能化的機(jī)器人。

機(jī)器人的引入，不止是技術(shù)層面的一種工具，而是一種新的生產(chǎn)方式，以“可再生制造力”為核心杠桿，改變未來工業(yè)的生態(tài)結(jié)構(gòu)。

新一代機(jī)器人的應(yīng)用，不僅是一個(gè)產(chǎn)業(yè)，而且將改變幾乎所有制造業(yè)的生產(chǎn)模式，為中國制造業(yè)實(shí)現(xiàn)彎道超越提供可能性——原有的制造模式面臨洗牌，重新定義的制造業(yè)，重新定義的起跑線，可能帶來后發(fā)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)彎道超越。

News[新聞]

工信部：建立研發(fā)下一代工業(yè)機(jī)器人國家級(jí)平臺(tái)

2015年5月21日，中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在重慶發(fā)布市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2014年中國市場(chǎng)共銷售工業(yè)機(jī)器人約5.7萬臺(tái)，較上年增長55%，約占全球銷量四分之一，連續(xù)兩年成為全球第一大工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)。其中，國內(nèi)企業(yè)銷售16945臺(tái)，比上年實(shí)際增長76.6%；外資企業(yè)在華銷售約4萬臺(tái)，較上年增長47%。應(yīng)用方面，外資產(chǎn)品主要集中在汽車、電子制造等領(lǐng)域；國產(chǎn)機(jī)器人則加快拓展應(yīng)用市場(chǎng)，已廣泛地服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)67個(gè)行業(yè)中，但是，需要注意的是，多關(guān)節(jié)的中高端機(jī)器人，我國還在大量進(jìn)口，我國自主品牌機(jī)器人還遠(yuǎn)未能滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。

對(duì)此，工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)司司長張相木表示，希望現(xiàn)今我國機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展跳出我國制造業(yè)由低端到高端的傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式，打造產(chǎn)業(yè)集聚，扶持、發(fā)展幾家可以參與國際競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)器人企業(yè)，以實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，工業(yè)和信息化部將不遺余力地支持自主品牌機(jī)器人的發(fā)展，為行業(yè)企業(yè)提供政策等各方面的支撐。

近日，工信部發(fā)布《中國制造2025》規(guī)劃系列解讀，對(duì)機(jī)器人等八個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了詳細(xì)的梳理。解讀中提出，我國將加快下一代機(jī)器人研發(fā)生產(chǎn)，搶占機(jī)器人技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的下一個(gè)制高點(diǎn)。

為此，當(dāng)前我國發(fā)展下一代機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，首先注重夯實(shí)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)，著力推動(dòng)現(xiàn)有機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，加快自主品牌機(jī)器人在國內(nèi)市場(chǎng)的推廣應(yīng)用；探索新的技術(shù)研發(fā)模式，鼓勵(lì)科研院所與企業(yè)發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，多方建立下一代工業(yè)機(jī)器人前沿、共性技術(shù)研發(fā)與儲(chǔ)備的國家級(jí)平臺(tái)；從中國的國情、需求出發(fā)，突破下一代機(jī)器人核心技術(shù)，研制出下一代機(jī)器人樣機(jī)系統(tǒng)、產(chǎn)品，并推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，搶占下一代機(jī)器人國際制高點(diǎn)；對(duì)于應(yīng)用于不同領(lǐng)域的機(jī)器人產(chǎn)品，實(shí)施不同的發(fā)展戰(zhàn)略：一方面以企業(yè)為核心，以共性技術(shù)平臺(tái)為支撐，優(yōu)先發(fā)展下一代工業(yè)機(jī)器人，推進(jìn)產(chǎn)需對(duì)接，搶占發(fā)展制高點(diǎn)；另一方面，以市場(chǎng)為導(dǎo)向，把握國內(nèi)需求特點(diǎn)，發(fā)展醫(yī)療、養(yǎng)老助殘等服務(wù)機(jī)器人和特殊服役環(huán)境下作業(yè)的特種機(jī)器人。

趙新華（1978-），男，遼寧葫蘆島人，畢業(yè)于清華大學(xué)自動(dòng)化系，現(xiàn)任寧波智能制造產(chǎn)業(yè)研究院組合創(chuàng)新研究中心主任，中國機(jī)電一體化應(yīng)用協(xié)會(huì)智能工廠分會(huì)秘書長，余姚機(jī)器換人服務(wù)中心主任，擁有制造業(yè)有十年一線生產(chǎn)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，主要研究基于機(jī)器人的下一代智能工廠的建設(shè)和實(shí)施。