美国机器人技术路线图:支撑“制造业再回归”应用实践

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楼主 2020-05-27 16:23:54
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作者: 韩峰涛

责任编辑:雷蓉,张锋

来源:微言创新(ID:InnoTalk),微言创新由上海科学院规划研究处和上海产业技术研究院战略咨询中心出品,专注产业创新领域研究。

2016年11月,以加州大学圣迭戈分校和卡耐基梅隆大学为首的美国19所大学在美国科学基金会的赞助下,联合发布了《美国机器人技术路线图:从互联网到机器人》(后文简称《路线图》),总结机器人技术目前的发展机会、面临的挑战及解决方案。从本期开始,我们将结合路线图,分别介绍和解读机器人在制造转型、用户服务、医疗保健、公共安全、空间探索五大领域的发展概况。


“制造业再回归”已经成为美国政产学研的共识,这种回归代表新的生产力、质量和模式,是质的变革。2016年美国机器人技术路线图针对机器人和自动化在制造业领域的战略意义、应用领域、关键能力和发展路线图,进行了明确阐释。


一、战略意义

1.美国制造业面临的挑战

目前,美国制造业生产总值占GDP的12%,从业人数占总就业人口的9%,同时70%的出口与制造业相关。过去三十年,虽然美国制造业逐渐向东亚、南美转移,但得益于领先的水平,生产率却提高了一倍,始终领先于主要贸易伙伴。经历金融危机后,美国社会越发认识到制造业是经济健康发展的核心。

但美国制造业也面临一些挑战:(1)社会老龄化导致的劳动人口减少,保险和医疗负担增加;(2)人们不愿从事低水平的重复劳动;(3)下一代产品的小型化、复杂化和更短的生命周期(如微电子,纳米、微型组装),对精度、可靠性和生产的柔性提出更高要求,传统劳动密集型生产无法胜任;(4)欧洲、中国、日本等国家和地区持续加大对机器人技术研究的投入,美国制造业企业的领先优势正在慢慢变小。

2.机器人和自动化对制造业的重要作用

美国机器人产业(包括系统集成)的市场总值达到300亿美元,企业年均增长率9%,在制造业中增长较快。大力发展机器人技术可以产生以下优势:将知识产权和财富留在美国;提高企业竞争力;提供研发、生产、维护和操作机器人的工作岗位;充分发挥人机协作优势,提升生产效率;改进工作环境,减少医疗开支;增强生产线的快速响应能力,缩短量产时间。

3.机器人的“消费化”

《路线图》中提到,手机、电脑通过进入消费市场,促进产业资金投入,从而扩大了技术研发和批量生产规模,降低成本,扩大市场,并创造了新的企业。同样,培育机器人消费市场,对产业发展非常重要,如微软的kinect交互系统,本是为游戏开发的语音和动作识别功能,最后扩展到社会和商业领域的更多应用。

4.制造业图灵机——从物理制造流程到抽象制造模型

图灵机是现代计算机的理论基础,《路线图》提出“将图灵机引入制造业(put the Turing into ManufacTuring)”,即通过一个标准的抽象的数学和算法模型来描述所有人类商品的制造过程。这个抽象模型应该独立于被制造的产品本身及所使用的生产线,只关注产品的制造过程,就好比计算两个数字之和的算法与你计算时所使用的铅笔种类无关。制造业图灵机的基本元素是机器人及其配套的标准自动化设备(上料机、定位设施等)。未来,手机的生产过程可以用某种标准语言来描述,只要遵从同一标准,不管使用哪款机器人都能制造出同样的手机。


二、应用领域

针对未来的标准化流程制造、小批量个性制造以及快速供应链重构等场景,《路线图》描绘了机器人及自动化在制造业领域的三个典型应用:

1. 流水线辅助机器人

未来的流水线制造能根据市场需求的变化快速调整生产线,即柔性制造。机器人能快速的配置于生产,并根据不同工艺方便的设置参数,使制造变得非常灵活,成本降低。这种机器人主要应用在汽车、消费电子等大规模生产领域。

2. 独特离散部件的制造与组装

对于小批量的个性化制造,人机协作使制造速度更加快捷,成本更加低廉。运用视觉、语音和手势识别能力,机器人可与人无缝协作,充分发挥其快速、灵活、可靠、高精度、高负载、环境耐受性强的优点。这类机器人主要用于某些专业设备(如医疗器械)或小规模生产领域。

3. 快速、集成且基于模型的供应链设计

遇到供应商变更等突发问题时,总部工程师只需对供应链模型进行调整,便可完成“生产-分配-装箱供应-分销”整个供应链的快速转变,其中,机器人起到了重要作用。


三、关键能力和发展路线图

《路线图》描绘了未来制造业所需的关键能力和关键技术,包括:自适应与可重构的生产线、自主导航技术、非结构化环境感知技术、类人灵巧操作、绿色制造技术、基于模型的供应链设计、纳米制造,及机器人民主化的推进。

1.自适应与可重构的生产线

为满足产品多样性、个性化、快速响应市场的需求,引入以工业机器人为核心的若干子系统,这些子系统可以根据新产品的设计要求快速搭建新的完整的生产线,在很短时间内进行新产品的生产。

自适应与可重构的生产线路线图

笔者认为,《路线图》给出的5年计划有些激进,15年计划将有很大的实现可能。

2.自主导航与环境感知

严格意义上来讲,当前的工业机器人只能说是一种具备高度灵活性的专用设备。增强机器人的环境感知能力,能提升安全性,运用多种方式检测当前运动轨迹是否会对人类造成伤害;提高自主导航能力,能自主移动到多个作业点执行任务;提高智能化水平,能利用视觉、触觉等传感器自主操控其他设备,等等。

自主导航与环境感知路线图

3.类人灵巧操作

机器人的手臂与手掌在速度与强度方面已超过人类,但在完成高灵巧任务时还存在差距,主要在于感知、规划和控制等关键技术。

类人灵巧操作路线图

4.基于模型的供应链整合与设计

计算机与信息技术的发展将使物理制造过程模型化,实现系统和组件的互操作性,产品具有更高的质量和可靠性,更低的成本和更快的交付。

基于模型的供应链整合与设计路线图

5.纳米制造

未来,随着非硅微系统技术及仿生合成技术的进步,经典的CMOS(基于互补金属氧化物半导体)集成电路与计算模式将被新的纳米制造方式取代。

纳米制造路线图

6.机器人民主化:本质安全的机器人伙伴

《路线图》提出了一个很有意思的概念——机器人民主化(Democratization of robots),指的是让广大民众了解机器人。

我们希望机器人从内在来说是安全的,无论花费什么代价,对人类必须是无害的,但另一方面又在利益的驱使下制造出没有安全自锁装置的机器人。其实任何人类制造的产品,都无法保证在任何情况下都安全无害,包括机器人。在这种技术限制下,推行机器人民主化,提升整个社会的认知水平,提高民众对机器人危险性的接受程度,有利于从非技术角度加快机器人的普及。

以汽车为例,如今我们已经不再对飞驰而过的汽车感到害怕,不是因为驾驶或乘坐汽车已经百分之百安全,而是因为经过上百年的发展,我们已经创造了合理的交通系统,愿意在享受便利的同时承担风险,这就是汽车民主化的好处。在制造业中推进机器人民主化,必需引入类似交通系统的风险和责任评估模型。随着机器人数量的增加,自然语言编程、控制技术以及材料技术的进步,机器人民主化的进程也将加速。

机器人民主化路线图


四、对国内的启示

三十多年来,中国凭借低廉的劳动力成本在劳动密集型低端制造业取得了巨大成就。但由于低端制造业门槛低,很容易向劳动成本更低的国家发生转移,中国制造业目前面临的挑战远甚于美国。美国重视机器人技术是为了维持并提高原有的高水平生产力,对已有制造业企业的影响较小。而中国要走的是一条淘汰落后产能,并向中高端制造业转型的艰难变革之路。

值得庆幸的是,飞速发展的机器人技术可以帮助我们减少行业改革的阵痛。巨大的国内市场容量、强大的财政支持力度以及当前国内特有的工程师红利,都为国产机器人企业的发展提供了良好支撑。另一方面,在很多地方政府眼里,机器人技术仍属于“新兴”战略领域,但在国外已经发展了几十年。不搞一窝蜂,不搞区别对待,不炒作新概念,不捧杀企业家和创业者,营造健康的市场环境,培育市场化的公司,才能直面外资企业的竞争,让中国机器人真正成为我国制造业战略升级的基石。



作者简介

韩峰涛,珞石科技研发总监,专注于轻型高性能工业机器




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