机器人 第三次工业革命的另一推手

1、机器人 第三次工业革命的另一推手 以机器人为代表的智能制造是第三次工业革命的重要组成部分 经济学人2012年4月21日文章认为，智能机器人将和3d打印等一起改变传统的制造业模式，催生“第三次工业革命”。事实上，制造业革命已经发生，目前主要发达国家在汽车制造、电子制造等“精密制造”领域主要用机器人自动化生产线进行制造。机器人代表的柔性化、绿色化、数字化的智能制造是一种新的技术生产范式，已经改变了高端制造模式，并迅速向其他领域扩散，引爆了制造业的新革命。 鉴于此，世界主要发达国家纷纷布局机器人产业，以期在产业变革中占得先机。 美国机器人发展起步早，其发展思路是立足于相关机器人技术实现产业化，包括医

2、疗外科机器人及家用智能吸尘器机器人已经实现产业化发展。在过去的20多年里，美国政府先后发布了联合机器人研究计划（joint robotics program）、无人系统路线图（20092034年）、机器人战略白皮书，2011年6月美国总统奥巴马还提出nri国家机器人发展计划（nasa，nsf，nih），借机振兴美国制造业。 日本一贯将机器人技术列入国家级的研究计划和重大项目，以工业机器人、仿人娱乐机器人为突破口，采用模块化和标准化道路，近两年开始积极开展rt（机器人技术）的研究，推进服务机器人的产业化。另外经济产业省发布新产业发展战略和机器人技术战略，其中日本能源及产业技术综合开发机构（ned

3、o）资助了包括：服务机器人安全技术和验证项目（20092013）、智能机器人技术软件计划（20072011）等在内的多个项目。 欧盟2006年制定了欧洲第七框架计划（fp7），执行期从2007年至2013年，以加强机器人模块化功能部件和危险作业机器人研发；另外欧洲机器人技术研究网络还提出了20022022年欧洲机器人研究与应用的路线图（euron research roadmaps）。 韩国机器人发展强调智能机器人与现代网络相结合，制定了韩国“839”战略计划：智能服务机器人是9种核心技术之一；将智能服务机器人作为21世纪推动国家经济增长的10大发动机产业之一，2013年成为世界三大机器人生产

4、国之一。2008年、2009年相继发布智能机器人开发与普及促进法与第一次智能机器人基本计划，目标是到2018年使韩国成为全球机器人主导国家。 我国在国家中长期科学和技术发展规划纲要（20062020年）中，明确指出将服务机器人作为未来优先发展的战略高技术，科技部于2012年4月24日印发智能制造科技发展“十二五”专项规划和服务机器人科技发展“十二五”专项规划，“十二五”期间我国将把工业和服务机器人作为战略新兴产业予以重点扶持。 国外机器人产业发展现状 1954年乔治德沃尔设计出第一台可编程工业机器人，并于1961年发表了该项专利，1962年通用汽车公司将其投入使用，标志着第一代机器人诞生。20

5、世纪80年代，世界工业生产技术上的高度自动化和集成化高速发展，同时也使工业机器人得到进一步发展，并在这个时期工业机器人对世界整个工业经济的发展起到了关键性作用。目前，世界上工业机器人无论是从技术水平还是从已装配的数量上都日趋成熟，特别是以日、美为代表的少数发达国家优势更为明显。与此同时，随着应用领域的拓展以及智能化水平的提高，工业机器人的应用已从传统制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿、农业、建筑、灾难救援等非制造行业，而且在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域，机器人的应用也越来越多，如无人侦察机（飞行器）、警备机器人、医疗机器人、家用服务机器人等。机器人，己经成为世界各国抢占的高科技制

6、高点。 国内机器人产业发展现状 我国工业机器人起步于20世纪70年代初期，随着改革开放的实施与深化，其在工业自动化的发展进程中扮演着极其重要的角色。现在，我国从事机器人研发的单位有200多家，专业从事机器人产业开发的企业有50家以上。“九五”期间，在国家“863”高技术计划项目的支持下，沈阳新松机器人自动化股份有限公司、哈尔滨博实自动化设备有限责任公司、上海机电一体化工程公司、北京机械工业自动化所、四川绵阳思维焊接自动化设备有限公司等确立为智能机器人主题产业基地。国内的机器人技术研发力量已经具备了大型机器人工程设计和应用的能力，整体性能已达到国际同类产品的先进水平，并具有更好的性价比和市场竞争

7、力。目前，我国在在上海、沈阳、北京、芜湖等地建立了工业机器人及其自动化生产线工厂和产业基地，开发出一批有市场前景的，具有自主知识产权的工业机器人及其自动化生产线产品。 机器人产业发展趋势与前沿关键技术 机器人产业技术发展主要趋势为智能化、标准化、网络化。具体为：由简单机电一体化装备，向以生机电一体化和多传感器智能化等方面发展；由单一作业，向服务机器人与信息网络相结合的虚拟交互、远程操作和网络服务等方面发展；由研制单一复杂系统，向将其核心技术、核心模块嵌入于高端制造等相关装备方面发展。另外机器人的市场化要求家庭化、模块化、产业化成为未来服务机器人应用发展的趋势。机器人技术越来越向智能机器技术与系

8、统方向发展，其应用领域向助老助残、家用服务、特种服务等方面扩展，在学科发展上与生机电理论与技术、纳米制造、生物制造等学科进行交叉创新，研究的科学问题包含新材料、新感知、新控制和新认知等方面。 仿生材料与结构 自然界中生物经过亿万年长期进化，其结构与功能已达到近乎完美的程度，实现了机构与功能的统一，局部与整体的协调和统一。服务机器人作为机器人的一个重要分支，从仿生学角度出发，吸收借鉴生物系统的结构、性状、原理、行为以及相互作用，能够为机器人的功能实现提供必要的技术支撑，其中仿生皮肤、人工肌肉及结构驱动一体化设计是当前及未来服务机器人发展的重要课题。目前来看，仿生材料与机构能够为未来机器人实现多功

9、能高效率发展提供必要的技术储备，一个很重要的问题是必须具备相应的光机电微纳加工工艺及传感驱动执行一体化设计能力，这对于仿生结构材料的未来应用至关重要。 模块化自重构 模块化自重构机器人通过对多个单一的模块化智能单元进行可变构形设计、运动规划及控制，以达到提升机器人运动能力、负载能力及对环境适应能力的效果。自重构机器人的核心问题主要体现在模块的几何拓扑分布及相应的整体刚度。从自重构机器人发展的初衷来看，未来自重构机器人面临着大规模机载并行计算及结构化或是非结构化环境下长时间完全自主能力实现的挑战。 复杂环境下机器人动力学控制 随着人类探索空间的扩大及对任务需求的提高，未来机器人的工作环境将是复杂

10、多变的，高动态性、高适应性、高负载能力是机器人特别是户外机器人发展的方向之一。以机械臂为代表的工业机器人必须满足对高负载及高速的双重需求，但是高负载与高速将给机器人带来额外的影响，一方面是对外部运动生成器提出更高的要求，其生成的指令必须让内环伺服控制器能够有效执行；另一方面，大负载高速运动引起内部摩擦等非线性因素放大，传统的动力学将不再适用，从而对控制器的设计提出更高要求。 智能认知与感知 智能认知与感知是机器人与人、机器人与环境进行交互的基础，目前与机器人密切相关的智能认知感知技术包括脑生肌电认知、城市环境下移动机器人对环境的感知与识别以及智能空间等3方面。首先，在脑生肌电认知方面，研究者主

11、要是希望通过脑波、肌肉神经信号帮助残障人士操作智能轮椅、假肢等器具，以恢复其肢体功能；其次，在城市环境下移动机器人对环境的感知与识别方面，主要是为提高无人系统的自主能力提供技术支持。典型的代表是google的自动驾驶汽车项目，通过集成机载激光雷达，惯性导航设备获得自动汽车实时的位置与交互环境数据，通过机载任务控制计算机进行实时路径规划并行为决策，最终实现了实际道路的全程自主驾驶。最后，在智能空间方面，是以传感器网络为基础，目前主要是为医护人员实时监测在一个固定空间内活动的老年人或病人的身体状况提供技术支持。 研究主要集中在传感器组网通讯、高效环境信息提取重建、数据源与服务集成等方面。未来智能认

12、知与感知主要是在传感器技术发展的基础上，进行大量数据有效分类、归纳，并提取可靠有效信息，凝聚成反映人-机-环境交互关系的特征数据网，并结合人工智能的发展及高效能计算能力的实现，为机器人的智能化发展提供基础保障。 多模式网络化交互 机器人多模式网络化交互，主要体现在两个方面，一是机器人之间的组网协调，包括单一类型机器人群体及多类型机器人群体协作问题。另一方面是微电子机械系统（mems）技术、应用软件及网络通信新技术的发展催生出的新型人机交互模式。 微纳系统 机器人的一个重要应用是希望其能够在狭小空间里开展探测或是执行任务。目前，微纳型医疗机器人及军用侦察机器人正成为服务机器人研究的一个热点，而其

13、核心技术在于创新并集成多功能低功耗传感及驱动模块。 机器人产业市场及发展前景 据国际机器人联合会统计，2011年全球工业机器人市场销售达16.6万台，同比增长38%，其中中国销售2.26万台，同比增长51%。2011年中国工业机器人市场规模突破100亿元，同比增长50%以上。从应用行业角度来看，工业机器人最早应用于汽车行业，2011汽车行业工业机器人市场份额超过40%。电子、机床、食品饮料烟草为其他主要应用行业。 国际工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备而得到工业界广泛应用，从而也形成了一批在国际上较有影响力的著名工业机器人公司，这些公司目前在中国的工业机器人市场也处于领先地位，具体来

14、看又可分为“四大”及“四小”两个阵营：“四大”即为abb、fanuc、安川及kuka；“四小”为otc、松下、那智不二越及川崎。国内也涌现了一批工业机器人厂商，这些厂商中既有像新松这样的国内机器人技术的引领者，也有像南京埃斯顿、广州数控这些伺服、数控系统厂商。 目前中国工业机器人使用密度不足世界平均水平的三分之一，只是机器人使用密度高的国家如日本的二十分之一，韩国的十九分之一，德国的十七分之一，离制造业发达国家差距还很大，但是相较于中国当前工业制造业转型升级之际，对于先进工业机器人的应用领域将越来越广，所以未来中国机器人市场前景广阔。据国际机器人联合会预测，2015年全球工业机器人市场销售达2

15、0.75万台，其中中国销售3.5万台。 我国机器人产业发展建议 以机器人为代表的智能制造是第三次工业革命的重要组成部分，我国应该抓住这次机遇，制定相关政策措施，大力发展我国的机器人产业，提升我国制造业水平，加速实现我国产业结构调整和优化升级。 一是国家政策支持。国家政策支持是加速高新技术产业化的重要前提，机器人属于国家战略性高技术，是多项前沿技术和综合实力的体现，国家已经制定了一些规划，但还需进一步落实相关政策并对产业加以管理和引导。国家在资金、税收等各个方面给予一定的优惠政策，把机器人产业发展纳入到重要产业政策中，鼓励企业采用国产机器人。 二是推动产学研联盟建设，形成强大的研究、开发和应用队伍。工业机器人涉及机械、自动化、计算机、人工智能等诸多学科，只有将国内所有力量组织起来，群策群力，才能将技术研究搞上去，并与国外大公司进行竞争。 三是尽快改变关键元器件主要依赖进口的局面。成本和整体解决方案已成为企业选择工业机器人的首要因素，成本居高不下是制约国产机器人进一步发展的关键因素之一，除了受到批量较小影响外，国产机器人发展主要受到关键元器件价格的制约。 四是除了努力提高