我國面向智能制造的機器人技術(shù)挑戰(zhàn)與趨勢研究

周濤 余文科 李芳

摘要：工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的深化對提升中國制造業(yè)智能化意義重大，是制造業(yè)發(fā)展的迫切需求。本文介紹了應(yīng)用于智能制造領(lǐng)域的機器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，重點分析了國內(nèi)機器人特別是工業(yè)機器人核心技術(shù)、技術(shù)挑戰(zhàn)、技術(shù)風(fēng)向、行業(yè)應(yīng)用需求與發(fā)展?jié)摿?，為國家制定產(chǎn)業(yè)政策提供決策支撐，為國內(nèi)廣大機器人企業(yè)提供發(fā)展方向和參考，引導(dǎo)我國機器人產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，研究工業(yè)機器人未來發(fā)展方向，更好地助力我國智能制造業(yè)健康發(fā)展。

關(guān)鍵詞：智能制造;機器人;發(fā)展趨勢

當(dāng)前，智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常迅速，在新一輪全球工業(yè)革命的催生下，新一代信息技術(shù)與工業(yè)深度融合，機器人在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用愈加深入。制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主體，是立國之本、強國之基，占我國GDP的29.3%。我國雖然已成為世界第一制造大國，但還不是制造強國，仍存在生產(chǎn)效率偏低、產(chǎn)品質(zhì)量不高、核心的高端制造裝備進口率高等問題，因此迫切需要研究智能制造與機器人技術(shù)，加速我國制造業(yè)由中低端向高端轉(zhuǎn)型升級。

1我國面向智能制造的機器人發(fā)展水平

目前，我國智能制造領(lǐng)域機器人關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略發(fā)展重點。減速機、伺服控制和伺服電機等核心技術(shù)已紛紛被國內(nèi)頂尖廠商攻克，關(guān)鍵零部件逐步實現(xiàn)國產(chǎn)替代。國產(chǎn)工業(yè)機器人市場占有量逐步提升;關(guān)鍵零部件在機器人生產(chǎn)環(huán)節(jié)使用率逐步提高。機器人制造工藝、設(shè)計水平提升明顯，智能控制及系統(tǒng)自主技術(shù)水平也不斷提升。同時，隨著近年來國家對節(jié)能減排的重視，以及雙碳目標(biāo)的提出，機器人技術(shù)對提升工業(yè)生產(chǎn)制造綠色化起到了關(guān)鍵的作用，對進一步減少環(huán)境污染的應(yīng)用面不斷擴大，應(yīng)用程度不斷深入。制造領(lǐng)域的機器人已擴展至輕工業(yè)食品藥品加工等多行業(yè)領(lǐng)域，除汽車、電子等常見的機器人應(yīng)用行業(yè)，衛(wèi)浴、家電等多行業(yè)逐漸深化機器人應(yīng)用場景和融入程度。

2我國面向智能制造的機器人的技術(shù)挑戰(zhàn)

2.1新材料和仿生機器人

人造肌肉、柔性器件及復(fù)合型材料等成為未來機器人新型材料發(fā)展方向。感應(yīng)、移動功能的融合，能量收集和存儲功能集合的新型設(shè)計方案，可有效提升機器人設(shè)計效率;此外還需各類器件的進一步發(fā)展和對制造方案的不斷研究。仿生機器人和生物混合機器人是未來發(fā)展重點，這類機器人能量效率高、設(shè)計精巧。但生物系統(tǒng)能量提供方案的技術(shù)發(fā)展還存在很多難點。人造肌肉技術(shù)已經(jīng)取得一些進展，但轉(zhuǎn)化效率和功率密度比較差。利用細(xì)胞制造微型機器人技術(shù)同樣面臨很多困難，如零部件的整合問題。對動物能力的原理研究不夠徹底，對仿生利用也帶來困難。

2.2機器人儲能

能量儲存是機器人特別是移動機器人的一大難題，雖然電動交通工具、無人機的應(yīng)用加快了儲存技術(shù)的發(fā)展，但挑戰(zhàn)仍然巨大。另一方面，降低機器人的能耗同樣重要，或是開發(fā)從環(huán)境中獲取能量的機器人，如太陽能、風(fēng)能轉(zhuǎn)化機器人，使機器人可保障較長續(xù)航時間。

2.3集群機器人

與執(zhí)行特定任務(wù)的大型智能設(shè)備相比，將多個簡單機器人組裝成不同的結(jié)構(gòu)來處理不同的任務(wù)，可能是一種更便宜、更靈活的替代方案。利用人工智能來自由組合小型簡單的多個機器人，模擬自然界中的行為，感知周圍環(huán)境并對其進行反饋。但是，小型集群機器人可以集中控制，而大型集群機器人則需要更多的分散控制，因此需要更有效的控制方式來控制不同大小的機器人群。同時對單個機器人也需要更加強大的功能，更加“結(jié)實”，能夠適應(yīng)情景變化，并且能夠承受意外傷害。此外，還需要進一步研究具有互補功能的異構(gòu)機器人。

2.4機器人的人工智能

深度學(xué)習(xí)對機器識別模式的能力提升十分顯著，但應(yīng)注意需要將其與基于模型的推理結(jié)合起來，以創(chuàng)建可以在環(huán)境中不斷學(xué)習(xí)的自適應(yīng)機器人。實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵是創(chuàng)造能夠識別其局限性并學(xué)習(xí)如何學(xué)習(xí)新事物的人工智能。創(chuàng)建一個可以從有限數(shù)據(jù)中快速學(xué)習(xí)的系統(tǒng)也很重要，而不是從深度學(xué)習(xí)所需的數(shù)百萬個示例中學(xué)習(xí)。提高對人工智能的理解，提高人工智能的技術(shù)水平是解決這些問題的關(guān)鍵。

3面向智能制造的機器人技術(shù)風(fēng)向

3.1人機融合智能技術(shù)

人機融合技術(shù)不斷深化，標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)、柔性人機交互技術(shù)不斷發(fā)展，促進智能制造領(lǐng)域工業(yè)機器人的便捷性和可靠程度越來越高。人機融合在智能機器人生產(chǎn)設(shè)計中，越來越受到重視。當(dāng)前面世的許多人機交互機器人，已具備自適應(yīng)、快速改變的能力，更加靈活、便捷、精準(zhǔn)。人機協(xié)同既具備人類認(rèn)知能力，又具備機器人的高效率，同時提升了安全性與便捷性。隨著技術(shù)和智能制造機器人技術(shù)的日益成熟，成本可以降低很多，帶來更高經(jīng)濟效益，并可以替代傳統(tǒng)的專用設(shè)備，生產(chǎn)出調(diào)整程度高、高復(fù)雜性工藝產(chǎn)品。同時，隨著機器人技術(shù)日益成熟、智能倉儲機器人等產(chǎn)品的快速發(fā)展，智能制造機器人在汽車、電子、家具等一般行業(yè)的應(yīng)用也在不斷演進。

3.2認(rèn)知智能進一步突破，支撐智慧企業(yè)和智能工廠發(fā)展

隨著認(rèn)知智能技術(shù)的進一步突破，人工智能與機器人技術(shù)協(xié)同，將助力機器人技術(shù)更加智能高效，幫助智能機器人技術(shù)適應(yīng)更多行業(yè)的應(yīng)用。智能機器人技術(shù)可應(yīng)用到生產(chǎn)、運營、銷售、服務(wù)各個企業(yè)的運行環(huán)節(jié)中，為企業(yè)提供多樣化支撐。智能制造機器人將成為智能工廠智慧解決方案的重要工具和組成部分，有助于智能解決方案的不斷成熟和繼續(xù)優(yōu)化。近年來以人工智能技術(shù)為代表的新一代信息技術(shù)加速發(fā)展，機器人技術(shù)與新一代信息技術(shù)加速融合，制造業(yè)數(shù)字化智能化進程不斷加速。智慧工業(yè)核心在于人、機、信息技術(shù)的協(xié)作。利用機器人技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，通過感應(yīng)器件的廣泛連接，提供智能信息管理服務(wù);幫助更好掌握生產(chǎn)到銷售服務(wù)的全過程，收集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，及時進行調(diào)整，達到提升生產(chǎn)效率的效果。

3.3結(jié)合感知技術(shù)與仿生材料，智能性和適應(yīng)性不斷增強

隨著人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，以及機器人技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛和深入，促使機器人技術(shù)越來越復(fù)雜化，需要適應(yīng)的特定場景越來越多。傳統(tǒng)機器人，如編程式、遙控式機器人因為可調(diào)整程度低、功能單一和特定化，很難應(yīng)對場景變化。得益于感知技術(shù)、仿生與生物建模技術(shù)以及識別技術(shù)的不斷進步，智能機器人能夠?qū)崿F(xiàn)一個“感知-決策-行為-反饋”流程的自主運行，且仿生新材料、柔性連接結(jié)構(gòu)進一步打破了傳統(tǒng)的機械模型，提高了機器人對環(huán)境的適應(yīng)能力，在更專業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境中替代人類。

4面向智能制造的機器人行業(yè)發(fā)展措施與建議

4.1繼續(xù)加強對機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的頂層設(shè)計

當(dāng)前，機器人產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，智能機器人在各類行業(yè)的多種應(yīng)用需求巨大，未來發(fā)展前景巨大，備受政策、資本、人才和各類行業(yè)資源的關(guān)注。要把握發(fā)展機遇，充分借助政產(chǎn)學(xué)研金用深度融合優(yōu)勢，充分摸清發(fā)展態(tài)勢，排查發(fā)展問題，厘清發(fā)展思路，找到解決方向，推動中國機器人產(chǎn)業(yè)科學(xué)發(fā)展、理性發(fā)展。當(dāng)前，全球智能化趨勢全面演進，要緊跟趨勢，與國際代表性技術(shù)所屬企業(yè)、組織開展合作。政府要加強對技術(shù)前沿重點發(fā)展方向的預(yù)判、引領(lǐng)和指導(dǎo)，研判技術(shù)發(fā)展路徑、產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃路徑和實現(xiàn)路徑，完善配套政策。完善配套全鏈布局、產(chǎn)業(yè)培育、集群發(fā)展等方面的政策，做好政策銜接，更好銜接，確保政策覆蓋全面得當(dāng)，有序推進切實有用。加強對區(qū)域產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略研究和規(guī)劃指導(dǎo)，積極引導(dǎo)各地區(qū)、企業(yè)按照自身條件和優(yōu)勢，制定科學(xué)、系統(tǒng)并充分體現(xiàn)本地特征的機器人技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)、示范應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃和政策方針，促進各項資源要素向優(yōu)勢地區(qū)和企業(yè)集中，強化區(qū)域特色優(yōu)勢，全面推進我國機器人產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

4.2有效拓寬機器人企業(yè)投融資渠道

相關(guān)部門要加快設(shè)立國家產(chǎn)業(yè)咨詢基金，支持設(shè)立智能機器人領(lǐng)域有關(guān)基金，支持和幫助機器人有關(guān)行業(yè)把握產(chǎn)業(yè)發(fā)展重大機遇，提供資金支撐。加強統(tǒng)籌規(guī)劃，從國家層面加強對領(lǐng)域的整體規(guī)劃和引領(lǐng)，突出企業(yè)的主體地位，優(yōu)化資金配置設(shè)置。不斷提升各類基金對產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進的效率，確保各類支持資金、專項財政資金資助到位，加強監(jiān)管，保證高效化、規(guī)范化。切實促進機器人產(chǎn)品技術(shù)轉(zhuǎn)型升級，要繼續(xù)出臺機器人領(lǐng)域發(fā)展政策，加大支持和補助程度，應(yīng)覆蓋到產(chǎn)業(yè)研發(fā)、技術(shù)研發(fā)投入等環(huán)節(jié)，重點支持機器人企業(yè)關(guān)鍵技術(shù)和核心部件的技術(shù)的支持力度。同時還要加強對支持資金的跟蹤監(jiān)管，對使用情況進行跟蹤評估，完善有關(guān)管理規(guī)定，完善監(jiān)管工作流程，保證落實到位。

4.3持續(xù)提升機器人產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新能力

產(chǎn)業(yè)方面，要促進精密減速器、高性能伺服馬達及執(zhí)行器及高性能控制器等核心零件的品質(zhì)穩(wěn)定及量產(chǎn)化，并突破技術(shù)障礙，打破長久以來對國外產(chǎn)品的依賴性。大力發(fā)展弧焊機器人，人機協(xié)作機器人，智能公共服務(wù)機器人;手術(shù)機器人、消防機器人等具有代表性的機器人，將其推向高價值的鏈條，加快機器人技術(shù)向中高端發(fā)展。加速建立全國機器人產(chǎn)業(yè)的全國重點研發(fā)機構(gòu)。技術(shù)著重于人機交互，柔順控制，仿生功能;解決智能化關(guān)鍵共性技術(shù)與前沿技術(shù)，開辟工業(yè)化渠道，為企業(yè)的通用技術(shù)提供技術(shù)服務(wù);推動技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化、傳播和推廣。行業(yè)支撐方面，要集政策研究、產(chǎn)融合作、資源整合于一體;打造人才匯聚、標(biāo)準(zhǔn)制定、創(chuàng)業(yè)孵化等全方位的綜合性服務(wù)系統(tǒng)。

4.4積極搭建機器人行業(yè)開放式資源共享平臺

通過行業(yè)協(xié)會、學(xué)會、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟這類行業(yè)組織機構(gòu)的平臺作用，搭建更多交流合作載體，匯聚和傳播行業(yè)發(fā)展情況，匯集人才、產(chǎn)業(yè)、資本促成產(chǎn)業(yè)合作。充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)在生產(chǎn)要素配置中的優(yōu)化集成作用，將互聯(lián)網(wǎng)與機器人產(chǎn)業(yè)進行深度融合，加快形成以機器人為主體，以互聯(lián)網(wǎng)為依托，以公共服務(wù)為支撐，集政策研究、產(chǎn)融合作、資源匯聚、人才交匯、標(biāo)準(zhǔn)制定、創(chuàng)業(yè)孵化等為一體的綜合服務(wù)體系。圍繞機器人技術(shù)及產(chǎn)品的開發(fā)進行跨領(lǐng)域的溝通，推動企業(yè)間的信息交換和跨領(lǐng)域的協(xié)作，實現(xiàn)機構(gòu)和區(qū)域間的資源和信息的集成，全方位的打通創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、人才鏈、資金鏈，推動整個機器人產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。各相關(guān)行業(yè)組織要擴大對接機會，鼓勵自主創(chuàng)新，促進人才培養(yǎng);加強產(chǎn)學(xué)研合作，推進標(biāo)準(zhǔn)國際化戰(zhàn)略，加快成果轉(zhuǎn)化和驗證;加快推廣和推進機器人領(lǐng)域的代表性項目。

4.5逐步完善機器人產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和檢測認(rèn)證體系

建立健全機器人標(biāo)準(zhǔn)體系，需要提升行業(yè)參與程度，廣泛鼓勵行業(yè)骨干企業(yè)參與標(biāo)準(zhǔn)化工作，研究制定產(chǎn)業(yè)對應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。支持鼓勵標(biāo)準(zhǔn)的驗證和研究，加快制定核心技術(shù)的通用標(biāo)準(zhǔn)。加強標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)性和一致性，規(guī)范研制秩序。在機器人產(chǎn)業(yè)中，充分利用標(biāo)準(zhǔn)化檢驗與驗證作為品質(zhì)技術(shù)的基石，構(gòu)建產(chǎn)品品質(zhì)跟蹤系統(tǒng)。組織設(shè)立領(lǐng)域認(rèn)證采信制度，統(tǒng)一公開認(rèn)證結(jié)果，發(fā)揮公共監(jiān)督打造檢測認(rèn)證體系。以設(shè)立國家機器人檢測評價中心為基礎(chǔ)，完善機器人監(jiān)控體系和認(rèn)證體系建設(shè)，建立公司和產(chǎn)品貸款檔案系統(tǒng)，精簡行業(yè)競爭體系，加快機構(gòu)和機器人設(shè)置我國檢測和工作證書。通過這些手段，提升我國機器人領(lǐng)域核心競爭力和國際話語權(quán)。

4.6加快推進機器人領(lǐng)域高技能人才隊伍培養(yǎng)建設(shè)

通過知識體系和多層次應(yīng)用型培訓(xùn)助力我國機器人的發(fā)展。要深刻認(rèn)識機器人領(lǐng)域高素質(zhì)人才的重要性，加強高端技術(shù)人才培養(yǎng)。共建校企交流模式，鼓勵代表性企業(yè)與高校聯(lián)合培養(yǎng)人才，培養(yǎng)適應(yīng)行業(yè)需要的復(fù)合型高級技術(shù)人才。注重培養(yǎng)高素質(zhì)、高技能水平的機器人領(lǐng)域應(yīng)用型人才。支持行業(yè)機構(gòu)、企業(yè)和高校與產(chǎn)業(yè)集群共同合作，共商共建與我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀相匹配的人才培養(yǎng)基地。鼓勵運營型和應(yīng)用型技術(shù)人才培養(yǎng)，支撐機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展。構(gòu)建機器人行業(yè)頂尖人才監(jiān)測評價體系。聚焦關(guān)鍵能力項目，如創(chuàng)新人才提升計劃;設(shè)立頂尖人才計劃并在海外引進機器人行業(yè)的頂尖人才。進行實地調(diào)研、訪談、比較分析，定量審計等基于科學(xué)、合理、客觀的目標(biāo)按照公正公開的原則對人才進行評估和評價。努力推動建立各類人才崗位、崗位退出機制，讓人才工程發(fā)揮實際作用。

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