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【中国传动网】蔡鹤皋院士:机器人产业应走技术创新之路
2016-12-7

来源:中国传动网 微信公众号

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  我国制造业自动化程度距制造业强国尚有约10倍以上的增长空间,预计到2020年达到目前世界发达国家机器人装机密度中等水平,需增加机器人装机量130万台。


  各类机器人发展现况

  工业机器人成为推动传统制造业向数字化、智能化改造升级的重要技术。制造业是一个国家竞争力的重要标志,是国民经济实体的重要组成部分。2010年,我国的制造业总产值已经超过美国,成为世界制造大国,但还不是制造强国。因为我国制造业的生产手段落后,很多工业生产仍然是以低廉劳动力成本为主要竞争手段的劳动密集型产业发展模式,技术含量和产品附加值较低。随着我国适龄劳动力人口数量的下降和劳动力成本的提高,人口红利优势丧失,以低廉劳动力为中心的低端制造模式面临严峻挑战。我国必须加速产业结构调整,推动制造业转型升级,促进从劳动密集型模式向信息化、自动化生产方式的转变。目前,我国工业发展已进入升级转型的关键时期,要通过产业升级转型提高我国制造业的技术水平,将我国从一个制造大国建设成为一个制造强国,这是关系到国家生死存亡的大事。

  工业机器人作为高端制造装备的重要组成部分,具有明显的产业特征,工业机器人是制造业实现数字化、智能化和信息化的重要载体,机器人及以其为主体的自动化成套装备推动着制造业由密集型手工作业向信息化、自动化方向升级,是提升制造产业发展质量和竞争力的重要路径,工业机器人向数字化、智能化发展必将促进我国第三次工业革命的到来。

  服务机器人技术是服务民生科技与老龄化社会的重要技术保障。我国人口老龄化加剧、残障人口众多、社会服务水平地域差异明显,这些已成为制约我国社会和谐发展的突出问题,推动以家政服务、助老、助残和医疗机器人等为代表的民生科技快速发展迫在眉睫。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》明确将服务机器人作为未来优先发展的战略高技术。2013年我国60岁以上老龄人口数量达到2.02亿,老龄化水平达到14.8%,其中失能老人超过4000万人,老年抚养比达到21.58%。我国独有的家庭结构使传统家庭养老方式面临严峻挑战,社会养老压力加大,已成为举国上下关注的社会问题。同时,我国残疾人总数已达到8296万,发展康复辅具是帮助残障人士回归社会最有效的手段,是国家社会发展水平的重要标志之一。

  特种机器人技术成为国家战略资源勘探、公共安全与灾难救援的不可替代的技术手段,成为全面融入国计民生的重要支撑技术。一方面,我国是世界上自然灾害最为严重的国家之一,仅以地震为例,二十世纪发生的破坏性地震占全球1/3,2008年汶川地震造成直接经济损失超8000亿元;此外,我国正处于生产安全事故的高发期,屡屡发生的重特大事故更具突发性、灾难性和社会危害性,我国每年因各类事故造成的经济损失达2000亿元以上,约占GDP的2%。灾后应急处理救援的复杂性和技术性进一步增强,如何及时有效地提高救援效率和减少施救人员的伤亡,对灾后应急处理救援技术的发展提出了更高和更紧迫的要求,上述情况都使得灾难救援机器人起着越来越重要的作用。另一方面,我国社会公共安全面临更严峻的形势,国内外极端势力制造的各种恐怖事件时有发生,爆炸、核、生化成为极端分子制造事件和恐怖威胁的常用手段。对上述危险物品进行快速拆除、安全转移成为一个亟待解决的问题,促使反恐防暴机器人迅猛发展。

  在关乎国家经济、科技、国防、社会等发展战略的多项重大科技专项/工程的实施中,机器人发挥着不可替代的重要作用,引发该领域新一轮的全球竞争。在16个国家科技重大专项中,多数涉及到极端作业性能(重载、高速、高加速度、高精度等)或极端作业环境(真空、微重力、高低温、核辐射、水下等),对极端作业机器人发展提出了新的挑战,如载人航天专项中空间站机械臂和月球车、IC专项的高速工件台和晶片传输机器人、NC专项中的(航空、

  航天、船舶、汽车)制造机器人化成套工艺装备、压水堆及气冷堆核电站专项中的核电(运行、维护、应急处理等)机器人、激光约束核聚变专项中的精密定位和靶操作机器人等。在其他关乎国家发展战略的海洋、极地、新能源等的重大科技发展战略中,如海底(油气、可燃冰、矿产等)资源机器人化开采装备亟待突破;机器人远程操作技术被列为国际磁约束核聚变(ITER)专项的核心技术之一;南极全天候机器人无人值守科考站成为我国总体技术实力的一个综合展现等,机器人技术都有效支撑了国家重大专项/工程的顺利实施,发挥着不可替代的作用。

  当代机器人技术发展的特点与趋势

  当前,机器人技术的发展特点和趋势是智能化以及人与机器人的交互共融。智能化是机器人发展的第三个阶段,具有感知功能和自主行为控制功能的机器人成为发展趋势,在复杂、未知非结构环境下的环境感知和认知、自主决策和行为控制成为智能机器人发展的关键技术。与人共融是新一代机器人的共性特征。传统工业机器人的工作空间与人相隔离,采用预编程控制和示教盒交互方式,且无安全保障。新一代机器人与人工作在同一个自然空间内,协调合作紧密,需要与人进行自然交互,从而确保机器人工作的安全性。

  为了实现机器人与人的交互共融,需要解决环境理解、智能控制、行为安全和人机交互等问题。其中,环境理解问题包括机器人对自然、不可预知和复杂动态环境的感知和理解;智能控制问题就是机器人在目标及任务更加多样化、操作灵活性更高、人机合作程度更深、过程更加复杂多变情况下的智能决策与控制;行为安全问题包括机器人与人在物理界限消失、紧密接触、密切配合情况下确保人—机—物安全的技术;人机交互问题包括机器人与人之间能够相互适应且具有智能、鲁棒、友好、安全等特点的人机交互技术。

  中国的机器人产业现状

  我国已成为世界最大的机器人需求市场,产业发展前景巨大,这为我国机器人产业带来了前所未有的机遇和发展原动力。据国际机器人联合会(IFR)统计,我国每年新增进口工业机器人装机量平均以25%的速度迅猛增长,远超过全球范围内工业机器人10%的增长速度,2012年我国工业机器人装机量新增2.3万台,已经成为世界最大的工业机器人需求市场。作为衡量一个国家自动化水平的基准,每万名产业工人所拥有的工业机器人数量,2012年我国为23台,不足国际平均水平(58台)的1/2,表明我国制造业自动化程度距制造业强国尚有约10倍以上的增长空间,预计到2020年达到目前世界发达国家机器人装机密度中等水平,需增加机器人装机量130万台,直接增加产值达2500亿元,带动配套系统产值将超过7500亿元,支撑成套系统的产值将高达约2.5万亿元。

  服务机器人正在成为机器人领域最具潜力的增长点,2011年度全球服务机器人销量约为250万台,市场总值超过42亿美元,正在以20%~30%的速度增长,到2015年销售额将达到85亿美元。

  预计到2030年,我国个人/家用服务机器人产值将达到2000亿元,医疗、助老助残、娱乐等服务机器人产值将达到6000亿元。特殊环境服役机器人是一个重要的产业方向,仅以水下机器人为例,2020年我国水下作业机器人产品将达到300台套,基本满足我国海洋资源开发的需要,直接形成100亿~200亿元的产业规模。中国特定的产业结构、社会需求将产生与之相适应的机器人需求结构,为我国机器人产业的发展创造了巨大市场机遇,成为我国机器人产业迅猛发展的原动力。

  我国在20世纪80年代将机器人技术列入国家科技发展计划,30多年来,已经形成了一支具有较强创新能力的机器人研发队伍。在工业机器人、服务机器人和特种机器人等方面取得了许多标志性的研究成果,在技术上中国已具备生产工业机器人的能力:(1)成功研制出全系列工业机器人产品,包括6公斤、10公斤、20公斤、50公斤到165公斤、180公斤、210公斤、300公斤和400公斤的系列化工业机器人,中国多家企业具备了一定规模化的生产能力,并进行了小批量生产;(2)中国工业机器人的应用正在快速扩展,应用在汽车焊接线、锻压、喷涂、折弯、数控机床上下料、码垛和搬运等工业领域;(3)中国工业机器人核心部件初见成效。RV、谐波减速器、伺服电机、控制器等基础部件的性能指标达到国外同类水平,形成小批量生产能力,并在多个型号中国工业机器人中得到初步应用。我国制造的数百台工业机器人已经用于汽车工业的生产作业中。目前中国具有四百多家工业机器人制造企业和系统集成企业,其中88%是系统集成企业。但是我国还没有如安川、kuka、abb、FANUK等那样的世界巨头机器人公司的机器人制造企业。

  中国机器人产业发展之探索

  对于中国机器人产业的发展,应该注意以下几个方面。

  (1)中国机器人产业的发展要遵循市场为导向的原则。中国工业机器人产业要走向成功,就一定要从中国机器人市场需求出发,深入调查研究,只要产品对路,产品具有性价比优势,就可以赢得用户支持,逐步扩大市场,将工业机器人产业逐渐做大做强。虽然在汽车行业和电子行业,国外几家机器人厂家已经占领了很大的市场,但是中国存在大量的低端劳动密集型制造企业,这些企业对工业机器人的需求迫切,存在大面积的工业机器人应用的空白区。中国制造业对工业机器人的需求量大、面广,这为我国工业机器人产业提供了一个非常大的发展空间。

  (2)中国工业机器人产业要通过技术创新走出一条新路。基础部件是制约我国机器人产业发展的瓶颈技术,目前我国的机器人关键基础部件,如伺服电机和精密减速器等,大部分依赖进口,造成国产机器人产品的生产成本居高不下,缺乏国际竞争力。因此,我国需要加强机器人产业链的合理、有序布局,在培育更多机器人应用工程集成商的同时,加快机器人关键基础部件的研发和产业化进程。另外,中国机器人需求市场非常巨大,种类五花八门,特殊的用途和环境要求机器人具备特殊的功能和性能,例如打磨机器人需要具备柔顺机构和顺应控制功能,特种机器人要求机器人具备在极端作业环境下的适应能力,这些都可能成为技术创新的方向。目前正处在一个信息时代,我们应该强化创新驱动,通过在机器人示教、柔顺、跟踪、网络、感知、智能等方面的技术创新,提高机器人的智能化水平和作业水平,制造出适应中国市场需求的高性价比机器人。

  (3)实行官产学研用结合,整合创新资源,促进机器人产业的可持续发展。中国工业机器人已经由研究阶段进入到产业和应用阶段,在这一阶段,应以企业为主导,通过官产学研用结合,大力推进中国工业机器人产业的快速发展。政府应做好顶层设计和政策引导,制定有利于发展工业机器人产业的税收与激励政策制度,防止低水平重复和资源浪费,培育优质产品和名牌企业。调动广大产业界和科技界人士的积极性,实现我国机器人产业的有序和可持续发展。
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