我國面向智能制造的機器人技術(shù)挑戰與趨勢研究

摘要：工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展與應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 文介紹了應用于智能制造領(lǐng)域的機器人技術(shù)發(fā)展現狀，重點(diǎn)分析了國內機器人特別是工業(yè)機器人核心技術(shù)、技 術(shù)挑戰、技術(shù)風(fēng)向、行業(yè)應用需求與發(fā)展潛力，為國家制定產(chǎn)業(yè)政策提供決策支撐，為國內廣大機器人企業(yè)提 供發(fā)展方向和參考，引導我國機器人產(chǎn)業(yè)創(chuàng )新發(fā)展，研究工業(yè)機器人未來(lái)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(jìn)口率高等問(wèn)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)成為國家戰略發(fā)展重點(diǎn)。減速機、伺服控制和伺服電機等核心技術(shù)已紛紛被國內頂尖廠(chǎng)商攻克，關(guān)鍵零部件逐步實(shí)現國產(chǎn)替代。國產(chǎn)工業(yè)機器人市場(chǎng)占有量逐步提升；關(guān)鍵零部件在機器人生產(chǎn)環(huán)節使用率逐步提高。機器人制造工藝、設計水平提升明顯，智能控制及系統自主技術(shù)水平也不斷提升。同時(shí)，隨著(zhù)近年來(lái)國家對節能減排的重視，以及雙碳目標的提出，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(jìn)一步減少環(huán)境污染的應用面不斷擴大，應用程度不斷深入。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(chē)、電子等常見(jiàn)的機器人應用行業(yè)，衛浴、家電等多行業(yè)逐漸深化機器人應用場(chǎng)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

2.1 新材料和仿生機器人

人造肌肉、柔性器件及復合型材料等成為未來(lái)機器人新型材料發(fā)展方向。感應、移動(dòng)功能的融合，能量收集和存儲功能集合的新型設計方案，可有效提升機器人設計效率；此外還需各類(lèi)器件的進(jìn)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(lái)發(fā)展重點(diǎn)，這類(lèi)機器人能量效率高、設計精巧。但生物系統能量提供方案的技術(shù)發(fā)展還存在很多難點(diǎn)。人造肌肉技術(shù)已經(jīng)取得一些進(jìn)展，但轉化效率和功率密度比較差。利用細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(wèn)題。對動(dòng)物能力的原理研究不夠徹底，對仿生利用也帶來(lái)困難。

2.2 機器人儲能

能量?jì)Υ媸菣C器人特別是移動(dòng)機器人的一大難題，雖然電動(dòng)交通工具、無(wú)人機的應用加快了儲存技術(shù)的發(fā)展，但挑戰仍然巨大。另一方面，降低機器人的能耗同樣重要，或是開(kāi)發(fā)從環(huán)境中獲取能量的機器人，如太陽(yáng)能、風(fēng)能轉化機器人，使機器人可保障較長(cháng)續航時(shí)間。

2.3 集群機器人

與執行特定任務(wù)的大型智能設備相比，將多個(gè)簡(jiǎn)單機器人組裝成不同的結構來(lái)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(lái)自由組合小型簡(jiǎn)單的多個(gè)機器人，模擬自然界中的行為，感知周?chē)h(huán)境并對其進(jìn)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(lái)控制不同大小的機器人 群。同時(shí)對單個(gè)機器人也需要更加強大的功能，更加“結實(shí)”，能夠適應情景變化，并且能夠承受意外傷害。此外，還需要進(jìn)一步研究具有互補功能的異構機器人。

2.4 機器人的人工智能

深度學(xué)習對機器識別模式的能力提升十分顯著(zhù)，但應注意需要將其與基于模型的推理結合起來(lái)，以創(chuàng )建可以在環(huán)境中不斷學(xué)習的自適應機器人。實(shí)現這一目標的關(guān)鍵是創(chuàng )造能夠識別其局限性并學(xué)習如何學(xué)習新事物的人工智能。創(chuàng )建一個(gè)可以從有限數據中快速學(xué)習的系統也很重要，而不是從深度學(xué)習所需的數百萬(wàn)個(gè)示例中學(xué)習。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(wèn)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，標準化結構、柔性人機交互技術(shù)不斷發(fā)展，促進(jìn)智能制造領(lǐng)域工業(yè)機器人的便捷性和可靠程度越來(lái)越高。人機融合在智能機器人生產(chǎn)設計中，越來(lái)越受到重視。當前面世的許多人機交互機器人，已具備自適應、快速改變的能力，更加靈活、便捷、精準。人機協(xié)同既具備人類(lèi)認知能力，又具備機器人的高效率，同時(shí)提升了安全性與便捷性。隨著(zhù)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(lái)更高經(jīng)濟效益，并可以替代傳統的專(zhuān)用設備，生產(chǎn)出調整程度高、高復雜性工藝產(chǎn)品。同時(shí)，隨著(zhù)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(chē)、電子、家具等一般行業(yè)的應用也在不斷演進(jìn)。

3.2 認知智能進(jìn)一步突破，支撐智慧企業(yè)和智能工廠(chǎng)發(fā)展

隨著(zhù)認知智能技術(shù)的進(jìn)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)適應更多行業(yè)的應用。智能機器人技術(shù)可應用到生產(chǎn)、運營(yíng)、銷(xiāo)售、服務(wù)各個(gè)企業(yè)的運行環(huán)節中，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(chǎng)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優(yōu)化。近年來(lái)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)數字化智能化進(jìn)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)結合，通過(guò)感應器件的廣泛連接，提供智能信息管理服務(wù)；幫助更好掌握生產(chǎn)到銷(xiāo)售服務(wù)的全過(guò)程，收集生產(chǎn)線(xiàn)數據，及時(shí)進(jìn)行調整，達到提升生產(chǎn)效率的效果。

3.3 結合感知技術(shù)與仿生材料，智能性和適應性不斷增強

隨著(zhù)人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，以及機器人技術(shù)應用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛和深入，促使機器人技術(shù)越來(lái)越復雜化，需要適應的特定場(chǎng)景越來(lái)越多。傳統機器人，如編程式、遙控式機器人因為可調整程度低、功能單一和特定化，很難應對場(chǎng)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(jìn)步，智能機器人能夠實(shí)現一個(gè)“感知 - 決策 - 行為 - 反饋”流程的自主 運行，且仿生新材料、柔性連接結構進(jìn)一步打破了傳統的機械模型，提高了機器人對環(huán)境的適應能力，在更專(zhuān)業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境中替代人類(lèi)。

4 面向智能制造的機器人行業(yè)發(fā)展措施與建議

4.1 繼續加強對機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的頂層設計

當前，機器人產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，智能機器人在各類(lèi)行業(yè)的多種應用需求巨大，未來(lái)發(fā)展前景巨大，備受政策、資本、人才和各類(lèi)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(wèn)題，厘清發(fā)展思路，找到解決方向，推動(dòng)中國機器人產(chǎn)業(yè)科學(xué)發(fā)展、理性發(fā)展。當前，全球智能化趨勢全面演進(jìn)，要緊跟趨勢，與國際代表性技術(shù)所屬企業(yè)、組織開(kāi)展合作。政府要加強對技術(shù)前沿重點(diǎn)發(fā)展方向的預判、引領(lǐng)和指導，研判技術(shù)發(fā)展路徑、產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃路徑和實(shí)現路徑，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，有序推進(jìn)切實(shí)有用。加強對區域產(chǎn)業(yè)的戰略研究和規劃指導，積極引導各地區、企業(yè)按照自身條件和優(yōu)勢，制定科學(xué)、系統并充分體現本地特征的機器人技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)、示范應用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃和政策方針，促進(jìn)各項資源要素向優(yōu) 勢地區和企業(yè)集中，強化區域特色優(yōu)勢，全面推進(jìn)我國機器人產(chǎn)業(yè)健康可持續發(fā)展。

4.2 有效拓寬機器人企業(yè)投融資渠道

相關(guān)部門(mén)要加快設立國家產(chǎn)業(yè)咨詢(xún)基金，支持設立智能機器人領(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。加強統籌規劃，從國家層面加強對領(lǐng)域的整體規劃和引領(lǐng)，突出企業(yè)的主體地位，優(yōu)化資金配置設置。不斷提升各類(lèi)基金對產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)的效率，確保各類(lèi)支持資金、專(zhuān)項財政資金資助到位，加強監管，保證高效化、規范化。切實(shí)促進(jìn)機器人產(chǎn)品技術(shù)轉型升級，要繼續出臺機器人領(lǐng)域發(fā)展政策，加大支持和補助程度，應覆蓋到產(chǎn)業(yè)研發(fā)、技術(shù)研發(fā)投入等環(huán)節，重點(diǎn)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(shí)還要加強對支持資金的跟蹤監管，對使用情況進(jìn)行跟蹤評估，完善有關(guān)管理規定，完善監管工作流程，保證落實(shí)到位。

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

產(chǎn)業(yè)方面，要促進(jìn)精密減速器、高性能伺服馬達及執行器及高性能控制器等核心零件的品質(zhì)穩定及量產(chǎn)化，并突破技術(shù)障礙，打破長(cháng)久以來(lái)對國外產(chǎn)品的依賴(lài)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(jià)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(diǎn)研發(fā)機 構。技術(shù)著(zhù)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(kāi)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(dòng)技術(shù)成果的轉化、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、標準制定、創(chuàng )業(yè)孵化等全方位的綜合性服務(wù)系統。

4.4 積極搭建機器人行業(yè)開(kāi)放式資源共享平臺

通過(guò)行業(yè)協(xié)會(huì )、學(xué)會(huì )、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟這類(lèi)行業(yè)組織機構的平臺作用，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(jìn)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、標準制定、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(kāi)發(fā)進(jìn)行跨領(lǐng)域的溝通，推動(dòng)企業(yè)間的信息交換和跨領(lǐng)域的協(xié)作，實(shí)現機構和區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(dòng)整個(gè)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(huì )，鼓勵自主創(chuàng )新，促進(jìn)人才培養；加強產(chǎn)學(xué)研合作，推進(jìn)標準國際化戰略，加快成果轉化和驗證；加快推廣和推進(jìn)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)標準和檢測認證體系

建立健全機器人標準體系，需要提升行業(yè)參與程度，廣泛鼓勵行業(yè)骨干企業(yè)參與標準化工作，研究制定產(chǎn)業(yè)對應的國家標準、行業(yè)標準等。支持鼓勵標準的驗證和研究，加快制定核心技術(shù)的通用標準。加強標準的協(xié)調性和一致性，規范研制秩序。在機器人產(chǎn)業(yè)中，充分利用標準化檢驗與驗證作為品質(zhì)技術(shù)的基石，構建產(chǎn)品品質(zhì)跟蹤系統。組織設立領(lǐng)域認證采信制度，統一公開(kāi)認證結果，發(fā)揮公共監督打造檢測認證體系。以設立國家機器人檢測評價(jià)中心為基礎，完善機器人監控體系和認證體系建設，建立公司和產(chǎn)品貸款檔案系統，精簡(jiǎn)行業(yè)競爭體系，加快機構和機器人設置我國檢測和工作證書(shū)。通過(guò)這些手段，提升我國機器人領(lǐng)域核心競爭力和國際話(huà)語(yǔ)權。

4.6 加快推進(jìn)機器人領(lǐng)域高技能人才隊伍培養建設

通過(guò)知識體系和多層次應用型培訓助力我國機器人的發(fā)展。要深刻認識機器人領(lǐng)域高素質(zhì)人才的重要性，加強高端技術(shù)人才培養。共建校企交流模式，鼓勵代表性企業(yè)與高校聯(lián)合培養人才，培養適應行業(yè)需要的復合型高級技術(shù)人才。注重培養高素質(zhì)、高技能水平的機器人領(lǐng)域應用型人才。支持行業(yè)機構、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)展現狀相匹配的人才培養基地。鼓勵運營(yíng)型和應用型技術(shù)人才培養，支撐機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展。構建機器人行業(yè)頂尖人才監測評價(jià)體系。聚焦關(guān)鍵能力項目，如創(chuàng )新人才提升計劃；設立頂尖人才計劃并在海外引進(jìn)機器人行業(yè)的頂尖人才。進(jìn)行實(shí)地調研、訪(fǎng)談、 比較分析，定量審計等基于科學(xué)、合理、客觀(guān)的目標按照公正公開(kāi)的原則對人才進(jìn)行評估和評價(jià)。努力推動(dòng)建立各類(lèi)人才崗位、崗位退出機制，讓人才工程發(fā)揮實(shí)際作用。

參考文獻：

[1] 張臨紅.《推進(jìn)經(jīng)濟轉型——中國制造業(yè)企業(yè)轉型升級和走出去調研報告》在廣州發(fā)布[J].新經(jīng)濟,2018(1):3.

[2] 王田苗,陶永.我國工業(yè)機器人技術(shù)現狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰略[J].機械工程學(xué)報,2014,50(9):13.

[3] 前瞻產(chǎn)業(yè)研究院.工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)布局及市場(chǎng)規模分析[J].中國包裝,2019,39(4):2.

[4] 物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟.物聯(lián)網(wǎng)接入制造業(yè)打造智慧工廠(chǎng)[J].計算機光盤(pán)軟件與應用,2013(5):1.

[5] 陳騫.智能時(shí)代全球制造業(yè)發(fā)展特點(diǎn)解析[J].上海信息化,2020(10):3.

[6] 郭進(jìn).全球智能制造業(yè)發(fā)展現狀,趨勢與啟示[J].經(jīng)濟研究參考,2020(5):12.

[7] 馬雪峰,陳曉明,許朝山.智能制造機械行業(yè)人才需求與職業(yè)院校專(zhuān)業(yè)設置匹配分析[J].中國職業(yè)技術(shù)教育,2020,45(11):6-16.

(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》2022年7月期)