我國(guó)面向智能制造的機(jī)器人技術(shù)挑戰(zhàn)與趨勢(shì)研究

摘要：工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的深化對(duì)提升中國(guó)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(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析了國(guó)內(nèi)機(jī)器人特別是工業(yè)機(jī)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Γ瑸閲?guó)家制定產(chǎn)業(yè)政策提供決策支撐，為國(guó)內(nèi)廣大機(jī)器人企業(yè)提 供發(fā)展方向和參考，引導(dǎo)我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，研究工業(yè)機(jī)器人未來(lái)發(fā)展方向，更好地助力我國(guó)智能制造 業(yè)健康發(fā)展。

關(guān)鍵詞：智能制造；機(jī)器人；發(fā)展趨勢(shì)

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(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用愈加深入。制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國(guó)之本、強(qiáng)國(guó)之基，占我國(guó) GDP 的 29.3%。我國(guó)雖然已成為世界第一制造大國(guó)，但還不是制造強(qiáng)國(guó)，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(jī)器人技術(shù)，加速我國(guó)制造業(yè)由中低端向高端轉(zhuǎn)型升級(jí)。

1 我國(guó)面向智能制造的機(jī)器人發(fā)展水平

目前，我國(guó)智能制造領(lǐng)域機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)已經(jīng)成為國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展重點(diǎn)。減速機(jī)、伺服控制和伺服電機(jī)等核心技術(shù)已紛紛被國(guó)內(nèi)頂尖廠商攻克，關(guān)鍵零部件逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代。國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)占有量逐步提升；關(guān)鍵零部件在機(jī)器人生產(chǎn)環(huán)節(jié)使用率逐步提高。機(jī)器人制造工藝、設(shè)計(jì)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(shí)，隨著近年來(lái)國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的重視，以及雙碳目標(biāo)的提出，機(jī)器人技術(shù)對(duì)提升工業(yè)生產(chǎn)制造綠色化起到了關(guān)鍵的作用，對(duì)進(jìn)一步減少環(huán)境污染的應(yīng)用面不斷擴(kuò)大，應(yīng)用程度不斷深入。制造領(lǐng)域的機(jī)器人已擴(kuò)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(jiàn)的機(jī)器人應(yīng)用行業(yè)，衛(wèi)浴、家電等多行業(yè)逐漸深化機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景和融入程度。

2 我國(guó)面向智能制造的機(jī)器人的技術(shù)挑戰(zhàn)

2.1 新材料和仿生機(jī)器人

人造肌肉、柔性器件及復(fù)合型材料等成為未來(lái)機(jī)器人新型材料發(fā)展方向。感應(yīng)、移動(dòng)功能的融合，能量收集和存儲(chǔ)功能集合的新型設(shè)計(jì)方案，可有效提升機(jī)器人設(shè)計(jì)效率；此外還需各類器件的進(jìn)一步發(fā)展和對(duì)制造方案的不斷研究。仿生機(jī)器人和生物混合機(jī)器人是未來(lái)發(fā)展重點(diǎn)，這類機(jī)器人能量效率高、設(shè)計(jì)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(diǎn)。人造肌肉技術(shù)已經(jīng)取得一些進(jìn)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(jī)器人技術(shù)同樣面臨很多困難，如零部件的整合問(wèn)題。對(duì)動(dòng)物能力的原理研究不夠徹底，對(duì)仿生利用也帶來(lái)困難。

2.2 機(jī)器人儲(chǔ)能

能量?jī)?chǔ)存是機(jī)器人特別是移動(dòng)機(jī)器人的一大難題，雖然電動(dòng)交通工具、無(wú)人機(jī)的應(yīng)用加快了儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展，但挑戰(zhàn)仍然巨大。另一方面，降低機(jī)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(jī)器人，如太陽(yáng)能、風(fēng)能轉(zhuǎn)化機(jī)器人，使機(jī)器人可保障較長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間。

2.3 集群機(jī)器人

與執(zhí)行特定任務(wù)的大型智能設(shè)備相比，將多個(gè)簡(jiǎn)單機(jī)器人組裝成不同的結(jié)構(gòu)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(jī)器人，模擬自然界中的行為，感知周圍環(huán)境并對(duì)其進(jìn)行反饋。但是，小型集群機(jī)器人可以集中控制，而大型集群機(jī)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(jī)器人 群。同時(shí)對(duì)單個(gè)機(jī)器人也需要更加強(qiáng)大的功能，更加“結(jié)實(shí)”，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(jìn)一步研究具有互補(bǔ)功能的異構(gòu)機(jī)器人。

2.4 機(jī)器人的人工智能

深度學(xué)習(xí)對(duì)機(jī)器識(shí)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(lái)，以創(chuàng)建可以在環(huán)境中不斷學(xué)習(xí)的自適應(yīng)機(jī)器人。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵是創(chuàng)造能夠識(shí)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(gè)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(wàn)個(gè)示例中學(xué)習(xí)。提高對(duì)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(jī)器人技術(shù)風(fēng)向

3.1 人機(jī)融合智能技術(shù)

人機(jī)融合技術(shù)不斷深化，標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)、柔性人機(jī)交互技術(shù)不斷發(fā)展，促進(jìn)智能制造領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器人的便捷性和可靠程度越來(lái)越高。人機(jī)融合在智能機(jī)器人生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，越來(lái)越受到重視。當(dāng)前面世的許多人機(jī)交互機(jī)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(jī)協(xié)同既具備人類認(rèn)知能力，又具備機(jī)器人的高效率，同時(shí)提升了安全性與便捷性。隨著技術(shù)和智能制造機(jī)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(jì)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(shí)，隨著機(jī)器人技術(shù)日益成熟、智能倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人等產(chǎn)品的快速發(fā)展，智能制造機(jī)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(jìn)。

3.2 認(rèn)知智能進(jìn)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(jìn)一步突破，人工智能與機(jī)器人技術(shù)協(xié)同，將助力機(jī)器人技術(shù)更加智能高效，幫助智能機(jī)器人技術(shù)適應(yīng)更多行業(yè)的應(yīng)用。智能機(jī)器人技術(shù)可應(yīng)用到生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)、銷售、服務(wù)各個(gè)企業(yè)的運(yùn)行環(huán)節(jié)中，為企業(yè)提供多樣化支撐。智能制造機(jī)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(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(jī)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(jìn)程不斷加速。智慧工業(yè)核心在于人、機(jī)、信息技術(shù)的協(xié)作。利用機(jī)器人技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，通過(guò)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(guò)程，收集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，達(dá)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(qiáng)

隨著人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，以及機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛和深入，促使機(jī)器人技術(shù)越來(lái)越復(fù)雜化，需要適應(yīng)的特定場(chǎng)景越來(lái)越多。傳統(tǒng)機(jī)器人，如編程式、遙控式機(jī)器人因?yàn)榭烧{(diào)整程度低、功能單一和特定化，很難應(yīng)對(duì)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(shí)別技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)“感知 - 決策 - 行為 - 反饋”流程的自主 運(yùn)行，且仿生新材料、柔性連接結(jié)構(gòu)進(jìn)一步打破了傳統(tǒng)的機(jī)械模型，提高了機(jī)器人對(duì)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(jī)器人行業(yè)發(fā)展措施與建議

4.1 繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的頂層設(shè)計(jì)

當(dāng)前，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，智能機(jī)器人在各類行業(yè)的多種應(yīng)用需求巨大，未來(lái)發(fā)展前景巨大，備受政策、資本、人才和各類行業(yè)資源的關(guān)注。要把握發(fā)展機(jī)遇，充分借助政產(chǎn)學(xué)研金用深度融合優(yōu)勢(shì)，充分摸清發(fā)展態(tài)勢(shì)，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(guó)機(jī)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(shì)全面演進(jìn)，要緊跟趨勢(shì)，與國(guó)際代表性技術(shù)所屬企業(yè)、組織開(kāi)展合作。政府要加強(qiáng)對(duì)技術(shù)前沿重點(diǎn)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(shí)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(jìn)切實(shí)有用。加強(qiáng)對(duì)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?xiàng)l件和優(yōu)勢(shì)，制定科學(xué)、系統(tǒng)并充分體現(xiàn)本地特征的機(jī)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(jìn)各項(xiàng)資源要素向優(yōu) 勢(shì)地區(qū)和企業(yè)集中，強(qiáng)化區(qū)域特色優(yōu)勢(shì)，全面推進(jìn)我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

4.2 有效拓寬機(jī)器人企業(yè)投融資渠道

相關(guān)部門(mén)要加快設(shè)立國(guó)家產(chǎn)業(yè)咨詢基金，支持設(shè)立智能機(jī)器人領(lǐng)域有關(guān)基金，支持和幫助機(jī)器人有關(guān)行業(yè)把握產(chǎn)業(yè)發(fā)展重大機(jī)遇，提供資金支撐。加強(qiáng)統(tǒng)籌規(guī)劃，從國(guó)家層面加強(qiáng)對(duì)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(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)的效率，確保各類支持資金、專項(xiàng)財(cái)政資金資助到位，加強(qiáng)監(jiān)管，保證高效化、規(guī)范化。切實(shí)促進(jìn)機(jī)器人產(chǎn)品技術(shù)轉(zhuǎn)型升級(jí)，要繼續(xù)出臺(tái)機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展政策，加大支持和補(bǔ)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(diǎn)支持機(jī)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(qiáng)對(duì)支持資金的跟蹤監(jiān)管，對(duì)使用情況進(jìn)行跟蹤評(píng)估，完善有關(guān)管理規(guī)定，完善監(jiān)管工作流程，保證落實(shí)到位。

4.3 持續(xù)提升機(jī)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(dá)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(zhǎng)久以來(lái)對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的依賴性。大力發(fā)展弧焊機(jī)器人，人機(jī)協(xié)作機(jī)器人，智能公共服務(wù)機(jī)器人；手術(shù)機(jī)器人、消防機(jī)器人等具有代表性的機(jī)器人，將其推向高價(jià)值的鏈條，加快機(jī)器人技術(shù)向中高端發(fā)展。加速建立全國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的全國(guó)重點(diǎn)研發(fā)機(jī) 構(gòu)。技術(shù)著重于人機(jī)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(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(jī)器人行業(yè)開(kāi)放式資源共享平臺(tái)

通過(guò)行業(yè)協(xié)會(huì)、學(xué)會(huì)、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟這類行業(yè)組織機(jī)構(gòu)的平臺(tái)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(jī)器人產(chǎn)業(yè)進(jìn)行深度融合，加快形成以機(jī)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(jī)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(xiàn)機(jī)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(dòng)整個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。各相關(guān)行業(yè)組織要擴(kuò)大對(duì)接機(jī)會(huì)，鼓勵(lì)自主創(chuàng)新，促進(jìn)人才培養(yǎng)；加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際化戰(zhàn)略，加快成果轉(zhuǎn)化和驗(yàn)證；加快推廣和推進(jìn)機(jī)器人領(lǐng)域的代表性項(xiàng)目。

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

建立健全機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系，需要提升行業(yè)參與程度，廣泛鼓勵(lì)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(duì)應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。支持鼓勵(lì)標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證和研究，加快制定核心技術(shù)的通用標(biāo)準(zhǔn)。加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)性和一致性，規(guī)范研制秩序。在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)中，充分利用標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn)與驗(yàn)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(kāi)認(rèn)證結(jié)果，發(fā)揮公共監(jiān)督打造檢測(cè)認(rèn)證體系。以設(shè)立國(guó)家機(jī)器人檢測(cè)評(píng)價(jià)中心為基礎(chǔ)，完善機(jī)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(jiǎn)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)體系，加快機(jī)構(gòu)和機(jī)器人設(shè)置我國(guó)檢測(cè)和工作證書(shū)。通過(guò)這些手段，提升我國(guó)機(jī)器人領(lǐng)域核心競(jìng)爭(zhēng)力和國(guó)際話語(yǔ)權(quán)。

4.6 加快推進(jìn)機(jī)器人領(lǐng)域高技能人才隊(duì)伍培養(yǎng)建設(shè)

通過(guò)知識(shí)體系和多層次應(yīng)用型培訓(xùn)助力我國(guó)機(jī)器人的發(fā)展。要深刻認(rèn)識(shí)機(jī)器人領(lǐng)域高素質(zhì)人才的重要性，加強(qiáng)高端技術(shù)人才培養(yǎng)。共建校企交流模式，鼓勵(lì)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(jí)技術(shù)人才。注重培養(yǎng)高素質(zhì)、高技能水平的機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用型人才。支持行業(yè)機(jī)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(guó)機(jī)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(lì)運(yùn)營(yíng)型和應(yīng)用型技術(shù)人才培養(yǎng)，支撐機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展。構(gòu)建機(jī)器人行業(yè)頂尖人才監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)體系。聚焦關(guān)鍵能力項(xiàng)目，如創(chuàng)新人才提升計(jì)劃；設(shè)立頂尖人才計(jì)劃并在海外引進(jìn)機(jī)器人行業(yè)的頂尖人才。進(jìn)行實(shí)地調(diào)研、訪談、 比較分析，定量審計(jì)等基于科學(xué)、合理、客觀的目標(biāo)按照公正公開(kāi)的原則對(duì)人才進(jìn)行評(píng)估和評(píng)價(jià)。努力推動(dòng)建立各類人才崗位、崗位退出機(jī)制，讓人才工程發(fā)揮實(shí)際作用。

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(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》2022年7月期)