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                  中文 English
                  工業之魂機器人,制造業的今日明珠
                  作者:陳根      日期:2021.04.09
                  機器人,當代的工業之魂。

                  考察過近代工業制造的發展歷程,就可以理解機器對加工制造業的意義之重。1784年,蒸汽機的誕生成為第一次工業革命的里程碑,由此產生了新一代的蒸汽動力引擎,帶動了第一次工業革命。蒸汽動力引擎是結合了工、技、貿的“科技化+工業化”,奠定了工業時代成功的基礎。

                  同樣的,在今天,科技化與工業化的結合也會促進新一時期工業時代的發展。在以信息化、數字化為特征的新興技術里,工業機器人的力量不可小覷——工業機器人扮演了怎樣的角色?工業機器人只是純粹的技術嗎?發展工業機器人,又需要面對多少挑戰?



                  工業機器人的最大貢獻

                  工業機器人是面向工業的多關節機械手或多自由度的機器裝置,能夠自動執行工作。作為依賴自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器,它可以接受人類指揮,也可以按照預先編排的程序運行,還可以根據人工智能技術制定的原則綱領行動。

                  事實上,從古至今,人類一直在研究如何減少工作量的方法,盡量使工作更加方便快捷又不失質量地高效完成。早在三千多年前的西周時代,我國就出現了能歌善舞的木偶,稱為“倡者”,這可能也是世界上最早的“機器人”。

                  近代以來,伴隨著第一次、第二次工業革命,各種機械裝置不斷被發明與應用,工業機器人呼之欲出。上世紀50、60年代,隨著機構理論和伺服理論的發展,機器人進入了使用化階段。1960年,美國AMF公司生產了柱坐標型Versatran機器人,可作點位和軌跡控制,成為世界上第一種用于工業生產的機器人。

                  上世紀70年代,隨著計算機技術、現代控制技術、傳感技術、人工智能技術的發展,工業機器人得到了迅速發展。這段時期的機器人具有記憶、存儲能力,按相應程序重復作業,但對周圍環境基本沒有感知與反饋控制能力。這種機器人也被稱作第一代機器人。

                  進入80年代,隨著傳感技術,包括視覺傳感器、非視覺傳感器(力覺、觸覺、接近覺等)以及信息處理技術的發展,有感覺的第二代機器人應技術而生。第二代機器人已經能夠獲得作業環境和作業對象的部分有關信息,進行一定的實時處理,引導機器人進行作業。

                  第三代機器人也就是目前的“智能機器人”。智能機器人不僅具有比第二代機器人更加完善的環境感知能力,而且還具有邏輯思維、判斷和決策能力,可根據作業要求與環境信息自主地進行工作。智能機器人是智能制造的重要組成部分,是實現智能生產和打造智慧工廠的重要利器。

                  工業機器人是智能制造的關鍵一環。究其原因,對于工業機器人來說,能夠協助解決制造過程中的問題是首先要考慮的?;蛘哒f,正如過去的任何一次工業革命中,機器對生產率的提高一樣,工業機器人最大的貢獻是在于對制造業生產力的改善而不是機器人自身的獲利。

                  究其原因,工業機器人的智能部分可以以“代理”的方式來看——任務分配至控制系統的底層進行處理,加上傳感器、視覺影像、邏輯控制與通信共同協作而達成底層級(或稱為核心層)的精簡有效的控制系統。系統里眾多的“代理”相互溝通進而產生了一個群體智能。

                  這個群體智能可以應用在各種各樣的生產活動中,可以是在不同的單品生產線中,也可以在不同的生產規模中,包括使用在一些柔性生產線上。將工業機器人應用到工業生產線上,不僅可以提高生產效率,還可以改善工作環境,保證工人的生命安全,同時減少原材料的損耗,從源頭降低了工業成本。

                  自德國首先于2011年提出以智能制造為核心的“工業4.0”戰略之后,以智能化為標志的第四代工業革命就在全球范圍內蓬勃展開。其中,工業機器人作為工業化和信息化的完美結合,以其天然的數字化特性,打通了單個生產設備到整個生產網絡的連接,進而支撐起第四次工業革命豐富多彩的應用場景。

                  如果說,過去二十年互聯網的發展聯通了我們每一個人,那么未來二十年工業互聯網的發展將會聯通每一臺工業機器人,從而帶來生產效率乃至生產方式的全面革新。


                  政策孵化,技術與需求共振


                  合肥工業大學機械工程學院院長訾斌在CAIRDC2021中國人工智能與機器人開發者大會上表示,“制造業是一個國家工業發展的基石,而機器人被譽為‘制造業皇冠頂端的明珠’,其研發、制造、應用是衡量一個國家創新能力與高端制造業水平的重要標志?!?br />
                  當前,我國工業機器人發展風頭正勁。工業和信息化部發布的《2020年1-12月機器人行業運行情況》顯示,2020年累計生產工業機器人23.7萬套,同比增長19.1%,創下我國工業機器人單年產量最高紀錄。中國制造向“中國智造”升級中,機器人正在扮演著越來越重要的角色。

                  并且,國家統計局日前發布的消息也顯示,2021年1-2月份,全國規模以上工業企業的工業機器人產量4.54萬套,同比增長117.6%,創下歷年同期新高。

                  工業機器人得以發展,根本上是由于技術進步規模效應帶動工業機器人價格下降。工業機器人發展的初期階段,高昂的價格一度是阻礙眾多中小企業購置設備、建設智能化生產線的主要因素。而隨著國產工業機器人帶來的市場沖擊,制造技術的進步和制造成本的快速下降,工業機器人近幾年價格呈現明顯的下降趨勢。

                  以我國進出口價格和全球價格為例,我國進口機器人均價從2009年的3.00萬美元/臺下降到2016年的1.68萬美元/臺,復合年均增長率為-7.9%;出口均價從2011年的2.93萬美元/臺下降到2016年的0.52萬美元/臺,復合年均增長率為-29.3%;全球工業機器人均價從2009年的6.33萬美元/臺下降到2016年的4.45萬美元/臺,復合年均增長率為-4.9%。

                  此外,制造業方面,人力成本正在不斷提高,對勞動密集型產業造成明顯沖擊,企業為壓縮成本轉向更經濟的生產模式,機器換人成為大勢所趨。隨著中國經濟的高速發展,制造業從業人員年均工資從2009年的2.68萬元增長至2017年的6.45萬元,GAGR11.59%。

                  同時,適齡勞動人口下降,人口紅利消失倒逼產業發展。從人口結構上看,我國15-64歲人口占比從2010年的74.50%的高點開始下降,到2017年僅為71.82%。從人口自然增長率看,近15年低位穩定于5%左右。這意味著,未來我國適齡勞動人口占比仍將處于較低水平,對產業自動化發展產生迫切需求。

                  當然,工業機器人的高速發展也離不開政策的驅動。工業機器人在國內的發展最早可追溯到科技部的863項目。2006年2月,國務院印發了《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》,智能機器人首次被納入前沿技術中的先進制造技術。之后隨著2015年《中國制造2025》戰略出臺并實施,各級地方政府積極推進地區規劃政策落實,中國工業機器人產業也迎來了迅速發展。


                  從制造到應用,仍需彌合差距

                  機器人替代人工生產是制造業重要的發展趨勢,是實現智能制造的基礎,也是未來實現工業自動化、數字化、智能化的保障。盡管當前我國工業機器人在制造和工業設施領域的應用變革勢頭迅猛,但無論是從制造業方面還是應用方面來看,我國工業機器人與發達國家之間依然存在較大差距。

                  從制造方面來看,工業機器人是沿著把自動化作為底層技術,再走向數字化、網絡化、智能化發展的脈絡,越往上走,越需要芯片、軟件和算法的助力。而即便自2010年起我國的制造業產值就已超過美國,規模發展水平較高,但質量效益并不高,仍然有很大的提升空間。

                  時下,發達國家的工業機器人制造已經進入到了智能階段,而我國還處于入門階段。據《第一財經》報道,國產工業機器人憑借性價比、渠道等優勢,已經占據了國內很多細分領域的大部分市場,但在關鍵技術、材料、零部件等方面還是與國際的先進水平有一定差距。

                  新安裝的機器人中,有71%的零部件皆來源于國外,國產化率不足30%。其中,在上游最重要的三大零部件——減速器、伺服電機和控制器中,國產化率分別約為30%、22%、35%,相對較低,在產品精度、穩定性等方面依舊存在很大成長空間。

                  同時,我國工業機器人同質化十分嚴重?,F階段,很多工業機器人品牌的產品在性能、外觀、技術甚至是營銷手段上都呈現出相互模仿的現象,就連各個廠商研發產品的核心技術和生產目的都是一樣的。因此,縱觀現在的工業機器人市場,幾乎沒有什么表現突出、具有一定競爭力的機器人產品。

                  在應用方面,發達國家的工業機器人已經有一套完整的設備應用在工業生產線上,并且在運用工業機器人方面已經十分熟練,甚至于不需要配備專門的工業機器人操作人員,就可以使工業機器人完成其運行。但是,我國的工業機器人應用還需要配備專門的工業機器人技術操作人員,來輔助完成操作。

                  日本在十九世紀二十年代工業機器人就已經普及,但目前為止,我國工業機器人的發展仍處于初級階段,正面臨著向高端轉變,承接國際先進制造,以及國際分工等重大挑戰。

                  工業機器人的不斷發展創新對從業人員提出了更高的要求,而該領域的人才供需失衡的矛盾正日益凸顯。在制造方面,伺服電機、控制器、減速器成為制約中國工業機器人產業的主要瓶頸,而我國這方面的技術人才極為匱乏。在應用方面,相應操作維護、系統安裝調試、系統集成等工業機器人應用人才缺口很大。

                  工業機器人最大的貢獻就是在于對制造業生產力的改善而不是機器人自身的獲利。隨著控制、驅動和傳感技術的進步,機器人可以處理的工作范圍還在不斷擴大,其帶來的改變將是長遠而超越想像的。
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