机器人与智能制造创新前景

    随着最近新兴技术能力的提升和制造业创新的进步，机器人技术的发展前景正发生着迅速的变化，新的发展趋势和应用也随之涌现。随着与物联网（IoT）和智能制造之间的联系不断加深，机器人技术的发展使企业得以在保持原地生产的同时，提高生产效率，增强竞争实力。本文将对当今机器人技术和智能制造的创新前景进行综合概述。

    根据《加拿大工业机械》（Canadian Industrial Machinery）2015年10月刊登的文章，数据表明对机器人技术的投资正在持续增加。文章报道了从北美机器人企业订购的机器人的数量是空前的（14232台机器人，价值8.4亿美元，2014年同期，机器人数量增加1%，收入增加7%，保持了之前的记录）。工业机器人应用的主要产行是汽车零部件、尤以在原材料处理和点焊中的应用最为突出。同时，有意思的是，在美国这一行业的劳动力中，受过专业培训的焊工十分短缺。根据市场规模预测，全球机器人行业收入截止2020年将有望超过1510亿美元。Tractica报道其增长将主要来自非工业机器人。工业机器人预计将平稳增长，在2020年收入达到约180亿美元。

    就机器人技术的发展趋势而言，该产业预计将在2014到2020年，主要在消费电子产品和电动汽车产业创造300万个就业机会。《2015技术潮流》（Technology Trends 2015）报道，从2017到2020年间，机器人技术的使用将带来200万个新增岗位。随着康复治疗机器人、可穿戴外骨骼机器人的进步，仅在康复市场就有望增加40倍。预计2020年机器人技术的发展趋势是：微型机器人可携带紧急应答器探索小型或危险环境；可穿戴外骨骼机器人用于增强使用者的体力；人机接口可以帮助截肢者控制自身活动并接收感觉反馈；模块化机器人可在预设模式下完成专项任务；智能机器人结合人工智能和机器学习技术进行类人表达和反应；通过引进弹性纳米管肌肉以增强机械强度；电源可换式机器人在离网区域启动应用；机器人网络允许机器人接入数据库，分享信息和学习经验；远程监控机器人可代替你在遥控区域进行工作。

    近十年，美国联邦政府为提高美国竞争力和促进就业提出了多项动议。由美国联邦政府机构(美国国家科学基金会（NSF）、美国农业部（USDA）、美国国家航空航天局（NASA）和国家卫生研究所（NIH））共同赞助的国家机器人计划（NRI）在2011年启动，旨在促进机器人在美国的发展和使用，以协助人类或与人类共同工作。就制造业而言，这一计划覆盖了从基础研究和开发到产业制造和配置的整个生命周期。此外，机器人还是美国商务部（U.S. Department of Commerce）美国国家标准与技术研究所（National Institute of Standards and Technology，NIST）的优先主题。特别是，他们着重将协同制造机器人作为增强制造业竞争力的必要工具，通过极大提升反应能力和创新能力来实现。在人—机协作主题下，与人协作的机器人以及“自己动手（do-it-yourself）”工业机器人成为工业机器人的新的生力军出现在大众面前。这些机器人可以同人一起或者在人旁边工作，完成之前需要人机分开完成的任务。

    今天，人机合作/共存的时代终于到来，在真实世界中，无论是在大型工厂还是小型作坊的制造现场，机器人同人类一起工作。然而，跳出当前应用局限，能在更广阔的行业和制造商中广泛应用的高级机器人系统需要具备较高的能力、感知力、敏捷性、可移动性、复位性和操作安全性，还应便于指派任务和重复指派任务。机器人不是单独的实体，它们应用于广阔行业中，存在于商业世界里，必须无缝而快速地与之融合。换言之，机器人技术改变着商业模式和一体化战略；由科技创新驱动，存在于工厂“内外”。

    机器人技术被视为是能够变革制造业的关键改造技术。此外，改良的机器人技术和制造自动化的广泛采用将享有知识产权和财富；通过提高企业竞争力来拯救企业；提供机器人维护和培训的工作岗位；使工厂安全使用人机团队；减少高额的医药问题；以及减少成品在渠道流通的时间来更快速地响应零售商需求的变化。

    许多人将始于十八世纪晚期的工业革命划分为四个阶段。在工业革命的第三阶段引入了机器人，从而开始了机器人技术革命。机器人技术革命的第一和第二阶段的形式是基础自动化，机器人的工作区视为人类的障碍。第四次工业革命（被称为工业4.0）给我们带来了移动性更好、更智能和感知更强、能力更高的机器人。机器人技术系统转变为信息物理系统（CPS）。工业4.0智能工厂——可自我编程的互联行业即将来临。

    正如《NRI机器人技术路线图》（NRI Robotics Roadmap）所报道的，研发一套基础机器人技术是提供制造业技术路线图预期的关键能力所需要的。每个关键能力源于制造业（矿业、加工业、分立零件制造业、装配、物流——运输&分派）中一个或多个重要的广泛应用领域。穿越弗若斯特沙利文公司（Frost&Sullivan）呈现的2000年及之后的移动机器人技术路线图，在21世纪初期，通过远程监控，远程接口系统促进了可控货仓/管理系统、可穿戴式外骨骼技术和遥控机器的产生。到2010年的十年间，自动滑行随着半自主机器和仅能进行有限人机互动的人工智能初始阶段的出现而出现。可以预见，2020年及之后，具有人类情感、流利交流能力和适应环境的协同机器人和智能机器的全面自主将会出现。

    截止2020年，物联网将由上万亿的海量传感器驱动，其中许多传感器将嵌入新兴的机器人系统中，为物理世界提供物联网信息价值环的信息物理连接（创造—交流—聚合—分析—行动）。随着智能传感器和高级分析的出现，介入应用将具体化，使物联网应用不再仅限于监控。

    智能制造是基于物联网、信息物理系统和云系统的工业4.0新创举。就技术上而言，它是一门狭义的学科，包括但不限于生产管理技术、供应链管理、模拟、维护、机器对机器（M2M）、设施和传感器网络。根据会议共同组织者——智能制造领导联盟（Smart Manufacturing Leadership Coalition，SMLC）和国家科学基金会，智能制造以企业/工厂为主导，包含可靠且可扩充的方式，为制造业提供基于模型的操作和决策支持，能够稳健地应对变化和差异。智能制造通过数据、协同信息物理系统、物联网和互联企业（制造现场—商务体系—供应链连接）发展控制战略和开放性平台技术（公共—私人伙伴关系）而进行智能产品制造的。未来智能工厂共有15个核心元素，其中三个毫无疑问属于机器人技术领域（信息物理系统、自动驾驶车辆和柔性机器人）。根据NIST给出的描述，智能制造是“完全集成的协同制造系统，可以实时响应，以满足在工厂、供应网络和客户需求方面，不断变化的需求和条件”。分享同一个目标的不同智能制造联盟协作努力，在整个价值链中通过开放式连接实现工业实践的现代化

    最后，物理和数字世界的聚合孕育了智能工厂和新一代的工业机械。在这个被称为工业4.0的新时代里，聚焦使用物联网和信息网络系统以简化制造和业务流程，提升功能和精度，增强质量和能力14。几乎所有的方面都是数字化的，包括机器控制、监控、管理以及数据上报和分析。甚至操作者也通过人机界面（HMI）与机器进行数字化互动。智能工厂带来了许多好处，包括操作时间的减少、提高生产能力的机会、促进产量、提升效率以及通过高级数据分析减少停机时间。机器人技术是智能制造创新前景的关键组成，也是工业4.0和物联网提出的向计算机化工业生产和智能工厂迈进这一构想的完美体现。