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绝地反击 美日工业机器人产业互博

供稿:中国工控网 2015/11/18 12:48:51
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美国是机器人的诞生地,早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人,比“机器人王国”日本起步至少要早五六年,但此后却被日本赶超。美国政府于2011年推出“国家机器人计划”,以“建立美国在下一代机器人技术及应用方面的领先地位”。

今年夏天,一家名为Mega Bosts的美国新创公司向日本水道桥重工公司下战书,希望双方制造的大型机器人在一年后一对一单挑决斗。这一举动大致反映了两国在机器人尤其是工业机器人领域的现状:日本处于全球领先水平,而美国正在急追直赶欲重夺“领头羊”位置

让位与赶超

美国是机器人的诞生地,早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人,比“机器人王国”日本起步至少要早五六年,但此后却被日本赶超。2009年5月,由美国产学研各界140多名专家推出的1.0版美国机器人路线图写道:“尽管工业机器人诞生在美国,但在这个领域占据全球领先地位的是日本和欧洲。”

在这份路线图发布后,美国政府于2011年推出“国家机器人计划”,以“建立美国在下一代机器人技术及应用方面的领先地位”。2013年,美国推出2.0版机器人路线图,虽然强调美国联邦政府在国防以外的机器人投入相比其他国家的规模依然较小,但美国机器人落后于日本与欧洲的表述已被删除。

美国佐治亚理工学院机器人与智能机器研究所所长亨里克•克里斯滕森教授是两版路线图的主要起草人之一。他告诉新华社记者:“与日本相比,美国(机器人领域)很明显有了强劲的增长。依据欧盟出台的‘地平线2020’计划,欧盟在机器人方面也有与美国相当的发展速度。”

谋定而后动

克里斯滕森表示,“国家机器人计划”及相应的“先进制造业计划”给美国多个机器人产业领域带来显著的经济增长,其中最主要的领域包括医疗保健、食品、汽车以及航天产业,而增长的主要技术推手包括机器人操作技术、视觉与传感器技术以及集成技术。

美国卡内基-梅隆大学以计算机和机器人研究知名,也是两版路线图的主要参与者。该大学机器人专家曼纽拉•维洛佐教授同样认为,“国家机器人计划”取得巨大成功,导致美国许多机器人技术获得大量资金投入。这位曾担任美国人工智能进步协会主席的专家说,长期以来,日本被认为是精密机器人与个人机器人领域的领先者,但说到人工智能、决策与自主性,那就是美国的强项。

那么,“国家机器人计划”怎么助力美国机器人重新腾飞?美国国家科学基金会机器人项目主管之一杨杰告诉记者,“国家机器人计划”交由他所在的国家科学基金会、国家卫生研究院、美国航天局与美国农业部四家机构执行,其中国家科学基金会每年资助的资金达到3000万美元,而其他3家机构每年总共2000万美元左右,国家科学基金会每年资助数十个项目,项目分为大小两种,大项目每年资助可多达500万美元,而小项目少的只有几千美元,主要针对本科生。

杨杰说,国家科学基金会支持两类机器人研究,一类是交叉项目,即上面所说的“国家机器人计划”,另一类是核心项目,每年预算1000多万美元。两者的主要区别是交叉项目类似中国的“863计划”,有资助年限,一般为3到5年,有研究主题;而核心项目长期、固定,“没有主题限制,各种想法都可以提”。

什么样的机器人研究会得到美国政府的支持?杨杰介绍,“交叉项目”目前的主题是人机协作,与这个主题相关即可,比如他去年经手的一个申请就是机器人怎样与人合作把冰箱抬到二楼,而“核心项目”无任何限制。申请提出后会经过两道关,第一道关是“学术价值”,由秘密的外部专家同行评议评估,第二道关是“广泛影响”,由国家科学基金会人员综合性别、族裔、地域、机构等诸多因素考虑,宗旨是保持平衡,鼓励所有人参与研究。

研发“在路上”

经过这几年美国政府的大力推动及企业的积极参与,杨杰认为效果明显:“现在家庭清洁机器人(在美国)到处都可以买得到,许多州通过法律允许无人驾驶车上路。跟5年前、10年前相比,美国机器人现在从技术到应用发展得很快。”

美国电气与电子工程师学会成员、密歇根州立大学机器人专家席宁教授认为,美国在国家层面以前不是很重视工业机器人,但现在认识到制造业不仅是经济问题,而是关系到国家安全,所以提出制造业回归美国。但美国的生产成本无法与发展中国家相比,因此发展机器人成为其中重要的一步。

席宁特别强调,总体而言,美国机器人其实一直处于世界前沿水平,尤其在军用机器人方面,美国机器人支援日本福岛核电站救援就是一个例子。美国服务机器人也处于领先水平,比如被广泛使用的手术机器人“达芬奇”就是美国制造。

谈起机器人产业当前面临的挑战及研发的重点方向,维洛佐说,机器人与人将越来越多地在一起工作,所以更多的工作应放在让两者安全地交流和合作方面。

克里斯滕森认为,最大的挑战是如何利用物联网的标准和新出现的德国工业4.0计划等类似规划,把机器人更好地整合在一起,从而减少成本、增加模块化并缩短上市时间,核心技术都集中在这一块。“集成通常是个挑战”,但“很难具体说哪些地方要加强研发”。

克里斯滕森和杨杰均表示,美国“国家机器人计划”现在的重点是人机协作机器人,下一步如何走还在探索,但一个方向可能是全自动化,比如自我诊断、自我修复的机器人,还有类似谷歌的自动驾驶车。

日本近年机器人产业发展计划 

机器人正在迎接一个新时代的到来,日本具有国际上最先进的机器人技术,就全世界范围来看,全球工业机器人约有4成在日本。不论在技术方面,还是在市场规模方面,日本可以称得上是“机器人大国”。在2004年5月发布的日本“新产业发展战略”中所指出的7个产业领域,机器人产业也是其中之一,同时,在进一步实施“新产业发展战略”的“新经济成长战略”报告中也把机器人放在使日本成为“世界技术创新中心”的支柱地位上,近两年开始重新审视机器人产业政策。

根据引入计划,日本把实现市场需求和社会需求(所对应的产品形象)有关的技术课题经过整理和展望,编制成技术路线图。同时,把解决这些课题所还需要的单元技术和技术性能的进程沿着时间轴展开,编汇成完整的机器人路线图。机器人路线图划分为3个领域,即“新世纪工业机器人”、“服务机器人”和“特种机器人”,勾画出了10年以后各种机器人的未来形象(任务),从技术图中的重要技术中抽出其性能和所需要的技术等。路线图中提到为了创建和扩大新世纪机器人的早期市场,重要的是要缩短满足多种需求的机器人的开发时间、降低成本、扩大加入的企业。为此,提出了有助于缩短机器人开发,扩大机器人开发企业的“共同基础性技术”;有助于开发高级需求的机器人的“突破性新技术”;进而,从在其他领域中应用来扩大机器人技术的观点出发考虑“市场冲击力”,以及“基础技术开发的需要”。同时,为了确保日本在这样的机器人市场中的占有率,强化日本的技术竞争力也是很重要的。

  日本机器人产业要解决的7个关键任务 

  1.制造领域

  (1)能够处理柔性部件的机器人技术生产系统在汽车和家用电器等的组装工艺中,已经实现了对不变形部件的自动化装配,但是对柔性部件(车内布线等)的输送和装配作业,现在实现自动化还有一定的困难,还得依赖人的手工操作。另外,同时实现多个接插件的连接,由于接插件的形状是多种多样的,抓取和组装的方法也要求是多种多样的,自动化也有一定的难度。为此需要解决的课题是,研究能够实现在车内布线等以柔性部件为对象的全部组装作业自动化的机器人技术系统。

  (2)人与机器人协调型单元生产机器人技术系统进入上世纪90年代,在国际性成本竞争高涨等的形势下,日本出现了单纯生产工艺向海外转移、转向附加价值高的生产产业,在日本国内,加紧研究适应多品种变量生产的生产方式。其中,取代原来流水线式的生产方式,普及成为单元生产方式。在单元生产方式中,对应多品种变量生产用增加人工的负担来抑制初期的成本,另外一方面还有培养熟练操作人员需要花费时间、质量管理也难以进行等缺点。为此,需要解决的课题是应该提高单元生产方式中的生产率,研制在单元生产方式中能与人协调工作的机器人技术系统。

  2.服务领域

  (1)日常收拾整理用的机器人技术系统着眼于日常生活中简单的收拾整理工作,用机器人技术系统来实现原来靠人手工劳动完成的“整理”和“收拾”工作。具体地来说,饮食店里餐具的整理、搬运,家庭的家务收拾、洗涤物的收取存放、办公室书籍、办公用品的整理等,都让机器人代劳,来整理和收拾这些放置得杂乱无章的物品。应该开发的技术是能够搬运各种形状物品的操纵技术,对各种物品位置、姿势的识别、收藏空间结构化技术等。

  (2)与高龄老人进行情感交流的机器人技术系统创建能让高龄老人自主独立生活的生活辅助环境,为此,所要求解决的课题是研制情感交流机器人技术系统,能够理解包括高龄老人在内的各种年龄段人们的意图,按照指示代替人干一些简单的工作。要开发的技术是,以适应各年龄段人们以会话为主体的情感交流技术,和伴随有在物理空间行动的人型机器人通信技术等。

  (3)与人共存的自动搬运机器人技术系统在办公室或其他设施内与人共存的环境下,机器人能够识别自己的位置,能够回避人和障碍物进行自律的安全移动,是应用机器人技术给向导和搬运服务业务增加附加值的必要手段。搬运作业,例如垃圾箱的搬运、医院检体药品等的搬运、机场行李搬运、工厂内危险品搬运等,因为需要大量的劳力,希望能够应用机器人技术完成这些工作。

  3.特殊环境下作业领域

  (1)受灾建筑物内移动机器人技术系统

  受灾建筑物内(地铁、地下街、高层建筑等)危险性很高,搜寻和救助受害者非常需要机器人技术特别是在灾害初发期,收集信息和救助、紧急医治都是很重要的措施。收集信息高效率化和高精度化关系到以后是否能在整体活动中减轻灾害带来的伤害和损失。

  为此,所要求解决的课题是研制能够在受灾建筑物内迅速收集信息的移动机器人技术系统。需要开发的技术是高速移动机构、半自主移动、建筑物内通信位置测试技术和与GIS(Geographic Information System)的信息变换等。

  (2)建筑行业废弃物处理机器人技术系统

  建筑废弃物拆卸、处理时,按其材质不同,分为作为资源可再利用的、可以燃烧的和最后在处理场埋掉的,伴随着出现的一系列分类工作。在拆除建筑物时,需要靠工作人员手工分选这些材料,因为有必要改善这种劳动环境,也希望在这些工作中实现自动化。

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