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机器人当道 行家看产业五大特征及各国发展

供稿:中国工控网 2016/4/28 9:58:01

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    机器人的研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。机器人主要制造商和国家纷纷加紧布局,抢占技术和市场制高点。我国将成为全球最大的机器人市场,需要在这一竞争中审时度势、全盘考虑、抓紧谋划、扎实推进。

  “机器人革命”不是一场独立的革命,而是以数字化、智能化、网络化为特征的第三次工业革命的有机组成部分。如果说第二次工业革命是通过装备的自动化和标准化实现了机器对人的体力劳动的替代,“机器人革命”则推动了机器对人的脑力劳动的替代。


  东莞市机器人技术协会相关人士认为,“机器换人”影响不仅限于工业生产效率的提升,更在于从根本上克服了传统工业生产方式下产品成本和产品多样性之间的冲突,从而推动了从线性产品开发流程向并行产品开发流程的转变,使工业产品性能显着改善、产品功能极大丰富和产品开发周期大幅缩减。


  “机器人革命”同时也在引发生产关系的深刻变革,使人在工业生产中的地位和角色发生了变化。一方面,由于机器的功能延伸和对人的替代,单一生产单元中对人的需求量相对下降;另一方面,机器复杂度的增加,实际上对产业工人在多领域的技能和编程、系统处理等方面的知识提出了更高要求。这些都意味着在“机器人革命”浪潮的荡涤下,一国产业竞争优势的内涵、产业竞争优势所依赖的资源基础以及国家间产业分工形式都将发生深刻变化。如果我们不能顺应这一轮革命的要求,将面临进一步丧失产业竞争主导权的危险。


  从整体上看,“机器人革命”具有如下特征:


  第一,智能化成为新一代机器人的核心特征。装配传感器和具备人工智能的机器人能自动识别环境变化,从而减少对人的依赖。未来的无人工厂能根据订单要求自动规划生产流程和工艺,在无人参与的情况下完成生产。


  第二,高速网络和云存储使机器人成为物联网的终端和结点。随着信息技术的进步,工业机器人将更有效地接入网络,组成更大的生产系统,多台机器人协同实现一套生产解决方案成为可能;服务机器人和家庭机器人也能通过网络实现远程监控;多台机器人之间的协作能提供流程更多、操作更复杂的服务。


  第三,机器人生产成本快速下降。在工业领域,机器人的技术和工艺日益成熟,性价比不断提高,机器人初期投资相对于传统专用设备的价格差不断缩小。虽然在功率和速度上与传统装备还存在差距,但机器人在精细化、柔性化、智能化和信息化方面具有显着优势,因此在个性化程度较高、工艺和流程繁琐的产品制造中替代传统专用设备具有更高的经济效率。成本的下降也使得机器人逐渐步入办公室和家庭。


  第四,机器人应用领域不断扩展。机器人最初应用于模块化程度较高的汽车、电子产业,随着智能化水平的提高,以及能完成更多的复杂动作,纺织、化工、食品行业也大量使用机器人。随着技术的不断成熟和劳动力成本提高,工业机器人的应用将扩展至整个工业领域。


  第五,人机关系发生深刻转变。一方面,计算机的操作系统和控制系统将实现标准化和平台化,未来可以通过包括手机在内的不同端口对机器人发送指令。另一方面,人与机器人相互协作完成某一目标成为趋势。技术成熟将增强人对机器人的信任,人与机器人之间的协作关系将进一步增强。


  美国


  引领智能化浪潮,明确提出以发展工业机器人提振制造业


  美国早在1962年就已开发出第一代工业机器人,但受限于就业压力,并未立即投入广泛应用。直到20世纪70年代末,大量使用工业机器人的日本汽车企业对美国构成威胁,美国政府才取消了对工业机器人应用的限制,加紧制定促进该技术发展和应用的政策。此后,美国企业通过生产具备视觉、力觉等的第二代机器人,实现了市场占有率的较快增长,但仍未摆脱“重理论、轻应用”的问题,也未能打破日本和欧洲的垄断格局。到2013年,美国工业机器人生产商的全球市场份额仍不足10%,且国内新增装机量大部分源于进口。


  2011年6月,奥巴马宣布启动《先进制造伙伴计划》,明确提出通过发展工业机器人提振美国制造业。根据该计划,美国将投资28亿美元,重点开发基于移动互联技术的第三代智能机器人。世界技术评估中心的数据显示,目前美国在工业机器人体系结构方面处于全球领先地位;其技术的全面性、精确性、适应性均超过他国,机器人语言研究水平更高居世界之首。这些技术与其固有的信息网络技术优势融合,为机器人智能化奠定了先进、可靠的基础。


  以智能化为主要方向,美国企业一方面加大对新材料的研发力度,力争大幅降低机器人自重与负载比,一方面加快发展视觉、触觉等人工智能技术,如视觉装配的控制和导航。随着智能制造时代的到来,美国有足够的潜力反超日本和欧洲。值得注意的是,以谷歌为代表的美国互联网公司也开始进军机器人领域,试图融合虚拟网络能力和现实运动能力,推动机器人的智能化。谷歌在2013年强势收购多家科技公司,已初步实现在视觉系统、强度与结构、关节与手臂、人机交互、滚轮与移动装置等多个智能机器人关键领域的业务部署。若其机器人部门能按照“组织全球信息”的目标持续成长,未来谷歌既可以进入迅速成长的智能工业机器人市场,又能从机器人应用中获取巨量信息来反哺其数据业务。


  日本


  产业体系配套完备,政府大力推动应用普及和技术突破


  战后日本经济进入高速增长期,劳动力供应不足和以汽车为代表的技术密集型产业的发展刺激了工业机器人需求快速增长。上世纪60年代,日本从美国引进工业机器人技术后,通过引进、消化、吸收、再创新,于1980年率先实现了机器人的商业化应用,并将产业技术和市场竞争优势维持至今,以发那科、安川为代表的日系工业机器人与欧美系工业机器人分庭抗礼。2012年,受益于下游汽车产业对工业机器人的需求大幅增长,日本再次成为全球最大的工业机器人市场,工业机器人密度高达332台/万人,为全球最高。


  日本工业机器人的产业竞争优势在于完备的配套产业体系,在控制器、传感器、减速机、伺服电机、数控系统等关键零部件方面,均具备较强的技术优势,有力推动工业机器人朝着微型化、轻量化、网络化、仿人化和廉价化的方向发展。近年来,还呈现出以工业机器人产业优势带动服务机器人产业发展的趋势,并重点发展医疗/护理机器人和救灾机器人来应对人口老龄化和自然灾害等问题。


  日本政府在其中发挥着重要作用。早在日本工业机器人发展的起飞阶段,日本政府就通过一系列财税投融资租赁政策大力推动机器人的普及应用,并通过“研究与开发”政策推动技术突破。正式成立于1972年的日本机器人工业会也发挥着重要作用。该组织以鼓励研究与开发、争取政府政策支持、主办博览会等方式推广普及工业机器人。进入新世纪以来,日本政府更加重视对工业机器人产业的发展。


  2002年,经济产业省开始实施“21世纪机器人挑战计划”,将机器人产业作为高端产业加以扶持,采取了加大研究与开发支持力度、发展公共平台、开发新一代机器人应用和人机友好型机器人等扶持措施,力图将全球领先的工业机器人技术拓展到医疗、福利和防灾等社会事业领域。2004年,经济产业省推行的“面向新的产业结构报告”将机器人列为重点产业,2005年的“新兴产业促进战略”再次将机器人列为七大新兴产业之一。此后,经济产业省借助各类产业政策扶持机器人产业的发展成为常态。日本总务省、文部科学省、国土交通省等部门积极实施机器人相关项目,并通过举办“机器人奖”“机器人竞赛”等社会活动,推动机器人技术进步和产业发展。


  德国


  带动传统产业改造升级,政府资助人机交互技术及软件开发


  虽然德国稍晚于日本引进工业机器人,但与日本类似,二战后劳动力短缺和提升制造业工艺技术水平的要求,极大地促进了德国工业机器人的发展。除了应用于汽车、电子等技术密集型产业外,德国工业机器人还广泛装备于包括塑料、橡胶、冶金、食品、包装、木材、家具和纺织在内的传统产业,积极带动传统产业改造升级。2011年,德国工业机器人销量创历史新高,并保持欧洲最大多用途工业机器人市场的地位,工业机器人密度达147台/万人。


  德国政府在工业机器人发展的初级阶段发挥着重要作用,其后,产业需求引领工业机器人向智能化、轻量化、灵活化和高能效化方向发展。20世纪70年代中后期,德国政府在推行“改善劳动条件计划”中,强制规定部分有危险、有毒、有害的工作岗位必须以机器人来代替人工,为机器人的应用开启了初始市场。1985年,德国开始向智能机器人领域进军,经过10年努力,以库卡为代表的工业机器人企业占据全球领先地位。2012年,德国推行了以“智能工厂”为重心的“工业4.0计划”,工业机器人推动生产制造向灵活化和个性化方向转型。依此计划,通过智能人机交互传感器,人类可借助物联网对下一代工业机器人进行远程管理。这种机器人还将具备生产间隙的“网络唤醒模式”,以解决使用中的高能耗问题,促进制造业的绿色升级。目前,德国联邦教育及研究部已开始资助人机互动技术和软件的研究开发。


  韩国


  使用密度全球第一,多项政策支持第三代智能机器人的研发


  20世纪90年代初,韩国政府为应对本国汽车、电子产业对工业机器人的爆发性需求,以“市场换技术”,通过现代集团引进日本发那科,全面学习后者技术,到本世纪大致建成了韩国工业机器人产业体系。2000年后,韩国的工业机器人产业进入第二轮高速增长期。2001年至2011年间,韩国机器人装机总量年均增速高达11.7%。国际机器人联合会的数据显示,2012年,韩国的工业机器人使用密度为世界第一,每万名工人拥有347台机器人,远高于58台的全球平均水平。


  目前,韩国的工业机器人生产商已占全球5%左右的市场份额。现代重工已可供应焊接、搬运、密封、码垛、冲压、打磨、上下料等领域的机器人,大量应用于汽车、电子、通信产业,大大提高了韩国工业机器人的自给率。但整体而言,韩国技术仍与日本、欧洲等领先国家存在较大差距。


  韩国政府近年来陆续发布多项政策,旨在扶植第三代智能机器人的研发与应用。2003年,产业资源部公布了韩国“十大未来成长动力产业”,其中就包括智能工业机器人;2008年9月,《智能机器人开发与普及促进法》正式实施;2009年4月,政府发布《第一次智能机器人基本计划》,计划在2013年前向包括工业机器人在内的五个机器人研究方向投入1万亿韩元(约合61.16亿元人民币),力争使韩国在2018年成为全球机器人主导国家;2012年10月,《机器人未来战略战网2022》公布,其政策焦点为支持韩国企业进军国际市场,抢占智能机器人产业化的先机。


  中国


  面临核心技术被发达国家控制等挑战,产业市场空间巨大


  首先,我国在机器人领域的部分技术已达到或接近国际先进水平。机器人涉及的技术较多,大体可分为器件技术、系统技术和智能技术。我国在通用零部件、信息网络等部分器件和系统技术领域与发达国家的差距在10年左右,而对智能化程度要求不高的焊接、搬运、清洁、码垛、包装机器人的国产化率较高。近年来,我国在人工智能方面的研发也有所突破,中国科学院和多所着名高校都培育出专门从事人工智能研究的团队,机器人学习、仿生识别、数据挖掘以及模式、语言和图像识别技术比较成熟。


  其次,我国企业具有很强的系统集成能力,这种能力在电子信息等高度模块化产业和高铁等复杂产品产业都得到体现。系统集成的意义在于根据具体用户的需求,将模块组成可应用的生产系统,这可能成为我国机器人产业打破国外垄断的突破口。


  第三,我国机器人产业的市场空间巨大。目前,我国机器人使用密度较低,制造业万人机器人累计安装量不及国际平均水平的一半,服务和家庭用机器人市场尚处于培育阶段,机器人应用市场增长空间巨大;二代机器人仍然是主流,机器人向第三代智能机器人升级换代空间巨大;机器人主要应用于汽车产业,机器人向其他领域扩展空间巨大。


  当然,我们也要清醒地看到我国工业机器人产业发展面临的巨大挑战。首先,机器人的顶层架构设计和基础技术被发达国家控制,在机器人成本结构中比重较大的减速机、伺服电机、控制器、数控系统都严重依赖进口,国产机器人并不具备显着成本优势。


  其次,存在低端锁定的风险。一方面,发达国家不会轻易向中国转移或授权机器人核心技术、专利,我国机器人企业通过参与国际标准制定、技术合作研发进入中高端市场的阻碍很多;另一方面,地方政府对产业的盲目投资可能形成过剩产能,导致重复建设和低价竞争。


  再次,机器人研发、制造与应用之间缺乏有效衔接。机器人相关技术研发领先的高校和院所并不具备市场开拓能力,而企业在基础研发上的投入还非常低,国内产学研结合又存在诸多体制机制障碍,导致研发与制造环节脱节。


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