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机器人加速驱动制造模式变化 创新领跑黄金窗口期

2015年04月30日 14:40中国机床商务网作者:罗百辉点击:5105

  【中国机床商务网 投稿专栏】进入21世纪以来,全球制造业正在向自动化、集成化、智能化、绿色化方向发展。作为智能制造的主力军,工业机器人不断从汽车制造领域向机械、建材、物流、食品乃至航空、航天、船舶制造等领域渗透。智能技术与社会生产、生活相结合,还催生了可从事修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作的服务机器人和特种机器人。“机器人革命”有望成为“第三次工业革命”的一个切入点和重要增长点,将影响全球制造业格局。国际机器人联合会(IFR)预测:“机器人革命”将创造数万亿美元的市场,从而带动与机器人相关的新材料功能模块、感知获取与识别、智能控制与导航等关键技术与市场快速发展。
  
  2014年6月9日,习近平总书记在两院院士大会的报告中提到,“机器人是‘制造业皇冠顶端的明珠’,其研发、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”。“我们不仅要把我国机器人水平提高上去,而且要尽可能多地占领市场。我们要审时度势、全盘考虑、抓紧谋划、扎实推进”。
  
  全球发展现状
  
  经过五十多年的快速发展,在发达国家中,工业机器人已经广泛应用于汽车及汽车零部件制造、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料行业、食品工业、木材与家具制造业等诸多领域。作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段,工业机器人已经成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志。
  
  目前,从全球机器人技术现状来看,呈现两大特点:其一,无人系统备受关注,仿生领域已成重点。在无人系统领域,典型代表为美国研制的RQ-4全球鹰无人机。作为目前最先进的无人机,在伊拉克、阿富汗战场上得到了广泛应用。在仿人/生机器人领域,1999年日本本田率先研究双足仿人机器人的预测运动控制,并在2000年发布了首款ASIMO机器人。在仿动物机器人领域,波士顿动力公司率先突破四足机器人复杂动力学建模、控制与驱动问题,于2005年推出了首款BigDog四足大狗机器人。其二,医疗康复渐成热点,家用服务逐步成真。IntuitiveSurgical公司1999年首次发布达芬奇外科手术机器人。目前该系统在1450余家科研及医院场所得到安装使用。
  
  从产业现状来看,全球机器人发展有四个特点:首先,全球市场快速增长,工业应用独占鳌头。据国际机器人联合会(IFR)统计,2013年全球机器人市场总规模达342.7亿美元。其中,工业机器人市场规模约为290亿美元,同比增长11.5%。其次,工业应用逐步拓展,服务应用渐成热点。国外工业机器人企业的业务大多起源于汽车制造。近年来,工业机器人企业开始高度关注电子信息制造、食品加工、化工等传统行业中的机器人应用。机器人应用也正从工业领域向国防军事、医疗康复、助老助残、家居服务等领域迅速拓展。其三,跨国企业优势明显,大型企业发展全面。目前,跨国企业在核心零部件、整机、系统集成等机器人产业链的各个环节均有明显优势。例如在减速器领域,应用于工业关节机器人中的谐波减速器基本被日本哈默纳科一家公司垄断。在工业机器人整机领域,发那科、库卡、ABB、安川四大企业是全球市场的绝对强者。第四,互联网企业频发力,机器人技术助发展。近两年,国际互联网企业大举进军机器人领域。以谷歌为例,2013年收购了8家机器人企业,2014年初又收购了人工智能公司DeepMind和智能家居公司Nest。谷歌还持续研发无人驾驶汽车,并取得较大进展。虚拟业务与现实业务相结合,是谷歌获取持久发展力的重要途径。
  
  机器人产业越来越受到世界各国的高度关注。主要经济体纷纷将发展机器人产业上升为国家战略,并以此作为保持和重获制造业竞争优势的重要手段。目前,日本是全球工业机器人生产规模最大、应用最广的国家,其仿人机器人、家用机器人、服务机器人技术也十分领先;欧盟及德国在工业机器人和医疗机器人领域居于领先地位;韩国在服务机器人领域发展较为优秀;美国主要优势在系统集成领域,特别是医疗机器人和国防军工机器人。
  
  我国机器人发展现状
  
  据国际机器人联合会(IFR)统计,2004—2013年的十年间,我国工业机器人市场销量的年均复合增长率高达29.8%。2013年,市场销量达36560台,同比增长30.4%,首次超过日本成为全球最大工业机器人市场。国产服务机器人、特种机器人也开始形成一定竞争力。尽管如此,2013年我国每万名制造业从业人员仅拥有25台机器人,不到日本的十分之一,与世界58台的平均水平也有较大差距。
  
  目前,我国已在工业机器人的多个领域取得重要进展。新松机器人在自动导引车(AGV)等方面取得重要市场突破。博实股份重点在石化等行业的自动包装与码垛机器人方面进行产品开发与产业化推广应用。广州数控研发了自主知识产权的工业机器人产品,用于机床上下料等。奇瑞装备与哈工大合作研制的165kg点焊机器人已在自动化生产线上开始应用。此外,安徽埃夫特、南京埃斯顿、安徽巨一自动化、常州铭赛、青岛科捷自动化、苏州博实、北京博创等企业在整机、系统集成应用与核心零部件方面也进行了研发和产业化推广。
  
  但也应看到,我国在高精度减速器、伺服系统控制系统等工业机器人核心零部件领域长期依赖进口。这严重制约了我国工业机器人产业的发展及国际竞争力的形成。
  
  我国已在仿生机器人、康复机器人等领域开展了广泛研究,并取得了一些成果。北京理工大学研制的“汇童”BHR及浙江大学研制的Wu&Kong仿人机器人连续对打乒乓球最高可达110回合,机器人与人对打最高可达140回合。在教育机器人领域,上海未来伙伴机器人有限公司于1998年推出全球第一台教育机器人产品AS-MII能力风暴机器人。
  
  在特种机器人领域,我国在一些领域已形成发展优势。例如,在水下机器人领域,中船重工702所、中科院沈阳自动化所、中科院声学所等多家单位设计完成的7000米级“蛟龙号”于2012年6月27日下潜最大深度达到了7062.68米。在民用无人机领域,深圳大疆科技自主研发的系列产品,填补了国内外多项技术空白。其飞行影像系统已占据国内70%、全球50%以上的市场份额。在医疗外科机器人领域,北航机器人研究所联合海军总医院于2003年设计出了适合辅助脑外科手术的机器人,截至2008年底已经成功实施5000余例手术。
  
  我国从1982年就开始了工业机器人的标准化研究工作,现行标准36项。近年来,我国机器人领域的专利申请量也呈逐年递增态势。截至2014年9月19日,我国机器人专利申请23877项,其中发明专利13367项,实用新型专利8325项,外观专利2185项。
  
  我国机器人发展面临挑战
  
  由于需求旺盛、潜力巨大,中国市场成为全球主要机器人厂家的必争之地。发那科、ABB、库卡、安川、Staubli、Denso、Epson、Toshiba、Adept、三菱、Yamaha、川崎重工等,均在中国设立了分公司,并且大部分已在国内拥有工厂或计划开设工厂。这些企业普遍以六轴或以上高端工业机器人为主,几乎垄断了国内汽车制造、焊接等高端领域。此外,国外核心零部件企业也抓紧抢滩我国市场,如纳博特斯克近期将在中国投资50亿日元建立新工厂,并计划在2016年生产10万台精密减速器。
  
  据美国IHS统计,2015年国际机器人整机厂商在中国的总产能将超过55000台/年。加上本土企业及新进入者,2015年国内机器人整机产能将达到60000台/年。
  
  全球机器人产业研究专家、金模网CEO罗百辉表示,截至2014年12月,国内机器人企业达到4000家,但迄今为止国内高校还没有开设独立的机器人学专业,无法培养机器人技术和产业发展所需要的专业交叉、复合型、工程化专门人才。相对庞大的市场需求,虽然国内相关专业毕业生队伍庞大,但推动成果转化和应用的专业研发人才、设计人才、应用人才尤其是领军创业的复合型人才奇缺。目前国内现有机器人研发人员约1.5万人,行业工程师约2万人,但我国机器人专家的国际影响力还相对较弱,鲜见能够在相关国际组织任职的世界级科学家,人才资源结构性短缺问题突出。
  
  此外,在国家将机器人提升至战略性新兴产业之后,国内各地陆续出台相关扶持政策,争相打造机器人产业基地。截至2014年6月,全国已建或拟建的机器人相关产业园(基地)已超过30个,规划总面积超过2.8万亩,到2020年的规划投资额超过5000亿元。但总体说来,国内园区同质化竞争态势较为明显。
  
  我国机器人发展着力点
  
  “企业转型、升级、变革将成为永恒主题,不会因为模式变了就进入了稳定期。现在最热的几个概念,如机器人、3D打印、工业4.0,都是制造模式的变革。我们要把握方向,无论智能制造还是数字工厂都是大的趋势。”罗百辉指出,目前我国在机器人领域的技术瓶颈主要体现在三个方面。一是减速器、伺服电机与驱动器等核心零部件无法与国外同类产品竞争。二是灵巧操作、感知与智能核心单元,传感器、实用化智能软件与国外产品差距显著。三是系统集成设计技术,与行业紧密配合的仿真环境试验数据积累不够,缺乏共性技术数据平台,应用工艺与集成设计、作业与操作工具、系统集成设计软件等较为落后。
  
  目前,我国机器人产业正处于重点跨越、整体带动的发展机遇期,即应以发展工业机器人为突破口,同时以“政府引导、市场主导”的方式发展服务机器人,以支持重大工程的方式发展特种机器人。
  
  在工业机器人领域,在劳动力成本上升、制造业转型升级以及发展智能制造基础装备等因素的强力推动之下,我国工业机器人市场存在长期刚性需求,具有广阔市场空间。由于已经具有一定技术基础和产业积累,我国完全可以凭借庞大的国内市场,抓住机器人智能化升级换代发展机遇,积极培育本土企业,实现工业机器人产业的弯道超车。在服务机器人领域,我国与发达国家同处产业发展起步阶段,在研究基础、技术积累、市场需求和竞争环境等方面差距不大。随着我国老龄化社会的到来及经济社会的发展,医疗健康、家庭服务,老年看护、教育娱乐等民生市场需求旺盛,服务机器人存在巨大潜在市场。在现有技术基础和市场条件下,我国服务机器人产业具备突破核心技术,创造需求并逐步获得竞争优势的机会窗口。在特种机器人领域,在国家安全战略需求的带动下,军用机器人必将成为国防现代化的重要组成部分;安全、民生领域的反恐防爆机器人、能源安全机器人、医疗机器人、空间机器人等特种机器人也存在迫切需求。同时,我国特种机器人技术在某些领域与发达国家水平接近,在水下机器人、空间机器人、军用无人机等领域还具有一定优势。基于特定需求和已有技术基础,在国家重大战略需求的刺激下,我国特种机器人领域存在由“并跑”到“领跑”的机会窗口。
  
  工业4.0与第二次机器革命
  
  我们现在正进入工业4.0革命,为什么?第一个原因是社会发展到现在的必然。从内部因素看是技术的支撑,网络化技术、智能传感、大数据、机器人等等技术具备了这个条件。第二个原因是外部市场的变化。定制化、个性化以及产能过剩,传统的制造模式根本不可能完成这些任务,这是内外交替的过程。第三,劳动力短缺。劳动成本上升不是第四次工业革命的直接因素,而是加速了它的来临。
  
  工业4.0到底是什么东西?就是CPS,就是信息、物理、系统结合到一起。工业4.0是一套模式和体系,而不单单是4.0的概念。为什么有这个体系?社会发展到这个阶段,已经进入到这个转折点了。
  
  它的最终目的是什么?首先是改变现有制造模式,其次是一种新的游戏规则。这种规则下,机器人与网络、大数据起到重要的支撑作用。未来,我们的1.0和4.0怎么分工,存在一个规则性问题。
  
  与工业革命,也就是工业4.0相对应的是第二次机器革命。第一次机器革命突破了人和动物的肌肉力量。今天是第二次机器革命,它更多的是人类智慧的力量,所以要把智能加进来。支撑4.0模式变革的是第二次机器革命。它们最大的区别,第一次机器革命体现在产品的效果、规模、质量,第二次机器革命则是对信息和智能的开发,它更具备程序性。假如没有第二次机器革命,第四次工业革命只是一个框架。
  
  第四次工业革命与智能制造背景下的机器人技术,是什么样的技术?东莞市机器人技术协会副会长罗百辉表示:传统机器人的机械手也好,机械臂也好,是一种可编程的设备;新一代机器人脱离了机械设备的概念,更多纳入了网络、信息的传感。在这个范围内,机器人的范畴由过去的工业机械手拓展到医疗、国防、服务等领域。
  
  再看一下,中国制造2025规划里的机器人是哪一类?它包括了智能传感,而不是过去的智能设备或者单一的机械手概念。
  
  新背景下,对机器人的需求也发生了变化:
  
  第一个是范畴的变化。过去的机器人就是特种机器人、机械手,现在我们再谈机器人,就是新一代工业机器人、服务机器人,医疗、养老、康复、家用,包括现在的可穿戴设备都属于这个范围。现在的机器人是一个家族的概念,而不是单一的机器人的某个设备。
  
  第二个是功能的变化。过去只是体现在高端装备,今天的重点则是“人”。“人”怎么来体现?这需要探索。
  
  第三个是支撑技术的变化。过去主要是机械、电子、控制,今天则加入了网络、大数据、智能传感。
  
  第四个是应用领域的变化。过去是简单的工业应用,现在进入了航空航天、医疗康复、社会服务各方面。因此,我国搞机器人,应该做一个详细的规划或者分解。
  
  机器人加速驱动模式变化
  
  全球目前面临一个大的制造模式变化,原因是劳动力成本上升、产能过剩和市场需求的个性化、定制化。这些内部、外部因素的变化,导致制造模式必须变革,所以工业4.0提出了一种新的制造体系。在这里边,技术提供了支撑力量。
  
  不管国际怎么发展,我国现在的制造模式是难以持续的,劳动力密集、低成本、低附加值,以及对环境的严重依赖的模式必须改变。我国的制造业必须转型升级。怎么转?从哪转?这些都是要面临的一系列问题。
  
  那么,机器人对新的模式能否形成支撑?首先从技术上分析。提升效率和质量方面,机器人具有无与伦比的优势。另外一点,从质量、效率、管理等一系列附加值提升方面看,机器人也有很多优点。第二个因素是成本。现在的劳动力成本是不是便宜?通过30多年的改革开放,我国的劳动力素质不断提高,成本也在不断上升,这是我国的一个进步。但是,我国机器人的价格经过十几年发展,下降了50%多。两者相比,劳动力成本十几年上升了几倍而机器人使用成本在下降,从投资角度,后者也具有了广泛应用的条件。
  
  大家可能会担心,机器人与就业是不是有矛盾?答案是没有矛盾。因为现在我国很多行业还是空缺。还有一些行业,人是做不了的。当然,从长远来讲,机器人替代一定技能的劳动者,必然是一种趋势。
  
  由此可以得出一个结论:制造模式变革的要求下,机器人技术提供了支撑。从可行性来讲,机器人技术不断提升、价格大幅下降,使机器人大批量应用成为可能。同时,劳动力短缺、劳动力成本上升又加速了这个进程。
  
  黄金窗口期到来

  
  通过以上的分析,我们可以得出一些有益的结论。
  
  第一,工业4.0是一种趋势和规则,而不是简单技术上的进步。它已经成为必然的发展方向,更重要的是,它是一种规则。在大的规则下,网络技术提供了基本的平台支撑,机器人和智能设备提供了设备支撑。
  
  第二,从创新角度讲,我国进入了新的创新常态。未来的发展,因为产能过剩、信息化和数字化,以及全球的透明化,竞争会越来越加剧。竞争加剧的最终结果是,创新成为我们的一种常态。
  
  第三,企业转型、升级、变革将成为永恒主题,不会因为模式变了就进入了稳定期。这将是一直在转型、一直在升级的过程。为什么?因为现在相关支撑技术、环境的变化都成为变化的常态。
  
  最后一点是我国产业转型升级、新的模式变革都迎来一个黄金窗口期。抓住了这个机遇,就能实现对工业发达国家的追赶。
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