“十三五”期间我国机器人产业动态与实践探索

“十三五”期间我国机器人产业技术主要集中在四个方面:在基础技术方面,现在我们更加重视机器人基础前沿技术研究,而以机器人与人工智能为代表的新一代信息技术的深度融合正在如火如荼地开展,新一代机器人系统已经成为热点,这是从基础前沿技术的角度来讲;从共性技术的角度来讲,机器人的核心零部件,包括减速机、控制器和电机已经基本实现了产业化,技术指标和性能已经接近了国际同类产品水平,最重要的一点是核心软件、操作系统和功能软件都得到了高度的重视;从产品和系统方面来看,机器人领域内的产品与系统都开始从低水平的、简单重复的模仿向中高端迈进;在应用方面,机器人系统集成已经有了简单的作业,并且向智能作业发展,应用行业和应用领域开始不断拓展,从原先传统的机器人行业向新的行业过渡。

近几年,我国机器人取得了非常大的进展:

核心零部件关键技术取得重大突破,部分实现了小批量的行业应用,例如谐波减速器出货量已经达到了每年8万台,RV减速器近几年累计在自主品牌机器人上实现了近2万台的应用,这些应用都在缩短着我国产业核心零部件依赖进口的进程。经济型低成本的工业机器人也提升了国产机器人占新增装机的比例,去年我国自主品牌的工业机器人的销售已经接近3万台,比2015年增长了近30%。国产自主品牌工业机器人系统集成方面比较有代表性的就是成功应用在焊装领域,自主研发的汽车车身柔性焊装的自动生产线突破了车身的高端领域,改变了被国外公司垄断的局面。

骨创伤智能化微创手术就是率先国产的自主品牌机器人,第一个拿到了医疗机器人的三类证书,而且实现了临床应用,显著地提高了手术质量,应该说这款产品的整体水平已经达到了国际先进水平。

我们在核电领域研制了大量的核电专用的机器人,提升了我们国家核电设施运维的自动化作业水平,同时保证了核电的运行安全。在极地考察方面,我们研制的南极科考机器人直接支撑了国家南极冰盖选址的工作,推进了我国南极科考装备向智能化的发展。救援救灾方面,我们研制的双臂救援机器人,包括空中飞行侦查机器人在我们国家几次大的地震,包括芦山县龙门乡的灾难当中都发挥了突出的作用,为施救赢得了宝贵的时间,取得了显著的社会效益。

我们都知道“中国制造2025”,2020年是数字化深化应用阶段,2025年是深度互联阶段,2030年是自主智能阶段,这些对机器人都提出了新的要求。2020年数字深化应用阶段要求机器人提高自动化水平,也就是针对复杂应用开展自动化。2025年互联智能是基于物联网机器人互联,包括对机器人全周期的监测、预测和诊断,包括基于大数据云端智能的自主学习、推理进化等。2030年自主智能阶段随着网络结构、大数据、人工智能的发展,会催生一批新型智能机器人的智能体系,包括针对具体场景智能发育式的学习,还有对具体环境的感知能力。

从机器人的发展趋势来看,工作环境由结构化向非结构化转变,这就要求机器人具有感知的能力,也要求在一些野外和室内动态非结构化环境的精确定位方法,人机关系由物理隔离向人机协作转变。这种趋势要求机器人应该具备多模态信息的人机自然交互,包括可穿戴式的脑机电信息交互,还有人机协作互助。再就是应用方式的问题,应用方式已经由大批量刚性的生产向定制化柔性生产转变,这就要求一些类人灵巧性的操作,包括生产线的快速布置、自适应和可重构的问题。这是应对未来小批量、多品种、定制化的模式转变。

从目前的集成机器人产业现状来看,的确存在一些问题,包括创新能力、核心技术学识、产业面临空心化风险的问题,也包括重点行业领域需要的机器人完全依靠进口的问题。针对这些问题,结合机器人制造和智能发展趋势,以及目前机器人的现状,国家在“十三五”期间从科技支持角度确立了一个机器人重点专项。我们从智能机器人的基础前沿技术、共性关键技术、系统与产品研发和应用示范等四个层次、六个方向——机器人基础前沿技术、新一代机器人平台、共性关键技术、工业机器人、服务机器人、特种机器人等,部署了17项重点任务。

首先是新型结构材料传感控制与仿生技术,例如一些新的、比较有创造性的仿生机器人,或者是一些基于新材料和功能材料的机器人,这些是解决有关创新的问题。

智能机器人学习与认知技术,就是要支持机器人与人工智能的深度融合,包括如何充分利用当代的人工智能的成果,研究如何开展这种机器人的智能发育,通过不断地学习,使其智能水平能够不断地提升。

人机自然交互与协作共融技术,可以从三个层次来看:多模态多层次融合的人机自然交互,不是简简单单的语音,包括表情、手势等等,这些都是多模态信息的自然交互问题;生机电系统包括脑电和机电;还有人机共享环境下的合作意图、行为决策、实时规划和安全协同这种协作共融技术。

新一代机器人技术平台包括两个部分:互助协作型的机器人平台,哈工大也有好多新一代的机器人,尤其是互助协作型的机器人出现了很多产品,包括单臂、双臂和移动操作臂等。人体行为增强型机器人也叫助力,包括全身上下肢的,工业领域和服务领域对该类机器人的应用需求已经开始展现,我们需要突破它的原型样机和产品化的问题。

机器人共性技术有三个:首先是机器人核心零部件,减速器包括谐波减速器、RV减速器、伺服电机和驱动器,也包括机器人控制器,这是传统机器人的核心零部件。“十三五”还要重点支持机器人的专用传感器和末端执行工具。核心软件支持的是操作系统,需要重新探讨和研究机器人到底需要什么样的操作系统,尤其是在以人工智能为代表的新一代技术相融合的时候。再就是机器人的功能软件,包括设计仿真、生产线的布局优化,包括工艺、监督、故障诊断等等功能型软件。第三个是机器人测试安全和可靠性技术,测试方面现在我们想做的事情就是工业机器人还是以重复定位精度衡量性能,发展了这么多年,测试仪器也在发展,包括离线编程等等软能力的发展为工业机器人提出了一些新的需求或者新的要求,传统的以重复定位精度定义工业机器人是不是合适?还是要从绝对定位精度来定位机器人的性能,应该如何测试和评估,包括服务机器人也是一样,怎么定义这个服务机器人整机的性能?同样还有安全性和可靠性的问题,需要把现有的这种可靠性引入到机器人领域,提升我国机器人领域的水平和可靠性。

系统和产品研发有六项任务。工业机器人的智能作业系统,就是把传统的工业机器人赋予外部传感器,让它做一些更复杂的作业,能够在我们国内比较高端的行业实现应用。“十三五”不再支持简单的机器人上下料搬运码垛,而是具有一定智能型的作业,或者是复杂的作业。再就是新型工业机器人,我们有很长的产业链,也有非常多的应用需求,有些需求需要特制或者专用的机器人,把它定义成新型工业机器人,比如用于切削加工的混联型机器人,或者是用于港口室外自动化的机器人,这些都是在新型工业机器人当中给予支持的。

服务机器人领域非常广泛,国家层面考虑到已经进入老龄化社会,我们有数以亿计的老人,助老、助残和养老已经成为我们国家的社会问题。重点要解决的是老年人的行为辅助、个性化护理和照料看护机器人,包括针对残障人士的智能假肢系统。现在还有大量服务机器人的产品层出不穷,很多公司都开发了服务机器人,我们要布一个服务机器人的云端在线服务技术与平台,这个平台就是为众多的小的服务机器人企业提供云端的服务,提升它的智能,降低它的成本。这是一个盈利模式非常明确的任务,很多大型互联网公司都在做这些事情,积极性比较高。

特种机器人也分两个任务,一个是特殊环境服务机器人——环境适应性技术和自主作业系统,主要是针对一些特殊的行业,比如核电和盾构,对人体的危害非常大,或者是人根本无法进入的环境,我们会做一些特种机器人的样机系统,更重要的是要做实用性的系统,而且要突破遥控操作作业效率比较低下的问题,也就是如何把局部职能与遥控操作有机地结合起来,提高作业效率。另一个是医疗康复机器人,这也是 “十三五”支持的重点,它所支持的范围非常宽,从微创、介入、靶向治疗和火检都可以支持。重要的是 “十三五”支持的是一些专科型的,功能比较单一、系统比较小、成本比较低的医疗机器人,这在我国市场需求量更大,技术复杂度也更容易实现成熟化。示范应用方面我们也有一些项目或应用示范,工业机器人要在典型行业、重点区域实现示范,服务机器人要面向助老助残、智慧家庭和社会服务进行系列的典型示范,特种机器人要面向医疗康复、安全救援和科学工程进行典型的示范应用。

我们相信,经过国家“十三五”大量的投入——可以说每年投入的资金都相当于前5年投入的总和——希望经过这5年的努力能够达到一个目标,就是在基础前沿技术方面达到一些国际高水平的研究成果,取得一些原创性的成果。共性技术方面希望在核心零部件取得突破,能够在自主品牌机器人上实现一些规模化的应用。系统研发方面需要出现一批包括新型工业机器人、医疗手术机器人、自主作业特种集成机器人,就是具有世界先进水平的机器人产品系统,通过这些研发提升整体的研发能力,使得我国的机器人向中高端化迈进。示范应用层面应该实现工业机器人在国家这些重点行业达到一定批量的应用,典型行业和领域不断拓展,自动化水平得到显著提高。服务机器人和特种机器人能够在助老助残、智慧家庭、医疗康复、安全救援、科学工程等方面取得一些明显的经济和社会效益。

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