OnionBots
首发于OnionBots
2016美国机器人路线图讲了啥 - 工业机器人

2016美国机器人路线图讲了啥 - 工业机器人

本文来自公众号“微言创新”的约稿,由于得知几个朋友在做中文版翻译,为了避免冲突,本文主要在路线图的基础上针对几个有意思的点做一些延伸,所有配图来源于网络,侵删。


以下是正文:

针对制造业,2016版的路线图主要完成了两个目标:

  1. 确定机器人与自动化技术对于美国制造业的战略意义;
  2. 确定可以使用机器人与自动化技术提高生产力的应用领域;

机器人技术的战略意义

1、美国制造业面临的挑战

过去30年中,美国大量的制造业务被转移到加拿大、中国、墨西哥以及日本等国家,目前制造业生产总值仅占其GDP的12%。虽然制造业产值占比较低,但是得益于美国在科学技术方面的领先水平,其制造业的生产效率(按每小时或每劳动力计算)却领先于所有上述提到的贸易伙伴。

近年来随着美国国内劳动人口的减少以及欧洲、中国、日本等国家和地区持续加大对机器人技术研究的投入,美国制造业企业的领先优势正在慢慢变小。但由于制造业影响国民经济的国防、能源、交通运输、农业、医疗健康等诸多方面,因此路线图提出必须增加基础技术尤其是机器人技术的研究的投入以重振美国制造业。相比投资巨大且有很多不确定性的新兴产业,只需要投入少量的国家资源可以推动制造业的巨大进步,这是一笔很划算的买卖。

美国期望到2020年,在制造业生产总值以及生产效率两个指标上都超过中国,要想实现上述目标,必须在机器人研究上投入更多资源。

2、为什么机器人对于制造业如此重要

美国制造业面临的问题与中国非常类似,可以总结为以下三点:

  1. 当今的劳动者不再对低水平的重复劳动工作感兴趣;
  2. 工资的增长导致企业负担加重;
  3. 新一代的小型化、精密化的产品越来越不适合使用人工来生产;

大力发展机器人技术可以解决上述问题,并带来如下好处:

  1. 将知识产权和财富留在国内,避免随工厂外迁流失到其他国家;
  2. 提高企业竞争力,避免关门;
  3. 提供研发、生产、维护和操作机器人的工作岗位;
  4. 通过人机协作来极大的提升工作效率;
  5. 改进工作环境,减少昂贵的医疗开支;
  6. 增强生产线的快速响应能力,缩短产品量产时间。

大范围应用机器人技术可以应对劳动人口减少的危机,并保证美国的企业具备高水平的生产效率,以面对低劳动力成本国家的竞争。特斯拉的汽车工厂就是大量使用机器人技术提升效率降低成本,从而将生产线保留在美国国内的一个典型案例。

特斯拉位于加州的工厂

3、制造业的图灵机

Turing Machine图灵机是图灵在1936年提出了一种抽象计算模型,他认为这样的一台由几个基本元素构成的简单的机器就能模拟人类所能进行的所有计算过程,图灵机被看做是现代计算机的理论基础。路线图中提出了一个非常有意思的愿景“ put the Turing into ManufacTuring”,其主要观点是,既然所有的计算过程可以由几个抽象的基本元素来描述,那么我们也可以通过一个标准的数学和算法模型来描述所有人类商品的制造过程。

这个抽象的模型应该独立于被制造的产品本身以及所使用的生产线,只关注产品的制造过程,就好比计算两个数字之和的算法与你做运算时使用的铅笔种类无关一样。计算机领域图灵机的基本元素是纸带、读写头、控制规则以及状态寄存器,制造业图灵机的基本元素则是机器人以及与之配套的标准自动化设备(上料机、定位设施等)。在未来,生产一部手机的过程就可以由某种标准语言来描述,只要遵从同一个标准,不管使用谁家的机器人都可以制造出同样的手机。

这样一个基于机器人的抽象制造模型允许完全独立于软件和硬件来定义想要的产品,有助于提高可靠性、可维护性以及自动化完整性水平并简化应用新技术新理论的过程。

当然这一领域的研究仍然处于相对基础的阶段,大规模实施的现实基础也很薄弱,尤其在发展中国家。但是随着机器人技术的发展,我们还是可以保留一些积极的希望。


关键技术解析

该路线图给出了一系列适用于不同制造领域的关键机器人技术,这些技术的实现对于重振美国制造业至关重要,包括自适应与可重构的生产线、自主导航技术、与人类灵活性相当的手臂、绿色制造技术、未知环境下的感知技术、基于模型的供应链设计、纳米机器人以及推进机器人的民主化。

需要强调的是,这些关键技术是未来机器人领域的核心,对于其他倚重机器人和工业自动化的国家来讲同样重要。

1、自适应与可重构的生产线

社会经济的发展使得人们对于商品的丰富性和多样性提出了更高要求,商家必须比以前更快的推出新的产品才有可能获取更多市场份额。但是对于很多产品来讲从概念设计到推向市场的时间很长,因为传统固定式的生产线基本不具备可重构能力,对于绝大数新设计的产品只能使用新建造的生产线来组装,这中间有着“不可接受”的时间差。

解决的办法就是引入以工业机器人为核心的若干子系统,这些子系统可以根据新产品的设计要求快速搭建新的完整的生产线,在很短时间内就可以进行新产品的生产。根据路线图远景,对于简单的生产线,5年内应能实现24小时切换,15五年内应该实现1小时切换。

通俗来讲这项技术就是我们常说的“柔性生产线”,路线图给出的5年计划有些激进,15年计划有很大的实现可能。

2、自主导航与环境感知

从单一规格的大批量制造转向多品种小批量的柔性制造是制造业的发展趋势之一,这要求生产线具备快速重部署能力,提高机器人自主导航和环境感知能力可以大大减少生产线重部署的时间。

虽然工业机器人顶着“机器人”的名号,并且已经在很多领域获得了成功应用,但是这些机器人仍然与我们心目中理想的机器人相差甚远。严格意义来讲,当前的工业机器人只能说是一种具备高度灵活性的专用设备,相对于庞大的工业应用需求,在实际场景中的使用范围依然有限。因此,未来的机器人需要具备自主导航和环境感知能力以应对复杂多变甚至完全未知的应用环境。

相比于当前主流的巡线AGV,具备自主导航能力的AGV可以在车间环境发生变化时仍能正常的完成原料输送、成品送检、物料分发等工作,大大降低车间固定设施的投资成本,提高生产效率。

增强机器人环境感知能力,可以提升安全性(多种方式检测当前的运动轨迹是否会对人类造成伤害),提高自主导航能力(机器人可以自己移动到多个作业点执行任务),提高智能化水平(视觉、触觉等传感器允许机器人自主操控其他设备)等。

路线图提出,在15年内机器人的自动驾驶水平要高于有1年经验的人类驾驶员,并能支持完全定制化产品的生产。

3、本质安全的机器人伙伴-机器人的民主化

路线图中提出了一个很有意思的概念,即机器人的民主化(The democratization of robots),这个概念源自于知识民主化(Democratization of knowledge),指的是让普通民众接触并了解以往只有专业学者才能获取的先进知识,用在机器人这里就是指要让广大民众了解机器人。

机器人技术发展至今,每个人都在说我们需要安全的机器人,但是到目前为止对于什么是“本质安全的机器人”仍然缺乏明确的定义。一方面我们期望机器人应该对人类完全无害,另一方面我们又在利益的驱使下制造出没有任何安全自锁装置的机器人。

虽然当今科技水平飞速发展,但是在可预期的未来我们必然会面临的一个问题是,人类无法制造出在任何情况下都能保证安全的机器人(以及任何其他人类制造的产品)。在这种技术受限的情况下,推行机器人民主化,从整个社会认知方面提升民众对机器人危险性的接受程度,可以从非技术角度加快机器人的普及。

以汽车行业为例,如今我们已经不再对飞驰而过的汽车感到害怕,不是因为驾驶或者乘坐汽车已经百分之百安全,而是因为经过上百年的发展我们已经非常了解汽车本身的能力、限制以及随之而来的危险性,愿意享受便利并接受风险,这就是汽车民主化的好处。

其实,和其他生产设备一样,与机器人在工厂中一起工作这件事本身就具有一定危险性,人类对于新鲜事物的未知放大了这种恐惧。随着机器人民主化的发展,即使人类永远无法造出绝对安全的机器人,人们对于机器人的认知也会像当初对汽车一样,从恐惧到接受,再到把机器人当成社会密不可分的组成部分。

美国的同行们期望在5年内大范围应用针对特定环境的协作机器人,15年内制造出可以在未知环境中与人安全相处的机器人。

国内现状与对策

改革开放以来,中国凭借低廉的劳动力成本在劳动密集的低端制造业取得了巨大成就。但由于低端制造业的门槛低,很容易被转移到劳动成本更低的国家,中国制造业目前面临的挑战远比美国要严峻。美国重视机器人技术是为了维持并提高已有的高生产力水平,对已有制造业企业的影响较小,而中国要走的是一条淘汰落后产能并转向中高端制造业的艰难变革之路。

值得庆幸的是,飞速发展机器人的技术可以帮助我们减少行业改革的阵痛,巨大的国内市场容量、强大的财政支持力度以及当前国内特有的工程师红利也为国产机器人企业的发展提供了良好的支撑。

另一方面,在很多地方政府眼里还是“新兴”战略行业的机器人,已经在国外发展了几十年。不捧杀,不搞区别对待,营造健康的市场环境来培育市场化的公司才能直面外资企业的竞争,真正让中国机器人成为我国制造业战略升级的基石。


PS:

公众号的编辑为了提高可读性为本文增加了很多翻译内容的补充,全文可参考见 2016 美国机器人技术路线图解读系列之一 ——制造业与机器人

PS Again:

美版机器人路线图是囊括了机器人行业的很多方面,科幻色彩与实际意义并存,有条件的读者建议直接阅读英文原版,链接:pan.baidu.com/s/1o79y8y 密码:uq0h 。

编辑于 2017-04-10

文章被以下专栏收录