從想像到現實，工業機器人正領航發展

    上周,特斯拉公開招聘與機器人相關的職位,包括機械工程師-執行器集成、機械工程師-制動器齒輪設計、高級人形機電機器人架構師、高級仿人建模機器人架構師。而在9月1日,特斯拉又發布了8個與其人形機器人Tesla Bot的相關的招聘崗位。特斯拉連續幾次發布招聘,確實有了實干的氣氛。

    無論馬斯克的人形機器人制造計劃能否如期完成,馬斯克作為科技創新界的頂流,都再一次把智能機器人推到了大眾面前,引起更大范圍的討論。機器人的發展現狀究竟如何?走向未來的機器人又還需要克服怎樣的關卡?

從想象到現實

    機器人,作為人工智能的技術代表,也是當前所有先進技術中最特殊的技術。事實上,“機器人”一詞,從誕生開始就超越了科學技術的范疇,進入社會心理的視野,成為百年來大眾文化消費中的主要題材之一。在數千年前的神話故事、文學想象中的機器人形象身上,人們可以尋找到人類對機器人的情感變化歷程。這也是人機關系形成的線索之一。

    在古希臘羅馬時期,原始機器人以活雕像和各種“神奇”的機器的形態存在:只要往石雕的獅身鷹頭張開的大嘴里扔進八枚硬幣,“圣水”便會自動從石獸的眼睛里流出來。祭司在廟宇前點燃圣火,廟宇的大門便會按照現代工程師的說法“自動”開啟。亞歷山大城的赫龍和希臘時代的其他機械師們制作的雕塑,常常成為迷信祭祀的偶像。

    關于機器人的“可靠”的記載,最初出現在著名的荷馬史詩《伊利亞特》里。其中,荷馬描繪了一個黃金做成的女人幫助煉鐵神赫淮斯托斯的故事。顯然,對于現代工業機器人祖先們的故事,常常帶有濃厚的神話傳奇色彩。這與其說是在記載事實,不如說是人類的一種美妙幻想。

    在技術不斷追逐人類想象的歷史進程下,1939 年紐約世博會上首次展出了由西屋電氣公司制造的家用機器人Elektro,但它只是掌握了簡單的語言,能行走、抽煙,并不能代替人類做家務。

    20世紀40-50年代,美國許多國家實驗室進行了機器人方面的初步探索。1954年,美國的 George Charles Devol設計并制作了世界上第一臺機器人實驗裝置,發表了《適用于重復作業的通用性工業機器人》一文,并獲得了專利。機器人終于從想像過渡到現實,并開始了發展。

    進入80年代后,隨著計算機、傳感器技術的發展,機器人技術已經具備了初步的感知、反饋能力,在工業生產中開始逐步應用。工業機器人首先在汽車制造業的流水線生產中開始大規模應用。隨后,諸如日本、德國、美國這樣的制造業發達國家開始在其他工業生產中也大量采用機器人作業。

    近年來,機器人產業取得了前所未有的“大躍進”,朝著越來越智能的方向發展,多種傳感器得到的信息在機器人中進行融合,使得機器人越來越能夠有效的適應變化的環境,具有很強的自適應能力、學習能力和自治功能。

    隨著勞動力成本的不斷提高、技術的不斷進步,各國陸續進行制造業的轉型與升級,出現了機器人替人的熱潮。同時,機器人技術發展日新月異,服務機器人也開始走進普通家庭的生活。世界上許多機器人科技公司都在大力發展機器人技術,機器人的特質與有機生命已經越來越接近。

工業機器人正領航發展

    機器人是綜合了機械、電子、計算機、傳感器、控制技術、仿生學等多種學科的復雜智能機械。根據不同的應用領域,又可大致分為工業機器人、服務機器人和特種機器人三類。其中,工業機器人占比最大,是智能制造行業發展的重要推動力。

    考察過近代工業制造的發展歷程,就足以理解機器對加工制造業的意義之重。1784年,蒸汽機的誕生成為第一次工業革命的里程碑,蒸汽機被可靠地使用,產生了新一代的蒸汽動力引擎,帶動了第一次工業革命。

    結合了工、技、貿,的“科技化+工業化”,奠定了工業時代成功的基礎。同樣的,在今天,科技化與工業化的結合也會促進新一時期工業時代的發展。在以信息化、數字化為特征的新興技術里,工業機器人的力量也不可小覷。

    工業機器人已經成為智能制造的關鍵一環。究其原因,對于工業機器人來說,能夠協助解決制造過程中的問題是首先要考慮的。或者說,正如過去的任何一次工業革命中,機器對生產率的提高一樣,工業機器人最大的貢獻是在于對制造業生產力的改善而不是機器人自身的獲利。

    工業機器人的智能部分可以以“代理”的方式來看——任務分配至控制系統的底層進行處理,加上傳感器、視覺影像、邏輯控制與通信共同協作而達成底層級(或稱為核心層)的精簡有效的控制系統。系統里眾多的“代理”相互溝通進而產生了一個群體智能。

    這個群體智能可以應用在各種各樣的生產活動中,可以是在不同的單品生產線中,也可以在不同的生產規模中,包括使用在一些柔性生產線上。將工業機器人應用到工業生產線上,不僅可以提高生產效率,還可以改善工作環境,保證工人的生命安全,同時減少原材料的損耗,從源頭降低了工業成本。

    對于中國來說,當前,工業機器人發展似乎風頭正勁。工業和信息化部發布的《2020年1-12月機器人行業運行情況》顯示,2020年累計生產工業機器人23.7萬套,同比增長19.1%,創下中國工業機器人單年產量最高紀錄。

    根據國家統計局發布的消息,2021年1-2月份,全國規模以上的工業機器人產量4.54萬套,同比增長117.6%,創下歷年同期新高。中國制造向“中國智造”升級中,機器人正在扮演著越來越重要的角色。

    工業機器人得以發展,根本上是由于技術進步規模效應帶動工業機器人價格下降。工業機器人發展的初期階段,高昂的價格一度是阻礙眾多中小企業購置設備、建設智能化生產線的主要因素。隨著國產工業機器人帶來的市場沖擊,制造技術的進步和制造成本的快速下降,工業機器人近幾年價格呈現明顯的下降趨勢。

    此外,制造業方面,人力成本正在不斷提高,對勞動密集型產業造成明顯沖擊,企業為壓縮成本轉向更經濟的生產模式,機器換人成為大勢所趨。同時,適齡勞動人口下降,人口紅利消失倒逼產業發展。這意味著,未來中國適齡勞動人口占比仍將處于較低水平,對產業自動化發展產生迫切需求。

    在多方面影響下,工業機器人自然也就呈現高速發展的態勢。

在機器人賦能百業之前

    機器人替代人工生產是制造業重要的發展趨勢,是實現智能制造的基礎,也是未來實現工業自動化、數字化、智能化的保障。盡管當前中國工業機器人在制造和工業設施領域的應用變革勢頭迅猛,但無論是從制造業方面還是應用方面來看,中國工業機器人與發達國家之間依然存在較大差距。

    從制造方面來看,工業機器人是沿著把自動化作為底層技術,再走向數字化、網絡化、智能化發展的脈絡,越往上走,越需要芯片、軟件和算法的助力。而即便自2010年起中國的制造業產值就已超過美國,規模發展水平較高,但質量效益并不高,仍然有很大的提升空間。

    時下,發達國家的工業機器人制造已經進入到了智能階段,而中國還處于入門階段。據《第一財經》報道,國產工業機器人憑借性價比、渠道等優勢,已經占據了國內很多細分領域的大部分市場,但在關鍵技術、材料、零部件等方面還是與國際的先進水平有一定差距。

    新安裝的機器人中,有71%的零部件皆來源于國外,國產化率不足30%。其中,在上游最重要的三大零部件——減速器、伺服電機和控制器中,國產化率分別約為30%、22%、35%,相對較低,在產品精度、穩定性等方面依舊存在很大成長空間。

    同時,中國工業機器人同質化十分嚴重。現階段,很多工業機器人品牌的產品在性能、外觀、技術甚至是營銷手段上都呈現出相互模仿的現象,就連各個廠商研發產品的核心技術和生產目的都是一樣的。因此,縱觀現在的工業機器人市場,幾乎沒有什么表現突出、具有一定競爭力的機器人產品。

    在應用方面,發達國家的工業機器人已經有一套完整的設備應用在工業生產線上,并且在運用工業機器人方面已經十分熟練,甚至于不需要配備專門的工業機器人操作人員,就可以使工業機器人完成其運行,而中國的工業機器人應用還需要配備專門的工業機器人技術操作人員,來輔助完成操作。

    日本在十九世紀二十年代工業機器人就已經普及,但目前為止,中國工業機器人的發展仍處于初級階段,正面臨著向高端轉變,承接國際先進制造以及國際分工等重大挑戰。

    工業機器人的不斷發展創新對從業人員提出了更高的要求,而該領域的人才供需失衡的矛盾正日益凸顯。在制造方面,伺服電機、控制器、減速器成為制約中國工業機器人產業的主要瓶頸,而中國這方面的技術人才極為匱乏。在應用方面,相應操作維護、系統安裝調試、系統集成等工業機器人應用人才缺口很大。

    種種跡象表明,機器人大規模走進生產和生活已經不再是科幻片中的假象場景,正在和必然成為現實。以工業機器人為首,在克服諸多障礙和關卡的未來,機器人還將賦能百業,面目全新。

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