以機器人為核心，新一代生產范式

寧波智能制造產業研究院組合創新研究中心 趙新華

以機器人為核心，新一代生產范式

寧波智能制造產業研究院組合創新研究中心 趙新華

互聯網、智能手機正改變著人們的生活方式。與此同時,機器人作為工業4.0的核心技術,將改變生產方式。機器人的應用將整個工業從福特時代的汽車生產線,升級為新的以機器人為核心的生產范式,其內涵包括生產布局、物流體系、質量體系、供應鏈管理、能源供給等,其外延涉及可再生制造能力、未來生產管理、產品設計模式等,影響范圍之大,需要我們用新的理念重新審視。

機器人；生產范式；制造業

1 從福特式生產線談起

手工工場時代，所有的工作是以人為核心的生產范式；進入工業時代之后的工廠，工作以能源和動力機器為核心的生產范式；隨著產品的復雜性不斷提升，以福特汽車為代表的新型工廠，將汽車制造業升級為以生產線為核心的生產要素、其他生產要素（包括工人、機器、原料、產品等等）圍繞生產線進行配置的新一代的生產范式。

這種以生產線為核心要素的生產范式，以管理學之父泰勒“動作分解”等科學管理理論為基礎，結合由此衍生出全面追溯的6Sigma全面質量管理體系、JIT零庫存的供應鏈管理方法、ERP企業資源計劃企業管理實踐等一系列管理理論和方法，非常適合復雜程度高、批量大、庫存管理要求高、質量要求高的產品制造要求。而汽車制造業以其產量超過航空航天、復雜程度超過普通產品、行業覆蓋度廣、節拍控制精準、產品質量要求達載人級安全，成為了先進制造業的標志性產業。

隨著工業機器人的不斷成熟，特別是MIB移動工業機器人、AGV自動導航運輸、LPS室內定位技術、CNC全數控加工中心、增材制造技術等新技術的出現和成熟，全新一代的以機器人為核心的生產范式即將浮出水面，有望替代百年歷史的以生產線為核心的生產范式，引領下一次產業革命。

2 以機器人為核心的生產范式的內涵

以機器人為核心的生產模式意味著“一切從機器人的角度思考”，生產布局、物流、生產加工、供應鏈等方面均采用以機器人為核心的方式。

2.1 以機器人為核心的生產布局方式

機器人時代的布局是球形空間。手工時代，由于人的工作臺決定了工作地點，因此布局是點狀的；傳統的生產布局方式，是生產線線性的，因為物流設備決定了這一切；機器人生產時代，將是環形的，機器人的手臂的運動范圍是一個有限空間，所以非移動機器人布置在中間，周邊擺放各種刀具、上下料口、貨架、半成品、加工資源，這一點在某機器人企業對未來工廠的描述中已經提到。

機器人時代的連接是立體的。由于不用考慮人走動、人的操作高度，所以輸送線的高度可以降低到最低，貼地操作，皮帶會更多、鋼結構會更低；由于不用考慮人的操作，所以不同層之間的立體空間可以很小，很窄，而不必擔心碰頭等要求；在不影響通道的情況下，由于不必考慮過多的人員安全問題，立體的安裝會更多，從而出現更立體的工廠模式。

機器人時代的工廠是緊湊的。由于減少人的操作，所以燈光照明線路可以節約，同時人的上下樓梯等通道除了檢修可以大幅減少，為人員操作考慮的空調、降溫、通風、勞保、除塵設施的成本可以大幅下降，從而帶來一種新的“機器人因工程學”，即在無需考慮人員的情況下如何進行工廠布局，需要站在機器人的視角，而不是人類的視角。

2.2 以機器人為核心的物流體系

隨著工廠內機器人的廣泛應用，物流體系中人的因素會逐漸減少。Google的AGV已經通過了沙漠測試，現在進入城區測試階段；Amazon的飛行物流也在實驗階段；沃爾瑪的地下管道輸送在改變城市的空間布局。在機器人時代，物流體系以操作方便的機器人為最佳選擇，將帶來集裝箱/托架/盒子的標準化和智能化、電梯在內的室內智能物流系統的建立、室內智能空間標簽化與標識的系統化等關鍵技術的突破和應用。

同時，物流體系伴隨著追溯體系的建立，以條碼/智能條碼/隱形條碼/RFID標簽等為代表的智能標簽技術，將成為機器人生產中的標配，并將該智能應用一直延伸到消費環節。

比如：某輪胎企業，現在在建立智能生產線的時候，考慮到用機器人或AGV為每個輪胎的制定位置內嵌RFID，一方面，在生產過程中，該信息可以為機器人、各類物流設備、檢測設備使用；另一方面，一旦輪胎出現事故，可以首先將信息反饋，確定質量問題出現的規律，改善生產，形成新的生產者和消費者的關系。這種情況下，如果在建立生產線時仍然采用以前的方式，而不能面向未來，則在未來一段時間后，會發現要再次更新。

2.3 以機器人為核心的質量體系

機器人為產品質量負責，可以大幅減少生產過程中的不確定性。但與此同時，機器人設備的定期檢驗、校準變得更加重要。同時機器人需要定期維保，通過升級軟件程序實現定期安全“培訓”。機器人用的儀表也在發生變更?，F在的智能電表和智能水表的安裝，往往考慮了遠程的讀取，而沒有給近距離機器人讀取和操作提供接口。未來智能儀表的讀取，也未必需要采用網絡方式，而是可以采用機器人可接受的短距通信方式，其位置也不必考慮人的讀取，而可以布局在更隱蔽的位置，不必預留查看空間。

危險區域的安全管理和質量控制也會由于機器人的介入，而更改升級為一種無人值守、定期巡查的方式。

機器人的大批量使用，也會改變工業大數據的使用方法，未來的生產質量管理中，是按機器人而不是按照操作工人來統計產品質量分布情況，自動采集不同機器人在不同工作狀態下生產的產品的情況，根據該數據，除了可以診斷產品的質量問題，同時還可以診斷機器人可能存在的磨損、故障和精度誤差等情況，這種科學的數據分析結果和改進方案在以人為中心的生產環境中是難以實現的。

2.4 以機器人為核心的供應鏈管理

工廠內進行采購和銷售環節交接的將有更多機器人的參與，淘寶的收貨環節也會有更多機器人的介入。這將與當前的臨時儲貨柜方法結合，成為面向未來的供應鏈管理體系。

2.5 以機器人為核心的能源供給體系

工廠內進行能源供給要考慮機器人的常用方式，除現有的能源供給方式之外，將增加無線充電等方式，同時考慮到觸電、電磁兼容、接地安全等要求，電路的布局將重新設計。同時以氣源、真空源、蒸汽源等為動力的操作方式也會為機器人的隨處使用提供更多的更方便的接頭。

除此之外，以機器人為核心，是一種面向未來的智能工廠的設計理念和哲學。以機器人為核心的監控，將帶來移動和飛行的監控機器人；以機器人為核心的管理，將帶來隨著人移動生產音頻、視頻的提示系統；以機器人為核心的管理，將出現給機器人看的二維碼生產看板；以機器人為核心的5S管理，將改變循環經濟的思維模式……

3 機器人工業時代的外延

機器人為核心的生產范式，不僅改變工廠內的生產方式，它也會改變未來對生產本質的思考。

3.1 機器人是一種“可再生的制造能力”

“我們愿意購買機器人，產品型號發生變化的時候，機器人可以通過重新調整程序實現轉產，而不必擔心該機器人無法適應產品規格的變化?！逼髽I主購買裝備時，除了關心裝備的特性、性能、價格之外，還關心投資回收期，機器人作為一種長期可使用的、多行業可使用的裝備，具有極強的適應性。

當前的很多制造資源是不可再生的，所謂不可再生，是指一旦不再生產這種產品，那么該制造資源可以回收的價值很低，很難應用于其他的領域，這造成了固定資產中很多無價值的資產。而機器人則不同，機器人是一種可再生的資產，如同房產和汽車，是一種幾乎所有行業都需要的資產。

在能源領域，可再生能源為主導是發達國家能源結構未來發展的趨勢之一；在制造領域，以機器人和數控機床為代表的可再生的制造資源為主導，也是目前發達國家工業化的趨勢之一，其結果是可再生能源占能源結構的百分比從1%上升到20%～50%，機器人等可再生的制造資源將占到當前所有制造資源的30%甚至更高。

以中國工業GDP30萬億每年為例，每10萬元年工業GDP對應一臺機器人或數控機床，則該行業可以達到累積裝機容量在30萬億/10萬元×30%=9億臺以上，機器人等可再生制造資源的遠大前景也將得到飛速的發展。

3.2 機器人改變工廠生產的所有制

工廠的所有者目前是以整體的方式對工廠擁有產權，隨著機器人的應用，一種新型的合伙方式將可能出現，機器人的所有者擁有不同生產工藝環節的機器人和對應的利潤增值。從而將整個工廠的投資，從簡單的所有者投資，變更為勞者有其田的分散式所有權和經營權模式，而這種所有制關系的升級，可能帶來的生產關系的變更，將如同小崗村包產到戶的效果。

在某大型國有企業，由于一個關鍵崗位員工的退休，造成一臺上千萬設備的閑置，同時生產產品的品質也在下降。由于原有的師徒制在中國制造領域難以為繼，既不能沿用傳統中華文明中以尊師重教為核心理念、以師徒制為核心的知識傳承模式，又不能采用西方文明中知識私有所帶來的價值激勵體制，加之80后90后的員工對于長期進行重復崗位技能的學習和積累有一定文化上的抵觸，所以，造成了核心know-how知識的流失。而將知識嵌入機器人，將機器人分清所有權，根據所有權決定經營權將產生一個新的傳承鏈條，并帶來新的生產活力的釋放。

3.3 機器人改變產品設計方式

如同珍妮紡紗機的出現改變了棉和絲綢的使用比例，改變了世界貿易中服裝相關產品的流向 ；機器人的出現，將改變產品的形式，如便于機器人操作的把手和內嵌鐵條的出現是一種方式，又如便于機器人標識而不是讓人標識的視覺符號系統。

特別的，產品形態將出現更多的標準化和模塊化的趨勢，隨著機器人能力的提升，特別是不同企業之間機器人圖紙平臺上信息交互的信息量的提升，不同產品之間共享模塊，實現跨行業、跨產品的規?；a，將成為可能。機器人會記住他所生產的每一件產品，并將之與數據庫中的信息進行對比，一旦發現重復生產或相似的東西，模塊化設計的驅動機制就會啟動，提醒設計者可能存在的通用模塊的存在。

除了以上提到的三點，這種以機器人為核心的生產范式的外延將不斷擴大，也將帶來專門為機器人服務的維修店、工具店、超市、金融服務、租賃模式、投資、機器人當鋪等新的產業形態。在這方面，寧波已經開始嘗試建立以機器人為核心的生產制造系統的智能制造小鎮，打造機器人的未來硅谷——三七市鎮，形成一種基于現實世界生態環境下的“智能制造特區”，實現機器人以及以機器人為核心的下一代生產范式的“社會試驗田”。

4 結語

一代裝備、一代工業。

每一代工業變革都是伴隨著新能源和新智能的引入。繼工業1.0以“機器換人工”機械化的蒸汽機、工業2.0以“電氣換機械”自動化的能源原動機、工業3.0以“成套換單臺”信息化的計算機以后，工業4.0帶給我們的是以“智能換數據”智能化的機器人。

機器人的引入，不止是技術層面的一種工具，而是一種新的生產方式，以“可再生制造力”為核心杠桿，改變未來工業的生態結構。

新一代機器人的應用，不僅是一個產業，而且將改變幾乎所有制造業的生產模式，為中國制造業實現彎道超越提供可能性——原有的制造模式面臨洗牌，重新定義的制造業，重新定義的起跑線，可能帶來后發優勢，實現彎道超越。

News[新聞]

工信部：建立研發下一代工業機器人國家級平臺

2015年5月21日，中國機器人產業聯盟在重慶發布市場統計數據顯示，2014年中國市場共銷售工業機器人約5.7萬臺，較上年增長55%，約占全球銷量四分之一，連續兩年成為全球第一大工業機器人市場。其中，國內企業銷售16945臺，比上年實際增長76.6%；外資企業在華銷售約4萬臺，較上年增長47%。應用方面，外資產品主要集中在汽車、電子制造等領域；國產機器人則加快拓展應用市場，已廣泛地服務于國民經濟67個行業中，但是，需要注意的是，多關節的中高端機器人，我國還在大量進口，我國自主品牌機器人還遠未能滿足國民經濟發展的需要。

對此，工業和信息化部裝備工業司司長張相木表示，希望現今我國機器人行業的發展跳出我國制造業由低端到高端的傳統的產業發展模式，打造產業集聚，扶持、發展幾家可以參與國際競爭的機器人企業，以實現跨越式發展，工業和信息化部將不遺余力地支持自主品牌機器人的發展，為行業企業提供政策等各方面的支撐。

近日，工信部發布《中國制造2025》規劃系列解讀，對機器人等八個領域進行了詳細的梳理。解讀中提出，我國將加快下一代機器人研發生產，搶占機器人技術及產業發展的下一個制高點。

為此，當前我國發展下一代機器人產業，首先注重夯實機器人產業技術基礎，著力推動現有機器人的產業化進程，加快自主品牌機器人在國內市場的推廣應用；探索新的技術研發模式，鼓勵科研院所與企業發揮各自優勢，多方建立下一代工業機器人前沿、共性技術研發與儲備的國家級平臺；從中國的國情、需求出發，突破下一代機器人核心技術，研制出下一代機器人樣機系統、產品，并推進產業化進程，搶占下一代機器人國際制高點；對于應用于不同領域的機器人產品，實施不同的發展戰略：一方面以企業為核心，以共性技術平臺為支撐，優先發展下一代工業機器人，推進產需對接，搶占發展制高點；另一方面，以市場為導向，把握國內需求特點，發展醫療、養老助殘等服務機器人和特殊服役環境下作業的特種機器人。

趙新華（1978-），男，遼寧葫蘆島人，畢業于清華大學自動化系，現任寧波智能制造產業研究院組合創新研究中心主任，中國機電一體化應用協會智能工廠分會秘書長，余姚機器換人服務中心主任，擁有制造業有十年一線生產和設計經驗，主要研究基于機器人的下一代智能工廠的建設和實施。