我國應加緊部署下一代智能機器人

中國電子信息產業發展研究院裝備工業研究所所長

【摘要】機器人是典型的智能產品，隨著物聯網、人工智能等技術的不斷發展，智能機器人的應用正日益從工業領域擴展到國防軍事、教育娛樂、醫療康復、助老助殘、救援救災等其他領域。目前，智能機器人的市場需求呈現新特點，技術進步呈現新趨勢，產品研發呈現新熱潮。發達國家正以此為契機，紛紛對智能機器人的技術發展進行戰略部署，以搶占產業競爭的制高點。反觀我國，傳統機器人及關鍵部件技術總體薄弱，產業面臨空心化風險；智能機器人部署不足，與發達國家的差距很可能被進一步拉大；機器人市場需求激增，但同時面臨產業安全風險。為此，我國應該加緊部署智能機器人戰略，建立技術創新載體，加大技術研發力度，明確產品發展方向，完善標準體系建設，搶占機器人技術及產業發展的下一個制高點。

【關鍵詞】智能機器人 戰略部署 差距 競爭

【中圖分類號】 TP242.6 【文獻標識碼】A

【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2017.04.011

機器人是典型的智能產品，隨著物聯網、人工智能等技術的不斷發展，智能機器人的應用正日益從工業領域擴展到國防軍事、教育娛樂、醫療康復、助老助殘、救援救災等其他領域。由于智能制造推動生產方式變革，人類對于智能服務的需求不斷提升，智能機器人的作用日益凸顯。發達國家紛紛對智能機器人的技術發展進行戰略部署，以搶占產業競爭的制高點。發達國家的智能機器人產業剛剛起步，我國與發達國家的差距并不大。因此，我國應抓住這一契機，加緊部署智能機器人戰略，搶占機器人技術及產業發展的下一個制高點。

智能機器人的發展趨勢

市場需求呈現新特點。智能機器人是一種在人類生產、生活環境中能與人自然交互并協同作業，具備精細作業能力的新一代機器人。它與傳統機器人不同，不依靠事先編制的程序，對外界的感知能力很強，能在非結構環境下完成動態、復雜、靈活、精細的作業，實現多機協同，成為人類的助手。隨著社會的快速發展和科技的不斷進步，傳統工業機器人無法適應小批量定制、個性化制造、柔性制造等需求。此外，目前的服務機器人尚處于產業化孕育期，不具備相應的智慧和思維，無法滿足醫療護理、助老助殘等社會需求。因此，人們對于智能機器人的需求愈加強烈。

技術進步呈現新趨勢。第一，提升學習和適應能力。在當前的系統環境中，可以容忍機器人在執行任務時有更大的不確定性。實現這一目標的可行途徑是示教。一個執行任務的機器人需要觀察人類工作環境多次，通過重復執行相同的任務學會模仿人類。另外，機器人系統通過“迭代學習”技術提高自身的速度和可靠性，進而超越人類的適應性。

第二，提升建模、分析、仿真、控制能力。建模、分析、仿真和控制能力是復雜系統必不可少的關鍵因素。為了充分改進設計制造系統，模型和仿真技術需要通過實驗驗證，并結合搜索和優化技術，在生產制造系統的各個方面進行仿真操作。

第三，提升控制和計劃能力。機器人未來將需要更先進的控制和規劃算法，來處理具有更大不確定性、較寬公差和大量電流自由度比的系統。這可能涉及到將機器人的手臂末端效應器放置在移動基地。一般機器人可能具有12個自由度，但極端擬人化的人形機器人可能有60個自由度。新的規劃方法需要結合新技術，例如數學拓撲和近期規劃，從而能夠有效地搜索強大的高維空間。

第四，提高感知能力。為了監控工作進展及周圍情況，未來的工廠機器人需要改進其感知系統。除了任務監控之外，機器人應能夠檢查子裝配體和產品組件所花費的時間，以避免浪費時間和資源。要做到這一點，就需要更好的觸覺傳感器和圖像理解方法，傳感器必須能夠構建起零件的幾何模型和物理模型。

第五，構建新的機制和高性能驅動器。機器人發展歷來注重機械傳動器的精確性、可重復性和分辨率等性能指標。但如果機器人被用于一些新興環境領域，如納米和微觀尺度操縱下的環境、對材料敏感的環境以及與人類共享的環境中，就需要對機器人的驅動機制和材料選擇進行重新思考。

第六，發展人機交互能力。制造業工作環境需要重視人類的相互作用和機器人的安全性。任何涉及人機交互的活動必須能提供有利的改進結果。考慮最終用戶的需求而設計的機器人系統不僅更安全，而且更具成本效益。簡單、明確的接口和可以觀察到的、透明的行為使得人類與機器人能夠實現協同工作。人類和機器人都需要容易理解的意向指標。

第七，提高建模與陳述能力。新的制造機器人必須能夠與人類共享空間，并且能夠學會通過經驗來提高工作效率。要支持這樣的學習能力，機器人必須利用靈活、豐富的觀察技能并通過模仿人類來自主學習新技能。

第八，提高科學測量的能力。為了保證機器人的研究成果，需要加強生產車間底層的測量工作，并以此評估科學進步和技術轉讓的效果。科學測量的廣泛因素包括基本的計量性能指標、測試方法、參考工件和數據、參考架構以及關鍵技術投入標準。

第九，發展“云機器人”與自動化制造系統。制造系統需要與復雜的、動態的、高維的環境進行可靠的傳感和交互。2010年，“云機器人”的新范式出現，它要求將管理以及處理數據轉移到云。“云機器人”至少在五個方面顯著提高了機器人性能：一是提供一個全球性的圖書館，包括圖像、地圖、對象數據的幾何形狀和機械屬性；二是基于樣本的統計建模和運動的需求計劃實現大規模并行計算；三是機器人之間共享成果、軌跡和動態控制；四是人類共享“開放源碼”的代碼、數據、設計、編程、實驗和硬件建設，尤其是人氣高漲的ROS系統；五是實現問題檢測，并按需完成人類診斷。

產品研發呈現新熱潮。目前，多家科研機構和企業對智能機器人進行了研發并形成了相應的樣機或產品。在工業機器人領域，美國的Rethink Robotics生產了“具有常識”的Baxter，KUKA開發出人機協作機器人，瑞士的ABB生產了雙臂機器人，丹麥的Universal Robots生產了協作機器人UR10等。在服務機器人領域，美國的iRobot生產了Roomba系列清潔機器人，美國直覺外科公司生產了達芬奇手術機器人，日本的軟銀生產了家用機器人Pepper。

發達國家紛紛進行戰略部署

日本的戰略部署。2015年1月，日本國家機器人革命小組發布了《機器人新戰略》，制定了日本實現機器人革命的三大戰略目標和擬實施的六大重要舉措，明確了未來五年的戰略行動計劃。六大重要舉措之一就是關注技術和標準，具體推進人工智能、模式識別、機構、驅動、控制、操作系統和中間件等方面的技術研發，同時還要關注沒有被現有機器人技術體系納入其領域的創新。日本未來五年戰略行動計劃的八項重點任務之一就是發展對機器人產業影響重大的技術。

美國的戰略部署。2011年，美國公布了《國家機器人計劃》，計劃每年對人工智能、語音和圖像識別等方面的技術研究提供數千萬美元的支持。2013年公布的《機器人路線圖》指出，未來要攻克的機器人關鍵技術包括：非結構環境下的感知操作、像人類一樣靈巧的操作、裝配方面的適應性和可重構性、能與人類一起工作、具備在人類生產或生活真實場景中的自主導航能力、能自動理解人的行為和心理狀態、具備人機交互能力、具備良好的安全性能等。

韓國的戰略部署。2014年8月，韓國貿易工業和能源部發布了第二個智能機器人開發五年計劃，擬投資26億美元支持智能機器人開發。該計劃的目標是到2018年，機器人的市場規模從當前的22億美元增加到79億美元，機器人公司從402家增加到600家。計劃的首要任務是發展服務型機器人，例如災難救援和健康護理機器人等。此外，政府還提出要鼓勵國內企業加快實現與機器人產業的融合（參照日本軟銀集團的案例）。

歐盟的戰略部署。2014年，歐委會和歐洲機器人協會下屬的180個公司及研發機構共同啟動全球最大的民用機器人研發計劃“SPARC”。根據該計劃，到2020年，歐委會將共計投資7億歐元，協會將共計投資21億歐元，共同推動機器人研發。2014年底歐盟發布的《地平線2020計劃》提出要向機器人領域新增1.02億美元的投資，支持相關研究和創新，推進感知、人機交互、機電一體化、導航等機器人關鍵技術的發展。

我國智能機器人產業發展現狀及前景

傳統機器人及關鍵部件技術總體薄弱，產業面臨空心化風險。據日本機器人協會分析評估，中國的機器人技術總體落后西方發達國家約20年，尤其是在人工智能、人機對話、醫療機器人、感知測量、移動控制等技術領域與發達國家有非常大的差距。智能機器人所需的關鍵部件，如高性能交流伺服電機、精密減速器、控制器等，中國長期依賴進口。像精密減速器這類部件幾乎由日本的Teijin、Harmonic兩家公司壟斷，售價居高不下，這直接推高了我國機器人產品的生產成本，降低了產品的市場競爭力，使我國機器人的發展面臨著只能依靠加工、組裝的產業空心化風險。

智能機器人部署不足，差距有被進一步拉大的風險。我國雖然在傳統機器人的技術研發以及產業化方面取得了初步進展，但在信息網絡技術與機器人技術結合方面仍然十分滯后。互聯網企業在發展機器人技術方面的意識不強，百度公司雖然已經作出機器人相關技術研發的部署，但尚未與傳統機器人企業形成合力以共同推進下一代智能機器人的研發。如果不能抓住新一代智能機器人的發展機遇，任由國外公司（如谷歌）建成新一代智能機器人的系統平臺及技術標準，我國智能機器人的研發、生產和應用將更加被動，技術方面的差距有被進一步拉大的風險。

我國機器人市場需求激增，但面臨產業安全風險。隨著我國工業轉型升級速度的加快，機器人市場需求正呈現井噴式的增長態勢。自2013年起，我國已成為全球需求量最大的機器人市場。經測算，我國工業機器人的需求量還將大幅增長。目前，我國工業機器人密度（每萬名工人的機器人擁有數量）僅為23臺，遠低于韓國的396臺、日本的332臺、德國的273臺。

然而，我國機器人產業總體上還處于起步階段，工業機器人缺乏品牌認知度，最大的機器人企業年產機器人也僅僅只有千余臺。目前，機器人市場基本被外資企業占據，瑞典ABB、日本發那科和安川、德國庫卡等知名企業的產品在中國市場的占有率近90%。僅發那科一家的機器人產品就在我國占有23%的市場份額。隨著國外機器人企業紛紛將我國作為生產基地，自主品牌生產企業發展的市場空間將被進一步壓縮，中國機器人產業安全風險凸顯。

接下來，筆者將以中國的工業機器人市場為例，用具體數據分析中國機器人的市場需求。中國機器人市場需求源于國民經濟和社會的發展。世界經濟發展的經驗表明，在工業化中后期推動經濟增長的動力由前期對資本、資源的投入轉變為技術創新與效率提高。在提高制造業效率時，裝備水平的提升成為首要著手點，日本上世紀80年代工業機器人行業的高速成長就是這一觀點的有力例證。中國現階段的國民經濟和社會發展水平與日本上世紀80年代初期較為相似，在工業機器人市場需求方面也呈現出相似性。

在人均GDP方面，雖然目前中國的人均GDP低于日本80年代的數據，但中國的制造業主要集中在環渤海、長三角、珠三角區域，即以北京、天津、遼寧、山東、江蘇、浙江、上海、廣東、福建、重慶、河南、安徽為樣本的區域。這些地區2011～2012年的人均GDP算術平均值為8935美元，2012～2013年為9880美元。在人口增長方面，中國現階段的人口增長率約為0.5%，而日本1980～1981年和1981～1982年的平均值分別為0.76%和0.71%，人口增速較為相似。在人口結構方面，2013年中國0～15歲和65歲以上的人口比例為17.5%和9.7%，日本1980～1981年相同數據的平均值為23.42%和9.16%，這說明中國未來面臨的勞動力短缺的程度高于日本上世紀80年代初期，但中國的人口存量大，人口流動性要高于日本上世紀80年代初期。綜合判斷，現階段中國的人口趨勢與日本上世紀80年代初期相似。

在1980～1981年和1981～1982年兩個階段，日本工業機器人國內市場的平均年銷售量分別為1.9萬臺和2.1萬臺，工業機器人在制造業的平均密度分別為32臺/萬人和43臺/萬人。在2011～2012年和2012～2013年兩個階段，中國國內市場工業機器人的平均年銷售量分別為2.3萬臺和2.9萬臺，機器人密度分別為20臺/萬人和24臺/萬人。中日兩國在相應時間段內的銷售量和密度均相差不大。從經濟、人口、國家政策、國際環境等方面來看，當前中國工業機器人的市場環境與日本1980～1982年間的市場環境非常相似。20世紀80年代，工業機器人在日本蓬勃發展。自1980年到1985年，日本工業機器人的市場規模由768億日元增長到3023億日元，年均復合增長率為31.5%。以日本為例，我們可以發現中國的工業機器人市場正處于快速成長階段。

接下來，筆者將對中國工業機器人的市場規模進行預測。根據日本工業機器人市場銷售及保有量數據，1985年日本工業機器人的保有量約為9.3萬臺，工業機器人在制造業中的密度為99.28臺/萬人。2010年以來，中國制造業主要行業的從業人員數量增長平穩，至2013年達到5258萬人。受人口結構和勞動力供應因素的影響，假設到2020年中國制造業從業人員數量上升到6000萬，工業機器人在制造業中的密度將會達到日本1985年的水平（與《關于推進工業機器人產業發展的指導意見》目標相當），屆時中國工業機器人的保有量約為60萬臺。

根據IFR的數據，2013年中國工業機器人的保有量約為13.3萬臺（不考慮老舊工業機器人更新），至2020年中國工業機器人的總需求量約為46.7萬臺；此外，工業機器人的使用壽命約為12年，因此到2020年，中國在2008年之前安裝的工業機器人將全部更新完畢。根據《中國工業機器人2011年產業分析報告》的數據顯示，至2008年底中國工業機器人的保有量約為2.73萬臺，到2020年中國工業機器人的新安裝數量和更新數量合計為49.43萬臺。根據IFR的數據，2013年中國工業機器人市場銷量為3.65萬臺，保守估計，2014～2020年間中國工業機器人市場銷量的復合增長率將達到45.1%。

樂觀估計，到2020年，中國工業機器人在制造業各細分領域的密度將達到2008年韓國的水平，屆時中國工業機器人的保有量將達到83.36萬臺。根據IFR的數據，至2020年，中國工業機器人的總需求量約為70.01萬臺，加上2020年前需要更新的2.73萬臺，到2020年中國工業機器人的新安裝數量和更新數量合計為72.74萬臺。因此可以樂觀地說，2014～2020年間中國工業機器人市場銷量的復合增長率將達到53.3%。

下面，筆者將對中國工業機器人的銷售額進行預測。根據IFR數據，工業機器人的主機價格約為35萬人民幣，加上軟件、外圍設備和工程費用的系統價格約為105萬元。隨著市場競爭的加劇，預計2014年至2020年間機器人的主體價格為30萬元，系統價格為90萬元。因此，至2020年，中國工業機器人主機的市場銷售額將在1482.9億元至2182.19億元之間，完整應用系統的市場銷售額將在4448.7億元至6546.57億元之間。根據成本占比法估計，減速器的市場規模將在489億元至720億元之間，伺服系統的市場規模將在370億元至545億元之間，控制器的市場規模將在148億元至218億元之間。

最后，筆者將對中國工業機器人關鍵部件的需求量進行預測。通用工業機器人一般有4～6個自由度，需要分別使用4～6個電機和減速器，其中伺服電機的占比約為90%（交流伺服電機65%，直流伺服電機25%，步進電機10%），RV減速器約占70%，諧波減速器約占30%。預計在2014年至2020年，RV減速器的市場需求量在138萬臺至305萬臺之間，諧波減速器的需求量在59萬臺至130萬臺之間，伺服電機的需求量在177萬臺至392萬臺之間，控制器的需求量在49.43萬臺至72.74萬臺之間。

多方協同推進智能機器人創新應用

當前，我國雖然在傳統機器人技術研發及產業化方面取得了一定進展，但在信息網絡技術與機器人技術結合方面仍然十分滯后，這可能造成我國的機器人技術與發達國家之間的差距出現代際的拉大。為此，我國應該加緊部署智能機器人戰略。

建立技術創新載體。借鑒美國、日本等國的發展經驗，研究建立機器人創新中心，健全利益分配機制，形成產學研用緊密結合的協同推進格局，推動人工智能、自動化、物聯網等領域的技術融合創新，集中攻關智能機器人的共性關鍵技術，為智能機器人技術研發提供有力支撐。

加大技術研發力度。重點研發對智能機器人發展影響重大的技術，主要包括人工智能技術、傳感與識別系統技術、柔性關節、高集成一體化關節、模塊標準化體系結構等機構技術、執行與控制技術、操作系統和中間件技術、安全技術、自組裝與自修復技術、自主學習與智能發育技術、人機友好交互技術、意圖/需求理解技術等。同時還要關注沒有被納入現有機器人技術體系的創新，為研制智能機器人提供技術儲備。

明確產品發展方向。以市場需求為牽引，加快智能機器人的研發及產業化。目前工業機器人領域的發展方向一方面是要注重柔性制造，使工作部件能夠簡便頻繁切換，機器人能夠輕松安裝并隨處移動，滿足小批量或者定制產品的生產需求；另一方面是發展價格低、通用性強、功能多的機器人。目前，服務機器人領域的發展方向一是發展教育、通信和娛樂等機器人；二是推動機器人在批發、零售、酒店和餐飲業的應用；三是發展應用于護理行業的移動輔助、排泄輔助、老年癡呆患者照料和沐浴輔助等機器人以及應用于醫療行業的微創外科手術機器人。

完善標準體系建設。整合產學研用標準化技術力量，激發企業參與制定、修訂標準的積極性，逐步構建既適合我國國情，又與國際接軌的機器人標準體系和認證規范，研究制定基礎共性標準、通用技術標準、性能和檢測規范、安全標準、通信控制標準、設計平臺標準。統一架構機器人的硬件和軟件，開發能實現機器人必備功能的通用軟件平臺，為全球化標準策略的制定奠定基礎。

責 編∕戴雨潔

左世全，中國電子信息產業發展研究院裝備工業研究所所長、研究員。研究方向為高端裝備制造、智能制造。主要著作有《基于跨國公司影響的高新技術產業安全問題研究》《經濟全球化對我國產業安全的影響》《新時期我國裝備工業發展研究》（工信部裝備司委托項目）等。