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丁汉院士:共融机器人的基础理论和关键技术

2016-11-3 09:49| 发布者: wangyanqing| 查看: 144| 评论: 0

摘要: 中科院院士、机械电子工程专家,现任华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室主任,主要从事机器人与智能制造研究, 研究成果在航天、能源和汽车领域得到重要应用。2016年10月21日,在世界机器人大会上,中国科 ...
中科院院士、机械电子工程专家,现任华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室主任,主要从事机器人与智能制造研究, 研究成果在航天、能源和汽车领域得到重要应用。

2016年10月21日,在世界机器人大会上,中国科学院院士、华中科技大学机械科学与工程学院院长丁汉以《共融机器人的基础理论和关键技术》为题发言。他表示,未来机器人将有3个特征:1.机器人与环境的共融,2.机器人与人之间的协同,3.机器人与机器人之间的共融,并指出将来机器人可能具有多模态传感,能够更加理解人类的需求。未来机器人的发展有非常广阔的前景,尤其是随着人工智能技术、新材料技术以及各方面应用技术的快速发展,机器人的明天会更加美好。

产品创新是第一要素

现在是非常关键的转型阶段。那么在这个阶段,挑战性会更加的大,面临的问题也更加的多。我们经历了从无到有,从小到大,但是如何解决从大到强这个使命,则是非常艰巨的,并且花的时间也会比较漫长,大家需要以平和的心态去面对。

目前,我国制造业发展参差不齐,同一时期表现为规模化、数字化,智能化并行。有些企业的产业的水平比较高一点,可能已经达到了一些数字化和智能化的要求,但是大部分制造企业还处在一个低端水平的阶段、人工作业的阶段。

在这个过程中我们怎么样能够创新驱动发展,解决好产品创新是关键。因为,产品创新是引领制造,包括机器人技术的一个保障。所以产品创新应该是一个行业前进的命脉,一个产品可以带动一个行业发展,同时产品模式的创新也是很重要的。

但是,我国整个创新能力和关键技术跟发达国家还是有较大差距。近年来,我国开始高度重视创新能力的建设,2015年,国务院发布了《中国制造2025》规划,把中国制造提到国家战略高度,制造业转型升级与制造强国建设是我国将来立足于世界的必然的选择。

《中国制造2025》核心是以智能制造为主攻方向。所谓工业智能化,发展起来会更加漫长一点,而且智能化跟传感技术、信息技术、人工智能技术、大数据技术等密切相关,所以智能化技术面临的挑战也会更多。每个企业的特点不一样,不是每一家都必须要实现智能化。我觉得实现什么化不重要,最重要把产品质量搞上去,效率搞上去,怎么赢得市场。

在市场上站稳脚跟,这是重要的。基于有些企业所在行业的特点是变化周期非常快,所以必须要驱动。通过现在的信息化手段,加强装备的性能适应能力,同时使它在工艺知识上不断的积累。因为,制造业很重要的一个特点,就是要长期的进行知识积累,而不是说买了几个机器人回来,买了几个装备就是智能化了。

智能制造的发展应该是有积累的,智能制造最早应该得益于数字化,数字化是发展智能化的坚实基础,离开数字化谈智能化是空话。 

随着互联网的出现,资源可以动态的存储,慢慢的通过一些方法,就能够实现智能化。要说智能化的体现,这个过程可能在产品设计里面更加重要。

因为设计是灵魂,设计带动产业向前发展。从制造层面来说,设计在两个方面,智能设计和制造过程。其中,制造过程就是对状态进行感知,分析、决策,最后到执行。所以,智能制造也不是一蹴而就的,也是分几个阶段进行的,从最早的互联网资源共享到人工智能的出现,慢慢的才走向智能化,所以智能制造是一个长远的坚持不懈的追求目标,而仅是一个概念的阶段。

智能制造有几个核心特征,我觉得最主要的就是通过数字化、智能化手段可以把客户的需求反馈到产品的开发、产品的生产、产品的服务当中,形成一个闭环的反馈,把每个步骤都串成一个整线。另外还有很重要的一条线,就是在内部设计、生产、物流到营销上也形成一条整线。实现智能制造就是要将这两条线集成起来,第一个,就是客户到产品服务这条线要贯穿,第二个,就是从设计到生产再到物流要贯穿,这个集成过程将是一个很大的范畴,每个人和每个企业只能做其中的一部分,所以希望大家都能参与进来,行动起来,共同推动智能制造的发展。

不管如何,这两条线里最为关键的核心还是产品的智能化。人们都知道智能的产品能给社会带来很大的变化。就像最近大家都提到了深圳大疆无人机,几年前我看见几个小伙子在捣鼓无人机,发展到现在已经成为市值六七十亿的公司。目前,我国很多中低端产品过剩,但中高端产品却供不应求。所以好的设计能改变生活。我个人认为,智能制造很重要的特点就是产品的智能化。因为人们对产品的要求不断的提高,如果企业的产品增加了智能的东西以后,竞争力立马会有所提升,所以,产品创新是重中之重。

因此,离开了产品创新,单独谈智能制造,这纯粹就是概念炒作。产品创新是必须的,这也是一个过程。所以大家该思考智能制造如何进行创新过程,使它缩短周期,使创新更加方便。有的产品创新,就是设备加几个传感器,就可以实现个性化定制生产。不过,我们能做到更好。除了加传感器以外,还可以输入一些算法,使其具有一定的自主性,可以跟人实现交互,而且能够实现与人交互的机器人已经出现了很,当然,这些产品还不是特别的成熟。现在,大家都是在市场中摸索前进,都在寻条一个正确的产品创新道路。

当然,在智能制造的创新上高校也做了比较多的装备智能化。众所周知,装备加工过程当中有很多状态,需要大量的积累,所以这是一个长时期的过程。为什么国外很多中小企业装备做得很好,因为他们几十年,数百年就专注做着一件事,就像任正非强调的,“我多少年来,就做一个事情。”所以,装备的智能化也是一样的道理,只有把装备做到极好,每个细节做到极致,中国的装备在国际高端市场才有能出路。

这样广阔的市场,也不是一蹴而就的。这里面需要大量的融合,大量的实验,大量的抗干扰能力,把这个装备实验慢慢做实。装备的智能化道路对我们来说,还是一条艰苦漫长的路。

现在做得比较多的是车间的智能化。在数字化车间的建设上,很多企业做得非常好。所谓数字化车间就是对每个状态信息进行采集,实时监测这个车间的需求,这对中小企业来讲,还是一个工作量的问题。但是,大型企业工厂的智能化做的就很不错。越大反而好做,越小反而比较难。就是我们加工一个复杂零件,把一个平面点搞成光滑可能十年都不可以,数字化车间可能两年就做出来了。所以说,在制造过程中,有时候很小一件事情要花很长时间才能拿下来。

智能制造核心技术在哪里

智能制造最核心的几个技术中,一个是数字制造技术,一个是传感技术。

先来说数字制造技术,数字化制造要求制造过程要有模型,还有要有方针,包括了产品的设计、创新设计以及数控技术,还有产品管理,企业协同技术,这里面方方面面涉及到的问题非常的多,这些都是数字化制造的基础。离开了数字化就根本谈不上智能化。

第二个技术是传感技术,各式各样的传感器在企业里面用得越多,企业掌握的信息也就越多。这些信息可能有各式各样的,有嵌入的,有绝对的,有相对的,有静止的,有动态的,这些传感器是支撑我们获取信息的重要手段。它们可以灵活配置,变化非常的方便,不像机床傻大笨粗。这些技术都很关键,都是智能制造非常重要的组成部分,并且快速推动了机器人的发展。

从1959年,第一台机器人诞生以来,机器人在国民服务、制造业方面发挥了极其重要的作用。工业机器人的最大应用在汽车领域,汽车制造用的机器人最大。现在慢慢扩大到老人护理、安全,太空勘探等领域,在各行各业发挥其不可替代的作用。

但是,目前机器人各方面感知能力很差,只能在结构化的环境中工作。人机合作也都是进行简单的工作,特种机器人很多的交互是远远不能满足人们的要求。今天的机器人的技术,它的功能和实用性与人类的愿望有很大的差距,需要我们几代人拼命的工作,并且有其他学科的进步共同推动机器人的发展,所以大家对机器人的期望值不能太高。机器人应该成为新的增长点,达沃斯论坛也谈到机器人是一个新的工业革命,将会带来万亿美元的产值。

机器人的先进性是可以看得出来的。世界各国都在制订机器人的计划,欧盟关注机器人制造方面的应用,其实,全球最大的机器人市场在中国。习近平总书记两院大会提出把机器人水平上去,占领尽多市场。随着《中国制造2025》的实施,我国在机器人应用发展上迎接来新的机遇。机器人的发展历程,最早是模拟生命体简单的应用,慢慢的模拟生命体的智能自主决策,到现在机器人做得比较多是模拟智能,模拟整个群体智能。

未来的机器人怎么发展,可能将会由现在的简单交互,发展到与环境、人的交互,机器人发展一定会呈现出这样的变化趋势。有两点可以肯定,无论机器人怎么发展,高速、重载,高安全性是必须的。不管什么学科,例如机器人动力学,机器人传感,机器人结构,并联机构等,未来机器人的特点,一个就是效率可靠,安全,力气大,灵活。还有一个特点可能就是人与机器人怎样共融,机器人和人类共同把一个事情做好,而不是机器人替代人做好,人发挥人的优势,机器人发挥机器人的优势。未来的机器人与人共融,实现自然交互,也能够适应复杂的环境,实现与环境的交互。共融,一定未来的发展趋势。

那么,还有一个很重要的问题,那就是机器人和机器人之间要相互了解。一方面,牵扯到个体的自主,能够独立的判断。另一方面,群体之间,有感知、认知博弈。当然,不管与人还是与群体之间的交互都很重要。在将来,在人能够和机器人舒服的接触,增强人体的感触,并能够精确理解人的问题,所思即所答。这是未来机器人主要的发展的方向,也就是大家所说的融合。

在这里呼吁一下,我们国家机器人的发展一定要深深的扎根在技术理论上,离开了技术研究,离开了基本问题的研究,机器人的发展就会缺乏后续的动力,所以机器人发展的动力一定来源于科学的发展。把这个科学的发展的问题解决了,机器人的技术才会更进一步。

我觉得机器人将来的核心问题可能在三个方面。一个就是机构,需要有这样的顺应性,另一个是外感知,多模态,机器人要对环境有认知,还有一个是分布协调控制。这些都是支持我们改变机器人发展必不可少的一部分。所以我觉得大家拼命做机器人产业的同时,也要建机器人科学中心,机器人的研发基地。离开了这样的科学中心,那么你后续的发展缺乏动力,你可能会一阵子做完了以后,发现再过几年还继续徘徊,再过十年也在徘徊。这样你就可能被别人拉下来,会落后。
  
制造业的思考

制造技术的发展体现了很多方面的因素。值得一提的是德国弗劳恩霍夫研究所,他每的部门都只专注研究一个关键的技术,然后把这个技术做透,能够在企业里应用,成熟度可以做到7、8、9成这样的水平,这种模式非常好。就算是政府长期支持,但也只能给三分之一的钱。所以我有一点思考,我也做过科技部973项目,但是有些技术为什么走不到市场上去,这里面可能有两个问题。

一个是,高校老师太关注的是论文;另一个是,企业关注的只是成套的彻底性解决方案。所以这个过程当中,后备力量不足,实验室的技术成果差零点零几,这个技术就走不出实验室。在这样的思考下,最近我们在江苏也成立了无锡研究院,目的是和德国这个研究所对标。我们跟企业联系的非常密切,在落户不到三年的时间里,感觉到企业对智能制造的需求量很大的。所以说,这样的机会很难得。一些高校博士、研究生毕业之后进入到研究院,然后我们一起花时间研究这个领域的技术,让它在未来更加的可靠。截止目前,研究院已经发展到有100多名的专职人员,这些人都是推动技术发展的中坚力量。那么,这里我们主要还是做三个技术,数字化技术,智能化技术,还有智能化车间技术。

最近,我们做得比较好的就是大型风电叶片,我在有很多工人在现场工作,环境十分恶劣,所以,机器人要尽快进入这个行业,通过搞个六七台机器人并行加工,这样能实现叶片的高效率加工。将来一定会出现一些能工巧匠的机器人,但是能工巧匠机器人在机器人机构、控制、测量都有一些新的挑战。机器人加工大势所趋,是一个很好的方向。可以发挥机器人的优点,同时弥补,数控机床,加工一些大型零件不足。

将来的制造技术的发展可能不单就是一个经验的传承,我觉得将来的制造技术的发展更多的是一个学科的交叉。尤其是跟信息、材料、力学、物理交叉,通过学科交叉慢慢走向智能化。总而言之,智能制造追求的一定是适应性,以及自律性。同时,也面向我们国家的高端装备的重大需求,离开了国家的需求,可能会很难有发展。还要加强基础研究,拓展学科新增长点,培养高水平、高素质的人才,同时,在国际舞台上加强合作,真正能够实现我们的制造从数字化走向智能化,为国家制造强国的贡献力量。

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