美國制造業(yè)占了12％的全國GDP以及占有9％就業(yè)人員總數(shù)。接近70％來自美國的進(jìn)出口和制造業(yè)有關(guān)。該行業(yè)代表了一個對國家經(jīng)濟(jì)健康非常重要的領(lǐng)域。 在過去的40年中，機(jī)器人應(yīng)用方面取得了巨大的進(jìn)步，特別是在汽車行業(yè)。最近，電子行業(yè)已經(jīng)成為主導(dǎo)行業(yè)。在2011年，制造業(yè)的機(jī)器人銷售增長了44％，這是美國生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)蘇的一個明顯原因。在一些公司，機(jī)器人生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)被用來作為生產(chǎn)制造的促進(jìn)者，如蘋果、聯(lián)想、特斯拉、富士康等等。機(jī)器人的應(yīng)用正從一些大公司如通用、福特、波音、洛克希德·馬丁公司等到中小型企業(yè)過渡，使得一次性產(chǎn)品的制造呈現(xiàn)爆發(fā)狀態(tài)。

在《機(jī)器人技術(shù)能否讓美國制造業(yè)騰飛？》一文中我們總結(jié)了機(jī)器人及自動化技術(shù)在美國制造業(yè)以及在美國經(jīng)濟(jì)中所占的重要地位，描述了機(jī)器人及自動化技術(shù)將在何處大大提高生產(chǎn)力，并展現(xiàn)了一個具有遠(yuǎn)見的研究與發(fā)展路線圖，使美國的國家投資能夠?qū)@些重點(diǎn)研究領(lǐng)域起到推動作用。

美國國家科學(xué)基金會頒布了一個為期十五年的機(jī)器人領(lǐng)域技術(shù)路線圖，制造業(yè)作為單獨(dú)一張論述。在報告中提出的研究計劃將顯著增強(qiáng)美國的制造業(yè)經(jīng)濟(jì)，將有利于形成一個受過良好訓(xùn)練的并具有高超技術(shù)的生產(chǎn)線，創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會，并且將在美國經(jīng)濟(jì)的再次崛起起到重要的作用。

路線圖研究流程

美國制造業(yè)技術(shù)路線圖描述了制造業(yè)通過發(fā)展一系列機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)使其關(guān)鍵能力得到發(fā)展的前景。每一項關(guān)鍵能力都由一個或多個在制造業(yè)中廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域發(fā)展而來，且都指向某些基礎(chǔ)研發(fā)的主要技術(shù)領(lǐng)域（如下圖）。將路線圖的內(nèi)容整合為連貫的方案是非常重要的。

機(jī)器人技術(shù)對制造業(yè)的影響

現(xiàn)在我們用假想的例子對具有一定影響力的機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用和在應(yīng)用中具有很大積極作用的關(guān)鍵能力進(jìn)行介紹。這些假想的場景有助于說明制造業(yè)模式的變化，也是能力與技術(shù)融合的實例。本路線圖闡明了各項能力在5年，10年，15年時的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

事例1：流水線輔助機(jī)器人

汽車制造商面臨著其新型電動汽車訂單的激增，需要快速整合其他已生產(chǎn)完畢的早期型號汽車流水線的生產(chǎn)能力。流水線快速地進(jìn)行了任務(wù)的重新分配，以適應(yīng)新的汽車模型。工廠購置了一組流水線輔助機(jī)器人，其被很快地進(jìn)行了設(shè)置并開始與人類工人一起完成新的任務(wù)。流水線的第一項作業(yè)是要對機(jī)器人參數(shù)進(jìn)行微調(diào)以優(yōu)化其傳感器系統(tǒng)與機(jī)器學(xué)習(xí)算法，第二項作業(yè)是在四天的執(zhí)行時間里使工廠產(chǎn)量翻番。緊接著，一個關(guān)鍵供應(yīng)商要求更改裝配序列以適應(yīng)電池組在裝配過程中的耐受程度。于是工程師使用計算工具快速修改了裝配程序，將其打印給工人，并將新的裝配程序上載至流水線輔助機(jī)器人。這種靈活的制造業(yè)正逐步進(jìn)入我們的生活。比如，2012年8月，Rethink Robotics公司宣布，其價值2萬2千美元的機(jī)器人Baxter可由未經(jīng)培訓(xùn)或極少培訓(xùn)的演示示范而直接對其進(jìn)行編程。安裝與操作成本的降低將改變未來自動化技術(shù)在商業(yè)案例中的應(yīng)用。

事例2：獨(dú)特離散部件制造與組裝

一個職業(yè)醫(yī)師來到一個只有5名員工的主要接受來自醫(yī)療器械公司訂單的小工場。他想制造一種乘坐輪椅的四肢癱瘓病人所使用的頭部控制輸入裝置。今天，這種特殊的設(shè)備都非常昂貴，因為對其進(jìn)行制造與組裝將花費(fèi)大量的時間與勞動來對機(jī)器進(jìn)行設(shè)置。這個小工場的老板擁有一臺可接受語音及手勢命令的機(jī)器人，在機(jī)器人不知如何處置時可對其進(jìn)行指示。這臺機(jī)器人能將加工材料放置于銑床或車床上并開動機(jī)器，并且能夠?qū)Ρ匾臋C(jī)械與電子組件進(jìn)行設(shè)置，并在指令模糊而無法動作時請求協(xié)助。在不同工作位置之間的移動中，機(jī)器人能夠清理冷卻劑的泄漏并且對在狹小空間進(jìn)行工作的工人進(jìn)行安全提示。機(jī)器人能夠響應(yīng)工作時的快速請求，并且不會因為該請求會對其主要工作造成延遲而拒絕。最后，機(jī)器人對組件進(jìn)行裝配并且在下午將產(chǎn)品裝車。這樣的突發(fā)性工作對工場的日常工作只造成了很小的中斷。

事例3：快速、集成且基于模型的供應(yīng)鏈設(shè)計

國外主要供應(yīng)商提供的用于嬰兒配方奶粉的包裝被發(fā)現(xiàn)具有嚴(yán)重的質(zhì)量控制問題。在美國的首席工程師能夠使用綜合的多尺度模數(shù)融合供應(yīng)鏈模型，引入新的供應(yīng)商，重用供應(yīng)鏈中可重用部分并且對整個供應(yīng)鏈的轉(zhuǎn)變造成影響：包括生產(chǎn)、分配、裝箱、供應(yīng)及分銷。整個轉(zhuǎn)變中最重要的部分是20臺用于快速生產(chǎn)以對包裝袋進(jìn)行重新設(shè)計的機(jī)器人。

這些例子在今天看起來也許還很遙遠(yuǎn)，但我們已經(jīng)擁有了技術(shù)基礎(chǔ)，大量的專業(yè)人員、教育基礎(chǔ)設(shè)施以及在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域適當(dāng)?shù)耐顿Y。這些基礎(chǔ)能夠讓我們在15年內(nèi)實現(xiàn)上述目標(biāo)。制造業(yè)的關(guān)鍵能力

在本節(jié)中，我們將對制造業(yè)的關(guān)鍵能力進(jìn)行簡要地討論，并且給出5年、10年及15年可能會達(dá)到的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。在后續(xù)內(nèi)容中，我們將討論一些可以使我們達(dá)到上述技術(shù)節(jié)點(diǎn)的具有前景的研究方向。

具備可適應(yīng)性及重構(gòu)性的生產(chǎn)線

今天，一種新產(chǎn)品從概念設(shè)計到在生產(chǎn)線上進(jìn)行制造之間的時間間隔大得無法接受。對于一輛新型汽車來說，這個時間間隔能長達(dá)兩年。當(dāng)面對一個新的產(chǎn)品以及可以進(jìn)行生產(chǎn)的生產(chǎn)線子系統(tǒng)時，我們希望能夠?qū)ψ酉到y(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)設(shè)置，設(shè)立工作站來進(jìn)行新產(chǎn)品的生產(chǎn)。因此，在未來15年，具備適應(yīng)性及重構(gòu)性生產(chǎn)線的路線圖包含下面三個目標(biāo)：

自主導(dǎo)航

 

 

自主導(dǎo)航是一項基本能力，這將影響采礦和建筑裝備的自動化，原材料到成品的高效運(yùn)輸，在裝配生產(chǎn)線上對原材料進(jìn)行裝卸處理并將成品帶往檢查站的導(dǎo)引車輛的自動化，以及類似于入庫存儲和調(diào)配的后勤支持的操作。使機(jī)器人能夠在包含靜止障礙物、車輛、行人以及動物的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中進(jìn)行安全的自主導(dǎo)航，需要在組成部件技術(shù)上有關(guān)鍵性的投資。自主導(dǎo)航的路線圖包含以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)：

綠色制造業(yè)

美國建筑師William McDonough說：“污染是設(shè)計（與制造）失敗的標(biāo)識”。目前，從組件到系統(tǒng)，滿足自上而下需求的制造業(yè)需要進(jìn)行全面的重新構(gòu)想。制造業(yè)對于減少廢棄物的解決方式絕大部分是針對于生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄物、可利用廢棄物以及在停工和維護(hù)時產(chǎn)生的廢棄物。我們針對綠色制造業(yè)的路線圖著眼于所有組件及系統(tǒng)在整個生產(chǎn)過程中的回收利用，其過程包括從原材料的開采與加工，到產(chǎn)品制造與分發(fā)，到最后材料的回收。為了能夠達(dá)成逐步的改變，我們必須引進(jìn)新的制造業(yè)技術(shù)且新產(chǎn)品的設(shè)計也必須遵循綠色制造這一目標(biāo)。比如，向增材制造過渡將會極大地減少產(chǎn)品或零件生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢料。新的物流系統(tǒng)也需要具有廣泛的回收能力。目前，物流系統(tǒng)很難回收那些制造企業(yè)無法回收或其本可以進(jìn)行回收但不回收的材料。我們非常關(guān)注制造業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的重用、原材料的回收、每一個制造環(huán)節(jié)里對能源使用的最小化以及為生產(chǎn)新產(chǎn)品對子系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)置。

類人的靈巧操作技術(shù)

機(jī)器人手臂與手掌的靈活度最終將超越人類。在速度與強(qiáng)度方面，這已經(jīng)是既成現(xiàn)實。然而，與機(jī)器人對手相比，人類的手在完成那些需要高靈巧度方面的任務(wù)時仍然具有優(yōu)勢。這種差距歸因于機(jī)器感知、可靠的高保真?zhèn)鞲衅饕约耙?guī)劃與控制等關(guān)鍵技術(shù)。機(jī)器人的靈巧操作技術(shù)路線圖包含以下的技術(shù)節(jié)點(diǎn)：

基于模型的供應(yīng)鏈整合與設(shè)計

目前，計算機(jī)領(lǐng)域與信息科學(xué)的發(fā)展使將物理制造過程模型化、使研究人員“將圖靈機(jī)帶進(jìn)制造業(yè)”成為可能。如果完成此項技術(shù)，制造業(yè)會像數(shù)據(jù)庫及計算機(jī)一樣蓬勃發(fā)展，使系統(tǒng)與組件具有互操作性，產(chǎn)品具有更高的質(zhì)量、更好的可靠性、更低的成本以及更快地進(jìn)行交付。所以，基于模型的供應(yīng)鏈整合與設(shè)計路線圖具有以下的技術(shù)節(jié)點(diǎn)：

納米級制造

經(jīng)典的基于CMOS的集成電路與計算模式正被新的納米級制造與計算技術(shù)超越。我們已經(jīng)看到了非硅微系統(tǒng)技術(shù)以及使用自然界中觀察到的合成技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建的新方法的成長與發(fā)展。微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、低功耗超大規(guī)模集成電路以及納米技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)使次毫米級自供能機(jī)器人的出現(xiàn)成為可能。新的并行甚至隨機(jī)裝配技術(shù)有望出現(xiàn)。傳統(tǒng)的制造方式將被新的、目前只存在于想象中的納米級制造方式所取代。故納米級制造以及納米機(jī)器人技術(shù)必須強(qiáng)調(diào)其基礎(chǔ)研發(fā)：

非結(jié)構(gòu)化環(huán)境感知技術(shù)

在自動化制造業(yè)中，固定的自動化設(shè)備已被證明更加易于進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。除了一些特定應(yīng)用之外，柔性自動化技術(shù)以及大規(guī)模定制自動化技術(shù)的前景并未受到關(guān)注。造成這種現(xiàn)象的主要原因之一是固定的自動化設(shè)備為自身構(gòu)建了一個結(jié)構(gòu)化的環(huán)境以極大地簡化“智能”制造所面臨的挑戰(zhàn)。小批量的自動化制造要求機(jī)器人更加智能、靈活，并能在與人類工人共同工作的低結(jié)構(gòu)化環(huán)境中安全地運(yùn)行。比如，在產(chǎn)品流層面，機(jī)器人及其他機(jī)器設(shè)備需要在各種不同的地點(diǎn)進(jìn)行工作，以完成對產(chǎn)品（比如一輛飛機(jī)或一艘輪船）的制造，而在功能層面，則是產(chǎn)品在各種機(jī)器設(shè)備間進(jìn)行運(yùn)動。單一部件制造的挑戰(zhàn)性加劇了上述困難。感知技術(shù)的路線圖包含以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)：

與人類共事的內(nèi)稟安全機(jī)器人：機(jī)器人大眾化

現(xiàn)在有很多關(guān)于內(nèi)稟安全機(jī)器人的討論，這些討論并不只是局限于“內(nèi)稟安全”這個詞匯的具體含義。“內(nèi)稟安全”的設(shè)備被定義為“在正?；虍惓l件下，在某種特定危險氣體最易被點(diǎn)燃的情況下，無法釋放出足夠?qū)⑵湟茧娔芑驘崮艿脑O(shè)備或布線”。簡而言之，一臺“內(nèi)稟安全”的設(shè)備無法引燃可燃?xì)怏w。“內(nèi)稟安全”的要求顯然也需要像其他被設(shè)計用制造業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器一樣，在機(jī)器人系統(tǒng)中得到重視。雖然顯而易見的是“內(nèi)稟安全”會為機(jī)器人的行為帶來更多負(fù)擔(dān)，但也許這更關(guān)系到“內(nèi)稟”這個詞本身的定義。

內(nèi)稟：屬于其本質(zhì)或構(gòu)造的事物；來源并包含于有機(jī)體或其部分。這就是癥結(jié)所在：我們期望機(jī)器人必須從內(nèi)在來說就是安全的，對人類完全無害的，不管這會有怎樣的代價。這來源于那種恐懼人類可能會制造出某種凌駕于人類之上的東西的文化。也許，我們已經(jīng)制造出了凌駕于人類之上的產(chǎn)物。

比如，汽車是危險的。第一輛不用馬匹的馬車對于路上其他傳統(tǒng)的馬車來說是個威脅，不過我們早已過了那個年代。現(xiàn)在的高速公路上，你可以以超過120公里的速度超車。這并不是說汽車具有“內(nèi)稟安全“，而是說我們已經(jīng)學(xué)會接受汽車帶來的風(fēng)險。隨著時間的過去，我們逐漸創(chuàng)造了一個依賴于人類對其能力、限制以及在高速路上開車所面臨風(fēng)險都具有認(rèn)知的交通系統(tǒng)。我們將汽車大眾化，讓汽車與大眾相關(guān)，讓大眾需要汽車，汽車才成為我們社會的一部分。

在制造業(yè)領(lǐng)域中進(jìn)行機(jī)器人的大眾化，必須引入一個類似的風(fēng)險和責(zé)任評估模型。像開車一樣，制造業(yè)的環(huán)境本身就蘊(yùn)含一定程度的風(fēng)險。我們的目標(biāo)是當(dāng)機(jī)器人被加入到制造業(yè)中時，風(fēng)險程度不會因此提高。對此目標(biāo)是否達(dá)到的一個可以接受的衡量指標(biāo)是工作損失天數(shù)。如果工作損失天數(shù)在引入機(jī)器人或自動化設(shè)備之后沒有增加，那么我們就走在機(jī)器人大眾化的正確道路上。之后我們將繼續(xù)發(fā)展并細(xì)化安全標(biāo)準(zhǔn)，并且為用戶自定義任務(wù)找到工程系統(tǒng)化的解決方案。

事實上，我們必須安全地展開并且持續(xù)鼓勵針對用戶溝通需求的協(xié)同解決方案。這就包括對每個自動裝置的能力、限制以及相關(guān)風(fēng)險進(jìn)行定義。創(chuàng)新的多樣性將推動對機(jī)器人風(fēng)險和責(zé)任評估模型的接受。社會對人類與機(jī)器人同在工廠工作的理解與大的文化環(huán)境將會隨著機(jī)器人的大眾化一起到來。上述社會氛圍只會在機(jī)器人用戶數(shù)量拓寬的基礎(chǔ)上隨時間慢慢發(fā)生。自然語言編程、控制學(xué)習(xí)以及材料技術(shù)的進(jìn)展都是可能加速這一過程的潛在途徑。

機(jī)器人與人類共事的路線圖如下：

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