《聚焦3D打印和机器人的研发——智能制造推动升级造福民生》

  • 来源专题:数控机床——前沿技术
  • 编译者: 杨芳
  • 发布时间:2016-09-18
  • 北京大学第三医院研发的3D打印髋关节假体和椎体假体成为我国目前唯一两个经过临床验证注册成功的3D打印植入式骨科医疗器械、北京康力优蓝机器人科技有限公司研制出全球第二款可真正商用的机器人产品——优友(U05)……这些令人眼前一亮的世界领先成果,均是《北京技术创新行动计划(2014—2017年)》的数字化制造技术创新及产业培育专项(以下简称“数字化”专项)的产物。  
      由北京市科委牵头、会同市经济信息化委等部门实施的“数字化”专项,部署了两项重点任务,即:“数字化增材制造创新及产业培育”“机器人及自动化成套装备创新及产业培育”。据北京市科委副主任张继红介绍,专项实施以来,北京市科委联合相关委办局,围绕数字化增材制造、机器人及自动化成套装备等方面开展工作,取得了重要的阶段性进展。
     
      智能机器人是当今制造业炙手可热的蓝海。在“数字化”专项的推动下,北京康力优蓝机器人科技有限公司研制出国内第一款可量产的大型服务机器人——优友(U05)。这是继日本软银Pepper机器人之后,全球第二款可真正商用的机器人产品。优友身高1.28米,在深度语音交互、人脸情绪识别、运动控制、自动避障等方面均有着突破性进展,为餐饮、旅游、商场、银行等服务行业提供了全新的消费体验。此外,在北京市科委支持下,纳恩博科技有限公司研发出服务机器人Segway Robot,该机器人既是可驾驶的自平衡电动车,又是可自主定位和导航、接受语音指令工作的服务机器人;北京理工大学研制的集成度高、运动协调能力强的5代仿人机器人,已在载人航天国家重大工程、国家公共安全等领域得到应用;遨博(北京)智能科技有限公司推出的国内第一款具有核心自主知识产权的轻型协作机器人,已接到来自国内外意向订单1000多台/套。
     
      骨科脊柱肿瘤、严重髋关节疾病等常会在治疗过程中面临严重的骨缺损需要修复,常规假体无论是规格、形状以及力学支持都不能满足个性化的要求。在北京市科委支持下,北京大学第三医院骨科刘忠军教授团队利用金属3D打印技术研制生产的髋关节假体和椎体假体,是我国目前唯一两个经过临床验证注册成功的3D打印植入式骨科医疗器械,标志着我国在3D打印植入物研制方面进入产业化阶段,位居世界领先地位。截至目前,髋关节假体已经植入超过700例。与此同时,刘忠军教授还用3D打印定制人工枢椎成功治疗恶性肿瘤,迄今已完成6例同类病例,形成了更加个体化、精准化的医疗服务。
     
      在推进国产高端制造装备研制应用、促进我国制造业转型升级、提质增效方面,“数字化”专项在推动工业机器人降低成本、大规模普及的同时,以更强大的性能带动制造业的转型升级。其中,北京航空航天大学与相关装备设计和制造企业紧密合作,研发出具有系列原创核心技术、迄今世界上成形能力最大的激光增材制造成套装备,在我国重点装备研制生产中应用,为保障装备顺利研制发挥了重要作用;中航工业北京航空制造工程研究所成功研制出电子束熔丝成形设备,满足了航空及民用飞机大型复杂框类结构加工需求,实现了关键基础装备国产化的目标。
     
      据介绍,为实现成果的转化和产业化发展,“数字化”专项大力推进高等院校、科研院所与机器人产业紧密结合,推动成立了“北京数字化制造产业技术创新联盟”和“北京智能机器人产业技术创新联盟”,形成行业发展合力,共同推动北京制造业向数字化、高端化、智能化转型升级。
     
      北京市科委副主任张继红表示,“十三五”期间北京市科委仍将以“数字化”专项为载体,认真落实技术创新行动计划中的重点任务,推动北京数字化制造技术的创新发展,力争在全球智能制造创新网络抢占核心枢纽位置,为全国科技创新中心建设提供重要支撑。

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    • 来源专题:数控机床——前沿技术
    • 编译者:杨芳
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    •   随着最近新兴技术能力的提升和制造业创新的进步,机器人技术的发展前景正发生着迅速的变化,新的发展趋势和应用也随之涌现。随着与物联网(IoT)和智能制造之间的联系不断加深,机器人技术的发展使企业得以在保持原地生产的同时,提高生产效率,增强竞争实力。本文将对当今机器人技术和智能制造的创新前景进行综合概述。   根据《加拿大工业机械》(Canadian Industrial Machinery)2015年10月刊登的文章,数据表明对机器人技术的投资正在持续增加。文章报道了从北美机器人企业订购的机器人的数量是空前的(14232台机器人,价值8.4亿美元,2014年同期,机器人数量增加1%,收入增加7%,保持了之前的记录)。工业机器人应用的主要产行是汽车零部件、尤以在原材料处理和点焊中的应用最为突出。同时,有意思的是,在美国这一行业的劳动力中,受过专业培训的焊工十分短缺。根据市场规模预测(见图1),全球机器人行业收入截止2020年将有望超过1510亿美元。Tractica报道其增长将主要来自非工业机器人。工业机器人预计将平稳增长,在2020年收入达到约180亿美元。   图1:Tractica报道了2015-2016年,总的工业和非工业用机器人收益及其全球市场情况   就机器人技术的发展趋势而言,该产业预计将在2014到2020年,主要在消费电子产品和电动汽车产业创造300万个就业机会。《2015技术潮流》(Technology Trends 2015)报道,从2017到2020年间,机器人技术的使用将带来200万个新增岗位。随着康复治疗机器人、可穿戴外骨骼机器人的进步,仅在康复市场就有望增加40倍。预计2020年机器人技术的发展趋势是:微型机器人可携带紧急应答器探索小型或危险环境;可穿戴外骨骼机器人用于增强使用者的体力;人机接口可以帮助截肢者控制自身活动并接收感觉反馈;模块化机器人可在预设模式下完成专项任务;智能机器人结合人工智能和机器学习技术进行类人表达和反应;通过引进弹性纳米管肌肉以增强机械强度;电源可换式机器人在离网区域启动应用;机器人网络允许机器人接入数据库,分享信息和学习经验;远程监控机器人可代替你在遥控区域进行工作。   近十年,美国联邦政府为提高美国竞争力和促进就业提出了多项动议。由美国联邦政府机构(美国国家科学基金会(NSF)、美国农业部(USDA)、美国国家航空航天局(NASA)和国家卫生研究所(NIH))共同赞助的国家机器人计划(NRI)在2011年启动,旨在促进机器人在美国的发展和使用,以协助人类或与人类共同工作。就制造业而言,这一计划覆盖了从基础研究和开发到产业制造和配置的整个生命周期。此外,机器人还是美国商务部(U.S. Department of Commerce)美国国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology,NIST)的优先主题。特别是,他们着重将协同制造机器人作为增强制造业竞争力的必要工具,通过极大提升反应能力和创新能力来实现。在人—机协作主题下,与人协作的机器人以及“自己动手(do-it-yourself)”工业机器人成为工业机器人的新的生力军出现在大众面前。这些机器人可以同人一起或者在人旁边工作,完成之前需要人机分开完成的任务。   今天,人机合作/共存的时代终于到来,在真实世界中,无论是在大型工厂还是小型作坊的制造现场,机器人同人类一起工作。然而,跳出当前应用局限,能在更广阔的行业和制造商中广泛应用的高级机器人系统需要具备较高的能力、感知力、敏捷性、可移动性、复位性和操作安全性,还应便于指派任务和重复指派任务。机器人不是单独的实体,它们应用于广阔行业中,存在于商业世界里,必须无缝而快速地与之融合。换言之,机器人技术改变着商业模式和一体化战略;由科技创新驱动,存在于工厂“内外”。   机器人技术被视为是能够变革制造业的关键改造技术。此外,改良的机器人技术和制造自动化的广泛采用将享有知识产权和财富;通过提高企业竞争力来拯救企业;提供机器人维护和培训的工作岗位;使工厂安全使用人机团队;减少高额的医药问题;以及减少成品在渠道流通的时间来更快速地响应零售商需求的变化。   许多人将始于十八世纪晚期的工业革命划分为四个阶段。在工业革命的第三阶段引入了机器人,从而开始了机器人技术革命。机器人技术革命的第一和第二阶段的形式是基础自动化,机器人的工作区视为人类的障碍。第四次工业革命(被称为工业4.0)给我们带来了移动性更好、更智能和感知更强、能力更高的机器人。机器人技术系统转变为信息物理系统(CPS)。工业4.0智能工厂——可自我编程的互联行业即将来临。   正如《NRI机器人技术路线图》(NRI Robotics Roadmap)所报道的,研发一套基础机器人技术是提供制造业技术路线图预期的关键能力所需要的。每个关键能力源于制造业(矿业、加工业、分立零件制造业、装配、物流——运输&分派)中一个或多个重要的广泛应用领域。穿越弗若斯特沙利文公司(Frost&Sullivan)呈现的2000年及之后的移动机器人技术路线图,在21世纪初期,通过远程监控,远程接口系统促进了可控货仓/管理系统、可穿戴式外骨骼技术和遥控机器的产生。到2010年的十年间,自动滑行随着半自主机器和仅能进行有限人机互动的人工智能初始阶段的出现而出现。可以预见,2020年及之后,具有人类情感、流利交流能力和适应环境的协同机器人和智能机器的全面自主将会出现。   截止2020年,物联网将由上万亿的海量传感器驱动,其中许多传感器将嵌入新兴的机器人系统中,为物理世界提供物联网信息价值环的信息物理连接(创造—交流—聚合—分析—行动)。随着智能传感器和高级分析的出现,介入应用将具体化,使物联网应用不再仅限于监控。   智能制造是基于物联网、信息物理系统和云系统的工业4.0新创举。就技术上而言,它是一门狭义的学科,包括但不限于生产管理技术、供应链管理、模拟、维护、机器对机器(M2M)、设施和传感器网络。根据会议共同组织者——智能制造领导联盟(Smart Manufacturing Leadership Coalition,SMLC)和国家科学基金会,智能制造以企业/工厂为主导,包含可靠且可扩充的方式,为制造业提供基于模型的操作和决策支持,能够稳健地应对变化和差异。智能制造通过数据、协同信息物理系统、物联网和互联企业(制造现场—商务体系—供应链连接)发展控制战略和开放性平台技术(公共—私人伙伴关系)而进行智能产品制造的。未来智能工厂共有15个核心元素,其中三个毫无疑问属于机器人技术领域(信息物理系统、自动驾驶车辆和柔性机器人)。根据NIST给出的描述,智能制造是“完全集成的协同制造系统,可以实时响应,以满足在工厂、供应网络和客户需求方面,不断变化的需求和条件”。分享同一个目标的不同智能制造联盟协作努力,在整个价值链中通过开放式连接实现工业实践的现代化   最后,物理和数字世界的聚合孕育了智能工厂和新一代的工业机械。在这个被称为工业4.0的新时代里,聚焦使用物联网和信息网络系统以简化制造和业务流程,提升功能和精度,增强质量和能力14。几乎所有的方面都是数字化的,包括机器控制、监控、管理以及数据上报和分析。甚至操作者也通过人机界面(HMI)与机器进行数字化互动。智能工厂带来了许多好处,包括操作时间的减少、提高生产能力的机会、促进产量、提升效率以及通过高级数据分析减少停机时间。机器人技术是智能制造创新前景的关键组成,也是工业4.0和物联网提出的向计算机化工业生产和智能工厂迈进这一构想的完美体现。.
  • 《智能制造推动中国制造业转型升级》

    • 来源专题:数控机床与工业机器人
    • 编译者:杨芳
    • 发布时间:2018-09-20
    • 在人工智能、大数据、物联网等新兴技术的推动下,智能制造已然成为中国制造业转型升级的“新动能”,它让传统制造业脱胎换骨的同时,也以前所未有的速度和方式改变着中国。   制造业升级推动中国产业发展   自动播放轻音乐“唤醒”主人的智能音箱、能够单手做俯卧撑的手掌大的机器人、搭载着人工智能系统的新能源自动驾驶汽车、能“S”形弯折的柔性显示屏……中国制造业特别是智能制造领域的发展成就,令2018世界制造业大会的与会人士惊叹不已。   在科大讯飞股份有限公司董事长刘庆峰看来,制造业升级是推动中国产业发展乃至全球技术更新的催化剂。“人工智能的多维度发展、多产业链运行,将和教育、医疗、汽车等一系列制造行业深度融合”。   “我们身处智能制造时代,无所不在的智能制造正改变着人们的生产生活方式。”工信部副部长辛国斌表示。   据统计,截至2017年底,中国人工智能核心产业规模超过180亿元,相关产业规模达2200亿元。智能网联汽车、智能服务机器人、医疗影像辅助诊断系统等智能化产品在中国已有较好的技术和产业基础。   “智能制造除了使我们的制造过程更加智能化,比如在制造过程中大量运用机器人、物联网等新技术,同时还能让产品本身智能化。”科大讯飞股份有限公司高级副总裁张友国介绍。   外企竞相拥抱中国“智”造   随着中国制造业供给侧改革的深入,越来越多的外国企业瞄准了中国制造业发展这一红利,竞相调整全球布局,顺应中国制造从“低成本、低技术含量”转向“高科技、高质量”的转型过程。   国家发改委宏观经济研究院副院长吴晓华表示,中国制造业在转型升级中不断扩大对外开放,给外资企业创造了大量的投资和市场机会。   他说:“新一轮的制造业升级开放对外国企业来说,也许比第一轮有更大的红利,因为附加价值高,市场购买力更强。”   5月25日,江淮汽车与大众汽车集团合资生产的首款电动汽车在合肥下线。这款纯电动车以江淮汽车的新能源技术框架为基础,融合了大众旗下西雅特品牌的设计理念,将于今年下半年上市。   大众汽车集团(中国)总裁约亨·海兹曼介绍说,该款电动车续航里程超过300公里,搭载了人工智能技术的语音控制平台及包括智能充电、智能停车在内的出行解决方案。目前,该车型已接到来自大众共享移动出行伙伴的数千台订单。   据了解,江淮大众汽车有限公司于2017年12月成立,是中国首个中外合资新能源汽车企业,也是大众汽车集团在中国的第三家合资企业。   去年11月,惠而浦(中国)股份有限公司在合肥开始打造其全球第三个智能制造示范工厂,惠而浦(中国)股份有限公司在工厂里配备了智能机器人辅助生产、自动化物流运作、虚拟现实眼镜、设备状态追踪、大数据网络监控等手段和系统,期望最终实现物联网环境下的智慧工厂运营模式,完整建设计划将耗时十年。   数据显示,2017年,在中国设立的外商投资制造业企业达4986家,比上年增长24.3%,制造业吸引外商直接投资总额达335亿美元,外商投资重点也从加工制造业,逐步拓展到计算机、集成电路、智能制造等高新技术领域,在中国设立区域总部、研发中心的跨国公司近2000家。   一些国外行业人士表示,希望中国制造业的大门更为开放,与全球制造业企业开展更加深入的合作。   发展智能制造要深耕基础科研和技术   “改革开放40年来,中国制造业积极融入全球经济体系,发挥自身优势,承接产业国际转移,发展取得长足进步,但距离制造强国还有很大差距。”辛国斌坦言。   据介绍,从经济效益看,2017年入围世界500强的企业中,中国企业平均营业收入比美国企业高11%,但平均利润却低了30%;从核心技术看,80%的集成电路芯片制造装备、90%的通用计算机CPU和基础软件都依赖进口;从产品质量看,通用零部件产品寿命一般为国外同类产品寿命的30%到60%,模具产品使用寿命一般较国外先进水平低30%到50%。   辛国斌说:“加强对外合作、加强交流沟通、共同应对新一轮科技和产业变革、积极参与全球经济竞争合作是我们基于对自身的认知,而推进制造强国建设则是我们立足制造业现状,对未来30年的展望,在这个过程中既不可夜郎自大,又不必妄自菲薄。”   毫无疑问,中国制造业的开放步伐还将加快、程度继续深化,但在这一过程中,必须要以创新为驱动,加大科技攻关力度,找准价值链新坐标。   刘庆峰认为,中国制造业未来必然走向与人工智能的匹配和深度融合。“未来30年,如果我们抓住了人工智能产业机遇,将会在全球的价值链中有更大的话语权和影响力。所以,我们一定要把人工智能和中国制造,提到双能驱动、并驾齐驱的战略高度。”   一些业内权威专家指出,发展智能制造要更加注重深耕基础科研和技术,全力打造中国智能制造核心竞争力。   “目前我国人工智能产业超七成分布在应用层,而不是在技术层。如果要在2020年实现核心智能产业总产值达到1500亿元的目标,整个行业水平就需要大幅提高。因此,智能制造产业的爆发期还远未到来。”中国工程院院士李德毅说,“我国智能制造的产业基础仍不够牢固,因此要继续集聚自主研发原动力,在技术层上下大功夫。