【CCCF专栏】 机器人在中国的兴起

有人说现在是中国在机器人技术发展领域的一个非常独特的机遇,是否如此,须先了解机器人工业目前在中国的发展状况。众所周知,中国是世界领先的低成本制造商,当然近来的趋势表明,中国在高级制造业领域也有了越来越多的身影。大约两年前,全世界工业机器人的销售总量约为16.8万台,而同年在中国,机器人销售量约为3.8万台,占世界的20%,之后还在以每年30%的速度增长。从2005年到2014年机器人供应商数量的变化可以看出,到了2011年,你会观察到中国供应商的数量突然之间有了显著增长,那时如果你去上海的话,就会看到非常多的机器人公司。如果按照这种趋势发展下去,两年之内,中国生产设备中的工业机器人会比欧洲、美国、日本和韩国还多。这是现实,并且正在发生。是什么在驱动这一改变呢?

大量的投资

主要是政府和私人资金在工业机器人领域的大量投入。中国目前拥有超过400家机器人公司,今年机器人销量的1/3是由国内公司完成的;广东省宣布在2015~2018年投资9430亿元人民币用于机器人替换人工;深圳大疆创新科技有限公司(DJI-Innovations)是一家位于深圳的无人机制造公司,今年被《福布斯》估值为100亿美元,说明这家机器人公司已成长到了一定的规模;沈阳新松机器人是目前中国工业机器人的领先者,他们投入了大量的研发工作,并取得了很大的成功,尽管跟国际领先的机器人厂商相比规模还小,但他们的投入和发展的速度都非常快。这说明中国正在成长为一个“机器人国家”,这是一种成功。

市场的需求

现在世界上机器人利用比例最高的是韩国,平均1万名工人中有396台机器人,中国是23台,预计在未来几年里会增长到200台,这里蕴含了巨大的需求空间。有分析认为,根据日本、韩国的经验,一个国家的人均GDP达到6000美元左右时,机器人的应用就会出现快速增长,中国已到这一临界点。

中国对于机器人的需求相比于其他国家更加多样化。中国的产业多样、文化多样,使得中国具有世界上最多的产业类型,有些还是中国特有的产业。中国丰富的食品加工业就是一个例子,目前传统食品加工业还比较原始,需要大量引入机器人技术以提高产品质量。

技术的进步

机器人的发展经历了简单机械式机器人、复杂机械式机器人和智能型机器人等几个阶段,每个阶段都是技术积累到一定程度的结果。传感器技术和计算机技术的快速进步是当前智能机器人发展的基础,使得过去很多无法实现的实时计算、复杂动作的规划和计算变得可行,这些都离不开技术的发展。

尽管从趋势上看,机器人在中国拥有巨大的潜力,但也面临很多挑战:

价格需要降低 现在的机器人价格都过于昂贵,在过去几年中,机器人价格已经由50000美元降低到25000美元,但这个价格依然太高。中国需要更便宜的机器人,比如5000美元显然是个更现实的数字。同样的事情也发生在中国台湾,台达电子公司正致力于生产10000美元一台的机器人,这是受市场需求驱动的。对于低价机器人的需求来自多个方面的现实原因:

1.取决于机器人投入产出比

总的来说,中国的劳动力成本较低,如果采用机器人替代人工,需要考虑机器人和人工的成本效益比。如果机器人价格过高,企业则更愿意采用人工,反之就愿意采用机器人。在中国,这种趋势还将持续较长时间。

2.机器人的数量决定了价格高低

由于机器人的研发需要很大的前期投入,若数量没有达到一定规模,其成本不可能降得很低。一旦中国的机器人销量足够大,5000美元的低价机器人也将成为可能。现在欧洲和美国还没有生产出这样的机器人。5000美元机器人的出现会成为一种真正具有颠覆性的现象,将引发计算机科学界的很多变革,这才是我真正想说的事情。这种机器人会激发出很多方面的应用,比如高级制造业、农业、老年护理、灾难应变等等。这种低价机器人会深远地影响众多领域,当然,在创造市场的同时也会毁灭一些市场。

智能性需要提高 我们来看看另外一个故事。大家都知道富士康CEO郭台铭,他在2011年时预测,到2014年时他们会安装100万台机器人,然而实际上在生产线上工作的却只有1万台机器人。这是由于他们发现人比机器人在生产线上的工作效率更高。其主要原因在于很多生产线并不是完全标准化的,尤其是在中国,生产商品的范围特别广,导致大量的企业生产都是非标准化的,而非标准化生产线上的人工很难用标准化的机器人来替代。

计算机技术需要跟进 早期的机器人完成的是简单的机械操作,现在的机器人则需要更多的智能性来应对大量非标准化的动作和行为。此外,由于生产环节的分工越来越细化,大量的工序需要互相配合。所有这些机器人应用的问题都需要站在更高的层面来解决,其核心问题是需要计算机科学界开发出更多的控制软件,而不仅仅是简单的机器硬件。

对于计算领域来说,机器人技术是整合传统的计算机技术和执行机制的新型计算机,由于其应用的特殊性,这种新型的计算机具有一些新特点,需要进一步发展计算技术才能满足新的需求:

1.廉价的传感器

机器人需要各种类型的传感器以获得进一步行为的指导,比如,视觉传感器用于看到对象,包括形状、位置等,红外传感器用于获得对象的物理属性等。但是现有的各种传感器如果要满足高精度的要求,造价普遍很高。因此,研制低价并同时能够满足机器人高精度要求的传感器是未来的一个重要课题。

2.实时算法 

由于机器人在生产线上要进行实时操作,因此指导操作的所有底层软件的核心算法都必须满足各种动作对时间的要求,这对各种实时算法提出了巨大的挑战。一个非常典型的例子就是高级印刷在线检测机器人,该机器人须实时检测印刷品的印刷质量是否合格,包括颜色是否有偏差遗漏、图案是否有错误或者错位等。由于现代大型印刷机的幅宽和速度都非常惊人,因此世界上只有一两家厂商能够提供最高端的智能印刷检测设备。

3.自动修复软件 

机器人一旦应用到生产线,最担心的就是出现故障。当大量的智能机器人同时工作时,整个生产线就是一个巨大的智能系统。中间任何一个位置出现故障,都可能导致生产线停滞,甚至造成严重的生产事故。因此,机器人的可靠性,尤其是集群机器人的可靠性成为未来研究的重点问题。自动修复软件,尤其是能够根据生产线的不断变化自动升级的软件可能是其中一种可行的解决方案。此外,在自动修复或者自动升级的过程中不影响生产安全和效率也是非常重要的因素。因此,自动修复软件对传统的软件技术来说也是一个新的课题。

4.灵活可配置的机器人开发平台 

现在机器人基本上都是针对某一类共性的需求而进行专门研发的产物,每一个机器人品种都是从需求开始,再到硬件、机械、光机电集成、软件开发和后期测试等流程。但是这个看似标准的流程,成本却比较高,也对相关高端人才形成了重复需求,大量机器人公司可能都在从事类似的研发。因此,将机器人的硬件、软件和应用环境灵活结合在一起的开发平台是未来的重要需求,这些平台可以为所有个性化的机器人开发公司所用。类似的例子可以参考工业控制领域已经在使用的可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller, PLC),它将计算机技术和控制技术进行整合,形成模块化的通用平台,对于控制技术的推广应用起到了重要的作用。

总之,中国在国际制造业当中处于重要位置,制造技术面临升级,经济发展面临转型。人工成本的提高使得机器人技术在中国具有重要的发展机遇,但是机器人的需求反过来对计算机相关的科学研究也提出了更高的要求。基于以上分析,我认为,计算机科学在机器人研究领域里有着广阔的发展前景。

作者:

迪内希·曼欧查(Dinesh Manocha)

ACM Fellow。北卡罗来纳大学教堂山分校教授。主要研究方向为科学计算、机器人和3D计算机图形学。

原文发布于微信公众号 - 新智元(AI_era)

原文发表时间:2015-09-17

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