美國(guó)制造業(yè)占了12％的全國(guó)GDP以及占有9％就業(yè)人員總數(shù)。接近70％來(lái)自美國(guó)的進(jìn)出口和制造業(yè)有關(guān)。該行業(yè)代表了一個(gè)對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)健康非常重要的領(lǐng)域。 在過(guò)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(zhǎng)了44％，這是美國(guó)生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)蘇的一個(gè)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(lái)作為生產(chǎn)制造的促進(jìn)者，如蘋(píng)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(guò)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(guó)制造業(yè)騰飛？》一文中我們總結(jié)了機(jī)器人及自動(dòng)化技術(shù)在美國(guó)制造業(yè)以及在美國(guó)經(jīng)濟(jì)中所占的重要地位，描述了機(jī)器人及自動(dòng)化技術(shù)將在何處大大提高生產(chǎn)力，并展現(xiàn)了一個(gè)具有遠(yuǎn)見(jiàn)的研究與發(fā)展路線圖，使美國(guó)的國(guó)家投資能夠?qū)@些重點(diǎn)研究領(lǐng)域起到推動(dòng)作用。

美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)頒布了一個(gè)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(bào)告中提出的研究計(jì)劃將顯著增強(qiáng)美國(guó)的制造業(yè)經(jīng)濟(jì)，將有利于形成一個(gè)受過(guò)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(huì)，并且將在美國(guó)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(guó)制造業(yè)技術(shù)路線圖描述了制造業(yè)通過(guò)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(xiàng)關(guān)鍵能力都由一個(gè)或多個(gè)在制造業(yè)中廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域發(fā)展而來(lái)，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(duì)制造業(yè)的影響

現(xiàn)在我們用假想的例子對(duì)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(chǎng)景有助于說(shuō)明制造業(yè)模式的變化，也是能力與技術(shù)融合的實(shí)例。本路線圖闡明了各項(xiàng)能力在5年，10年，15年時(shí)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(dòng)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(hào)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(gòu)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(kāi)始與人類工人一起完成新的任務(wù)。流水線的第一項(xiàng)作業(yè)是要對(duì)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(xiàng)作業(yè)是在四天的執(zhí)行時(shí)間里使工廠產(chǎn)量翻番。

緊接著，一個(gè)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(guò)程中的耐受程度。于是工程師使用計(jì)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(jià)值2萬(wàn)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(duì)其進(jìn)行編程。安裝與操作成本的降低將改變未來(lái)自動(dòng)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(gè)職業(yè)醫(yī)師來(lái)到一個(gè)只有5名員工的主要接受來(lái)自醫(yī)療器械公司訂單的小工場(chǎng)。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?yàn)閷?duì)其進(jìn)行制造與組裝將花費(fèi)大量的時(shí)間與勞動(dòng)來(lái)對(duì)機(jī)器進(jìn)行設(shè)置。這個(gè)小工場(chǎng)的老板擁有一臺(tái)可接受語(yǔ)音及手勢(shì)命令的機(jī)器人，在機(jī)器人不知如何處置時(shí)可對(duì)其進(jìn)行指示。

這臺(tái)機(jī)器人能將加工材料放置于銑床或車床上并開(kāi)動(dòng)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(wú)法動(dòng)作時(shí)請(qǐng)求協(xié)助。在不同工作位置之間的移動(dòng)中，機(jī)器人能夠清理冷卻劑的泄漏并且對(duì)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(shí)的快速請(qǐng)求，并且不會(huì)因?yàn)樵撜?qǐng)求會(huì)對(duì)其主要工作造成延遲而拒絕。最后，機(jī)器人對(duì)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(duì)工場(chǎng)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(jì)

國(guó)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(wèn)題。在美國(guó)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(duì)整個(gè)供應(yīng)鏈的轉(zhuǎn)變?cè)斐捎绊懀喊ㄉa(chǎn)、分配、裝箱、供應(yīng)及分銷。整個(gè)轉(zhuǎn)變中最重要的部分是20臺(tái)用于快速生產(chǎn)以對(duì)包裝袋進(jìn)行重新設(shè)計(jì)的機(jī)器人。

這些例子在今天看起來(lái)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?cè)?5年內(nèi)實(shí)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(duì)制造業(yè)的關(guān)鍵能力進(jìn)行簡(jiǎn)要地討論，并且給出5年、10年及15年可能會(huì)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(jì)到在生產(chǎn)線上進(jìn)行制造之間的時(shí)間間隔大得無(wú)法接受。對(duì)于一輛新型汽車來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)間間隔能長(zhǎng)達(dá)兩年。當(dāng)面對(duì)一個(gè)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(shí)，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(lái)進(jìn)行新產(chǎn)品的生產(chǎn)。因此，在未來(lái)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(gè)目標(biāo)：

自主導(dǎo)航

自主導(dǎo)航是一項(xiàng)基本能力，這將影響采礦和建筑裝備的自動(dòng)化，原材料到成品的高效運(yùn)輸，在裝配生產(chǎn)線上對(duì)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(dòng)化，以及類似于入庫(kù)存儲(chǔ)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(dòng)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(guó)建筑師William McDonough說(shuō)：“污染是設(shè)計(jì)（與制造）失敗的標(biāo)識(shí)”。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(duì)于減少?gòu)U棄物的解決方式絕大部分是針對(duì)于生產(chǎn)過(guò)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(shí)產(chǎn)生的廢棄物。我們針對(duì)綠色制造業(yè)的路線圖著眼于所有組件及系統(tǒng)在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的回收利用，其過(guò)程包括從原材料的開(kāi)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(jì)也必須遵循綠色制造這一目標(biāo)。比如，向增材制造過(guò)渡將會(huì)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(wú)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(gè)制造環(huán)節(jié)里對(duì)能源使用的最小化以及為生產(chǎn)新產(chǎn)品對(duì)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(shí)。然而，與機(jī)器人對(duì)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(shí)仍然具有優(yōu)勢(shì)。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(jì)

目前，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域與信息科學(xué)的發(fā)展使將物理制造過(guò)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(xiàng)技術(shù)，制造業(yè)會(huì)像數(shù)據(jù)庫(kù)及計(jì)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(jì)路線圖具有以下的技術(shù)節(jié)點(diǎn)：

納米級(jí)制造

經(jīng)典的基于CMOS的集成電路與計(jì)算模式正被新的納米級(jí)制造與計(jì)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(zhǎng)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(jí)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(jí)制造方式所取代。故納米級(jí)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(dòng)化制造業(yè)中，固定的自動(dòng)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(dòng)化技術(shù)以及大規(guī)模定制自動(dòng)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(dòng)化設(shè)備為自身構(gòu)建了一個(gè)結(jié)構(gòu)化的環(huán)境以極大地簡(jiǎn)化“智能”制造所面臨的挑戰(zhàn)。小批量的自動(dòng)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(duì)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(dòng)。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(gè)詞匯的具體含義?！皟?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(xiǎn)氣體最易被點(diǎn)燃的情況下，無(wú)法釋放出足夠?qū)⑵湟茧娔芑驘崮艿脑O(shè)備或布線”。簡(jiǎn)而言之，一臺(tái)“內(nèi)稟安全”的設(shè)備無(wú)法引燃可燃?xì)怏w?！皟?nèi)稟安全”的要求顯然也需要像其他被設(shè)計(jì)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(jiàn)的是“內(nèi)稟安全”會(huì)為機(jī)器人的行為帶來(lái)更多負(fù)擔(dān)，但也許這更關(guān)系到“內(nèi)稟”這個(gè)詞本身的定義。

內(nèi)稟：屬于其本質(zhì)或構(gòu)造的事物；來(lái)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(lái)說(shuō)就是安全的，對(duì)人類完全無(wú)害的，不管這會(huì)有怎樣的代價(jià)。這來(lái)源于那種恐懼人類可能會(huì)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(xiǎn)的。第一輛不用馬匹的馬車對(duì)于路上其他傳統(tǒng)的馬車來(lái)說(shuō)是個(gè)威脅，不過(guò)我們?cè)缫堰^(guò)了那個(gè)年代?，F(xiàn)在的高速公路上，你可以以超過(guò)120公里的速度超車。這并不是說(shuō)汽車具有“內(nèi)稟安全“，而是說(shuō)我們已經(jīng)學(xué)會(huì)接受汽車帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。隨著時(shí)間的過(guò)去，我們逐漸創(chuàng)造了一個(gè)依賴于人類對(duì)其能力、限制以及在高速路上開(kāi)車所面臨風(fēng)險(xiǎn)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(huì)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(gè)類似的風(fēng)險(xiǎn)和責(zé)任評(píng)估模型。像開(kāi)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(xiǎn)。我們的目標(biāo)是當(dāng)機(jī)器人被加入到制造業(yè)中時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)程度不會(huì)因此提高。對(duì)此目標(biāo)是否達(dá)到的一個(gè)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(dòng)化設(shè)備之后沒(méi)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(shí)上，我們必須安全地展開(kāi)并且持續(xù)鼓勵(lì)針對(duì)用戶溝通需求的協(xié)同解決方案。這就包括對(duì)每個(gè)自動(dòng)裝置的能力、限制以及相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定義。創(chuàng)新的多樣性將推動(dòng)對(duì)機(jī)器人風(fēng)險(xiǎn)和責(zé)任評(píng)估模型的接受。社會(huì)對(duì)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(huì)隨著機(jī)器人的大眾化一起到來(lái)。上述社會(huì)氛圍只會(huì)在機(jī)器人用戶數(shù)量拓寬的基礎(chǔ)上隨時(shí)間慢慢發(fā)生。自然語(yǔ)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(guò)程的潛在途徑。

機(jī)器人與人類共事的路線圖如下：