国家863计划先进制造与自动化技术领域机器人技术主题发展战略的若干思考
发布时间：2010-2-23 14:29
发布者：嵌入式公社
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作者：863计划机器人技术主题专家组组长 王田苗 从需求入手分析了我国急需解决的问题，并针对这些问题分析了世界在这些领域的现状与趋势，讨论了国家863计划机器人技术主题在“十五”期间的工作目标和任务。 世纪之交，世界经济结构正在发生重大而深刻的变革，美国、欧盟、日本等发达国家的政府先后推出并实施了多个与机器人技术、自动化工艺装备相关的国家研究计划，以支持相关的核心技术和关键重大装备的研发与应用。我国政府也非常重视机器人技术研究与开发，并在国家“十五”863计划中予以重点支持。经过国家863计划15年的实施，我国在机器人技术与自动化工艺装备等方面已取得了突破性进展，缩短了同发达国家之间的差距。但是在机器人与自动化装备中核心及关键技术的原创性研究、高性能关键工艺装备的自主设计和制造能力、重大成套装备的系统集成与开发能力、高可靠性基础功能部件的批量生产应用等方面，同发达国家相比我国仍存在较大的差距。 为了进一步提高我国机器人技术与自动化工艺装备的整体技术水平，进一步缩短同发达国家之间在制造业信息化方面的差距。“十五”期间，迫切需要进一步加强对机器人技术与自动化工艺装备研究开发的支持，以期在战略必争装备技术与竞争前核心技术、基础制造装备与成套关键装备制造技术的研究开发等重点方向实现创新和跨越式发展，赶超世界先进水平，为我国国民经济发展和国家安全建设做出更大的贡献。 1. 需求分析 进入21世纪，世界经济结构正在发生重大而深刻的变革，但制造业依然是世界各发达与发展中国家加快经济发展、提高国家综合竞争力的重要途径。 我国是一个制造业大国，尚处于工业化进程之中，在未来相当长的时期里，制造业仍将在国民经济中占主导地位。在新一轮国际产业结构调整中，我国正逐步成为世界最重要的制造业基地之一。 然而目前我国装备制造业的整体水平与发达国家相比尚有较大的差距，尤其是在战略必争装备技术与竞争前核心技术、基础制造装备与成套关键装备制造技术等方面差距更大，这种差距又主要体现在先进装备的自主设计与独立制造能力差，成套与系统集成、优化能力差，技术创新和集成创新能力差。这些差距已经成为制约我国制造业乃至其他行业经济发展的关键瓶颈问题之一。 随着我国加入WTO，我国装备制造业从来没有像今天这样直接地面对国际同行的有力竞争和挑战。如何适应激烈的国际竞争和快速变化的世界市场需求，不断以高质量、低成本、快速响应的手段在新的市场竞争中求得生存和发展，已是我国装备制造业不容回避的问题。同时加入WTO也为我们提供了前所未有的机遇，我们必须抓住机遇迎头赶上。 1．1国家发展迫切需要的战略必争装备与竞争前核心技术 战略必争装备是指那些涉及国家安全、经济命脉以及在国际经济竞争中对国民经济影响重大的装备；竞争前核心技术是指在未来的国际竞争中有可能开拓新的广阔市场或成为新的战略必争技术。可以说，战略必争装备与竞争前核心技术关系到一个国家的兴衰与存亡，是一个国家安全独立和成为一个强国必须拥有的装备和技术。 对机器人技术主题，用于国家战略资源勘探——海洋资源开发的水下作业装备和空间资源探索的空间探测器，用于高精尖设备制造的超精密加工装备，面向IT 等产业的电子专用制造装备，对未来许多行业将产生重大影响的微机电系统以及集当代众多高技术于一身的仿人形机器人、仿生机器人、微操作机器人等特种机器人，都是关系到子孙后代的战略必争装备或竞争前核心技术，是花钱也买不到的装备与技术，是中国要成为一个强国必备的装备与技术。 1．2国家发展急需的基础制造装备与成套装备制造技术 一个国家仅仅拥有了战略必争装备和竞争前核心技术是不够的。要想成为经济强国，完成工业化的建设，必须在装备制造业掌握有关基础制造装备与成套装备制造的核心技术。2O世纪70～80年代美国制造业发展的衰落和竞争力减弱的例子很好地说明了这一点。2O世纪70年代前，美国的产品竞争力一直令对手望尘莫及，但到了80年代，美国人发现日本、德国等国家后来居上，逐步取代了他在国际市场的霸主地位。经过认真深入地分析，他们发现其原因是美国失去了在装备制造业方面的优势，而日、德等国，特别是日本，对制造技术及装备研究的投入比例远大于美国。于是从20世纪80年代后期开始，开展了一系列旨在振兴美国装备制造业的庞大计划，加大了对制造业技术与装备研究的投人，使美国的制造业重振雄风，也使美国经济得以逐步复苏并保持持续增长的势头。 在世界经济全球化的今天，虽说绝大多数基础制造装备与成套装备，只要花钱都可以买到，但对我国这样的发展中大国来说，必须掌握了关键的基础制造装备与成套装备制造的核心技术，才能牢固占有国内市场，并不断开拓国际市场，在竞争中立于不败之地。 a. 对基础制措装备的需求。一个国家制造业水平的高低，很大程度上取决于其基础制造装备水平的高低。据原国家机械局预测：20O5年我国数控机床市场总容量约 30 000台，中、高档市场年需求量 12 O00台，其中数控车床、加工中心（包括数控铣床）占60％，约7000台。基础制造装备不仅需求量大，而且对装备的技术水平的要求越来越高，如飞机制造业中的大台面多坐标数控龙门铣床、高速加工中心、专用高速蜂窝铣等。对于这样的高档专用设备，目前主要依赖进口。但这类设备是西方国家对华禁运的重点，1999年的“考克斯报告”提出要控制对华出口机床，2000年美国就通过了针对中国的《控制高技术机床出口》法案。 b．对大型、成套装备的需求。我国汽车到2005年产量可接近270万辆，“十五”期间我国汽车制造业购买生产线所需的各种技术装备，初步测算就将达到600亿元；还有在电子、家电制造业，对生产线所需的数控加工装备、工业机器人、自动化物流输送系统均有巨大的市场需求。 在非制造领域同样有着迫切的需求。未来10年，我国基础设施建设将处于前所未有的高速发展阶段，将新建铁路1万余km，新建城市地铁1000km，公路建设投资 1万亿元；在水利建设方面，就有130多个水电工程需要建设；国家计划的大型露天矿有25个需要开采；此外尚有“西气东输”、“南水北调”、“进藏铁路” 等巨大工程。这些均将形成对大型工程、建筑机械（装备）的巨大市场需求，如需要6.3m左右，用于地铁隧道掘进的盾构机约120台（每台数千万元）。 然而，我国对于一些大型的成套装备基本都依赖引进，目前光纤制造装备的 100％，IC制造装备的85％，石化装备的8O％，轿车工业装备。数控机床和其他数字化机械（如纺织机械、多色胶印机）的70％以上依赖进口。同样，大型工程机械（如用于地铁隧道掘进的盾构机）也主要依赖进口，且比例在上升。一个明显的例子是挖掘机，我国有挖掘机企业近2O家，虽然市场需求20000 台，但在国外品牌挖掘机的大举进攻下节节败退，目前国产挖掘机的市场份额已剩不到5％。 综上所述，我国国民经济和社会发展对机器人技术和自动化工艺装备中的战略必争装备、基础制造装备和成套装备提出了迫切需求。研究开发上述技术与装备是实现我国传统产业改造升级。完成工业化的迫切需要；是促进我国制造业“两个根本性转变”，实施制造业信息化工程的需要；是增强国防实力、国家安全与国际地位的需要；是实现党中央第三步战略目标的需要；是国民经济可持续发展的基本保证。 2. 现状与趋势分析 2.1 战略必争装备与竞争前核心技术 正是看到了机器人技术与自动化工艺装备中包含着许多具有战略性、前沿性和前瞻性的高技术，美国、欧盟、日本等西方发达国家对此极为重视，先后推出并实施了多个国家研究计划，我国也在国家863计划中予以重点支持。在此，我们对与本主题有关的若干战略必争装备与竞争前核心技术的国内外现状与重大研究方向作简要的列举分析。 2.1.1 水下作业装备 21世纪是人类向海洋进军的世纪。海洋资源是近几年国际上激烈竞争的焦点之一，是各国重要的战略目标。为进行海上石油开发、海洋科学研究、海底矿藏勘探开发、海底打捞救生以及军事应用，如侦察巡逻、扫雷、预警等，迫切需要进一步开发水下作业装备。 国际公海组织规定，对有能力进行深海勘探的国家将有优先开采权。“九五”期间，我国海洋局已利用本主题开发的 6 000m水下机器人，在太平洋上勘探了3O万平方公里，并获得了其中矿产资源最丰富的7．5万平方公里的优先开采权，为后人留下了一份产业，实现了以技术换资源的目标。下一步联合国将对富钻结壳进行勘探，如果没有勘探技术装备能力，将失去开采权。我国在水下机器人方面虽然拥有一定的基础，但与美国。俄罗斯、日本等国相比还有很大的差距，远不能满足未来开发海洋的需求，我国在深海载人潜水器、深海作业机器人、12O00m海沟探测机器人等方面还有很多没有开发而必须开发的装备。 2.1.2 超精密加工装备 信息、航空、航天，特别是国防工业对精密和超精密加工的需求是非常迫切的。如导弹、航空与航天器上使用的精密陀螺仪（精密陀螺仪转子的偏心增加 0.5ｕm，将引起100m的射程误差和50m的轨道误差），飞机和潜艇上使用的高精度叶片，空对空导弹上使用的红外接收器非球面反射镜，航天望远镜上使用的超精密镜片等，无一不需要特殊的精密与超精密加工技术。同时，精密、超精密加工技术是先进制造技术的基础和关键，也是一些高新技术和某些尖端科学赖以存在和发展的基础。 目前，国际上超精密车床主轴回转精度均已达O．025ｕm。工件表面粗糙度Ｒa=0.01～0.02ｕm，最高达0．0045ｕm。进人21世纪，超精密加工的精度将达至0.001ｕm（1nm）。超精密加工尤其是纳米加工是当前各工业发达国家主攻的目标。此外，超精加工材料对象由金属扩大到非金属，高密度、高能量的粒子束加工工艺和装备，以三维曲面加工为主的高性能超精密加工工艺和装备以及配套的三维超精密检测技术和加工环境的控制技术等正成为进一步的发展趋势。而我国在超精密加工方面尚处于起步阶段。 2.1.3电子专用制造装备 电子制造尤其是集成电路IC制造已成为制造业最重要的领域之一。预计到2O05年，我国集成电路市场总销售额将达到1000亿元。这种巨大的市场需求必将拉动对集成电路（IC）制造装备的巨大需求。据预测，“十五”期间我国需建IC芯片生产线30多条、IC封装生产线15条左右。另据预测，建设一条年封装能力为1亿块的IC封装生产线，装备投资约需2亿元人民币。若按我国IC年需求量增长20亿块计算，则仅增添IC的封装设备每年就需4O亿元人民币。 IC制造中的核心和关键装备包括制芯（前道工序）和封装（后道工序）2大部分。前道工序装备发展的趋势是研制新型超精细光刻机等设备，以突破 0.1ｕm的大关；后道装备则是发展与更密、更小、更轻的新型封装工艺相适应的更快。成本更低的封装设备，并且对整个后封装工序的各种设备以数字化封装线方式进行工艺和装备的集成。由于IC制造不仅对国民经济有巨大的影响，而且对国家安全极为重要，所以一些高精密的IC制造装备成了一些发达国家垄断电子行业的核心武器。国家在IC制造行业中虽有一定的基础，也与国外合资建立了一些生产线，但由于我们自己没有先进的IC制造装备，使我国的IC行业受到了很大的制约。目前我国集成电路芯片制造设备的85％仍依赖进口。为了在 IC行业占有一席之地，我国必须自主开发IC制造的核心装备。 2.1.4 微机电系统（MEM） MEMS是国际公认的一项战略高科技，是未来先进制造发展的主导技术之一，并在医疗保健、生物基因、IT消费电子、环保监测、军事武器等器件及微系统应用方面具有广阔的应用前景。例如，作为信息获取关键的多种传感MEMS已成功地应用于汽车、电子等行业和军事领域；在令人瞩目的信息科学和生命科学的发展中，光MEMS被认为是开启全光通信之门的金钥匙；高密度MEM生物芯片将强有力地推动生命科学和生物技术的发展。 近几年，采用MEMS技术的微型卫星、微型飞行器和进人狭窄空间的微型机器人，也展示了诱人的应用前景。现在MEMS已形成年产值14O亿美元的规模，预计5年后将达到300多亿美元的规模。 MEM是以电子制造的方式设计与制造的微机电系统，他是多种学科的交叉融合，已成为当今国际高技术竞争的一个热点，MEMS产业也正在形成之中。为此各国政府都非常重视MEMS技术，美国国防部近几年每年投人7000万美元用于MEMS研究，德国也投入约7000万美元用于MEMS的研究。MEMS对我国而言是个挑战，也是一个难得的发展机遇。 2.1.5 特种机器人 特种机器人通常是在非结构化环境下工作，即作业无法在事先布置好的条件下进行，而且在作业过程中环境可能发生变化。与在结构化环境下作业的工业机器人相比，在非结构化环境下工作的特种机器人控制更加困难，要求的智能程度更高，如空间与深海作业、精密操作、在役管道内作业等。 特种机器人集当代众多高技术于一身，目前重点研究的特种机器人有仿人机器人、微机器人、微操作机器人、水下机器人、医用机器人、服务机器人、网络机器人、军用机器人、农林与农副产品加工机器人等等，将在航空航天、能源、交通、海洋、生物、医疗、服务、农业、军事和娱乐等领域具有非常广阔的应用前景。 正因为如此．研究和发展特种机器人技术一直受到世界各国的重视，许多国家都把特种机器人技术列入本国的高技术研究发展计划或国家的关键技术研究开发计划。如美国的“国家关键技术”、“商业部新兴技术”和“国防部和能源部关键技术”等计划，欧共体的“尤里卡计划（EU－REKA）”和“信息技术研究发展战略计划（ES－PRIT）”，日本的“极限作业机器人研究计划（ R＆DOF ROBOICS INEXTREME－ENVI－RONMENT）”、“微机器研究计划（R＆D OF MI－CROMACHINE TECHNOLOGY）”、“仿人形机器人研究计划（HUMANOID ROBOICS PROJECT）”等，新加坡、韩国、巴西等发展中国家也都有相应的计划内容。我国863计划智能机器人主题前15年工作的重点之一就是发展我国的特种机器人技术，并在若干方向上取得了令世人瞩目的成就，但在总体上，与国外先进水平相比还有不小的差距。 2．2基础制造装备与技术 21世纪基础制造装备的水平主要体现在高精度、高效率、低成本和高柔性等几个方面。发达工业国家数控机床的加工精度普遍已达到1ｕm的水平，有些已达到0．1ｕm。国外主轴转速在10 000～20 000r／min的加工中心已普及，转速高达250 000r／min的实用主轴也正在研制中；直线电机的轴进给速度已达ZO0m／mn。超高速切削的研究已转移到一些难加工材料的切削加工上。高效率、高精度工艺的一个典型例子是精密成形技术，如近/净成形（Near Net or Net Shape Form－ing）技术，其目的是尽量减少切削，甚至免除切削，减少原材料的浪费，同时提高制造效率，精密成形技术在工业发达国家已得到广泛应用。如：美国的汽车、宇航、航空工业的模锻件、精密锻件占总锻件量的80％以上；日本汽车锻件达到63.9％；德国达到70％～75％。柔性自动化仍是机床业发展的重要趋势之一。柔性自动化的进一步发展是敏捷生产设备。为适应敏捷生产模式，人们正在探求设备自身的结构重组以及生产单元的动态重组问题。 目前我国的基础制造装备与国际先进水平相比还存在着阶段性差距。工业发达国家早在20世纪五六十年代就已普遍采用了优质高效低耗的工艺及装备，实现了柔性自动化，目前正向集成化、敏捷化方向发展。而我国大多数企业目前还采用较落后的制造工艺与技术装备进行生产，优质高效低耗工艺的普及率不足10％，数控机床、精密及高效设备不足5％，现在配国产数控系统的中档数控机床还不到25％，高档数控机床的 90％以上依赖进口。数字化机械（如纺织机械、多色胶印机）的 7O％以上依赖进口。 归纳起来，目前国产基础制造装备普遍存在着“四差”问题，即可靠性相对差、成套性差、外观质量相对差、名牌效应差，从而严重影响了企业的生产效率、产品质量以及产业化规模的提高，同时也严重制约了制造业及其相关行业的发展。 2．3 成套关键装备与技术 国外在大型、成套装备方面有很大优势，并且在成套装备的高技术化方面，取得了巨大的进展，已经实现了数控化、柔性自动化，并大量采用工业机器人，正向着智能化、集成化的方向发展。 据统计，中国工业装备整体技术水平落后国际水平1O～15年，制造业与自动化技术落后15～20年，装备中工业机器人数量极少，数控化比例很低（5％），尚处于单机自动化和刚性自动化阶段，现有成套装备中技术经济性能比较先进的只占1/3，近1／5已经老化，超期率近4O％。装备落后，导致产品普遍档次低、质量差，已成为制约制造业发展的瓶颈。 面向非制造业的成套装备，如各种工程机械、建筑机械已成为当今国际自动化技术发展的一个重要方向。目前国际工程机械的发展正逐步向机。电、液、讯一体化的方向发展。欧洲由产、学。研组成的联合研究团体在政府资助下，在深入开展单体智能化技术研究的基础上，开始了机群智能化技术研究和开发，标志着工程机械智能化的研究又向前迈出了一大步。 我国工程机械正在完成机械液压一体化的进程，应用信息技术进行工程机械智能化方面的研究还处于起步阶段。对个别机种的单机智能化研究已经开始，并初步得到实际应用。但是从整体上看，无论从单机智能化工程机械种类，还是研究和开发的深度，与技术先进国家相比都还存在很大的差距，机群智能化技术的研究还处于空白。 3. 目标与任务 3.1 主题总体战略目标 主题发展的战略目标是围绕制造业信息化工程的关键技术与装备，以重大专项与重点课题为主线，研究开发基础技术、单元产品和系统装备，掌握战略必争装备关键技术及竞争前核心技术，增强自主设计与制造重大关键设备的能力，提升制造业基础装备的水平，取得一批具有自主知识产权的创新成果，实现机器人技术与自动化工艺装备的跨越式发展。 3.2 重点任务 主题研究内容分为重大专项与重点课题、一般课题2部分。重大专项与重点课题着重解决国家发展急需的战略必争装备、基础制造装备与成套关键装备中的某一重大问题，增强自主设计与制造能力、产品成套及系统集成能力，提升装备制造业的水平。一般课题（即前沿探索性课题）围绕国家发展急需的战略必争装备、基础制造装备、成套关键装备与竞争前核心技术中的某一问题，进行前沿探索性研究，强调原始创新，增强装备制造业的产品创新和技术创新能力，增强技术储备。 3.2.1 重大专项与重点课题 重大专项与重点课题是主题工作内容的重中之重。“十五”期间，“机器人技术主题”的重大专项是深海载人潜水器与微机电系统（MEMS）。重点课题是数控关键技术装备、全断面隧道掘进机、智能化工程机械防人形机器人以及水下机器人、（基因）微操作机器人等特种机器人，其目标与指标以及其作用与影响（预期成果）分别分析如下。 a．7 OO0m载人潜水器。根据该载人潜水器用户（业主）中国大洋协会勘查深海锰结核、富钴结壳、热液矿硫化物和深海生物等资源的计划目标及要求，计划到 2005年完成一台采用多种高新技术。新材料和新工艺集成起来的拥有自主知识产权的7 000m载人潜水器，使其总体技术指标达到国际领先水平。该潜水器将在21世纪我国研究开发国际海底资源的伟大事业中发挥不可替代的重要作用，并可向世界展示我国科学技术的实力。 b．微机电系统（MEMS）。针对国际MEMS发展趋势和未来的产业化前景，结合国家竞争前核心技术发展战略，围绕我国医疗保健、生物基因、环保监测、IT与家电等行的社会经济发展需要，以发展我国MEMS产业化基础的关键支撑技术作为切入点，掌握MEMS相关的材料、设计、制造、工艺、检测、装备与系统集成等方面的具有自主知识产权的理论方法和关键技术，开发出若干小批量、多品种、高质量的MEMS器件及微系统，建立我国的MEMS研发体系和产业化基地，为推动MEMS的可持续发展和产业化打下良好的基础。 c．数控关键技术与装备。面向国家制造业的关键基础装备产业化需求，以中档精切类数控机床装备的产业化作为切入点，以机制创新和技术创新作为突破口，掌握数控装备关键技术，塑造中国数控机床品牌，提高市场竞争能力；根据国防工业的具体需求，设计制造高精尖精密加工装备，打破国外封锁；通过整机带动相关的机床设计、系统与伺服、高附加值关键部件以及配套工具技术创新及可靠性的发展，全面提升国家基础制造装备的核心竞争力。 d．全断面隧道掘进机（盾构机）。设计研制适应我国典型土层的6.3m全断面盾构机，完成2～3km的实际施工隧道应用示范工程、形成自主知识产权的盾构设计、制造、安装、调试等系统技术，制定盾构设计、施工的行业标准和规范体系，建立土壤分析、装备设计与制造产业化基地，提高国产盾构机的生产能力。 e．智能化工程机械。结合国情，选择工业基础较好、共性技术较多和经济效益显著的工程机械产品进行信息化智能化改造升级，选择市场占有率较高、具有行业带动作用的道路施工工程机械，开展在线机群智能化同步施工工程机械的研究开发和示范应用；加快我国工程机械产品的升级换代与产品结构调整，实现新一代工程机械的自主创新性设计，提高我国工程机械产品的国际竞争力，促进产业化的形成。 f．仿人报机器人。以开发世界先进的仿人形机器人为目标，突破仿人形机器人系统中的各项关键技术，研制具有自主知识产权的国际先进水平的仿人形机器人，为仿人形机器人在服务、科技、军事、工业以及危险环境中的应用奠定基础，推动机械电子、控制、传感技术与人工智能等相关科学的技术革新与发展。 3.2.2 前沿探索处课题 一般课题即前沿探索性课题，是“机器人技术主题”开展前沿高技术、竞争前核心技术研究的重点，目标是增强我国在机器人技术和自动化工艺装备中的技术创新和产品创新能力，增强技术储备。 前沿探索性课题按研究内容分属3个专题。 a．制造工艺与装备专题。制造工艺与装备专题（专题一）主要围绕高精度、高效益、低成本、高柔性和洁净化的制造过程（系统）对先进制造工艺与装备的要求，开展产品快速开发、纳米级超精密加工、近牌成形、特种材料加工与生物制造等关键工艺技术及装备，以及其他基于先进工艺或新结构的重要装备的研究工作。 b．特种机器人专题。特种机器人专题（专题二）主要围绕非制造业对特种机器人的复杂环境适应能力、可靠性、智能化等要求，开展水下机器人。医用机器人、（基因）微操作机器人、仿生机器人、服务机器人、网络机器人、管道机器人、农林机器人等方面的关键技术及原型样机研究工作。 c．基础部件及系统专题。基础部件及系统专题（专题三）主要围绕高速度、高精度、数字化、智能化工艺装备的需求，开展检测与传感器信息融合技术、智能控制与远程操作、先进功能部件、新型数字化驱动系统、高速高精度动机构、开放式结构的网络化控制器等先进基础部件及系统研究工作。 |
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