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智能制造是制造業(yè)深入實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的重要引擎，是我國由“制造大國”到“制造強國”跨越的必由之路。機器人化智能制造旨在利用機器人柔順性、靈活性、開放性、易于重構(gòu)、可并行協(xié)同作業(yè)等優(yōu)勢，將人類智慧和知識經(jīng)驗融入感知、決策、執(zhí)行等制造活動中，并賦予機器人化制造裝備在線學習與知識進化能力，并通過人與機器合作共事，擴大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動，提高制造裝備和系統(tǒng)的適應性與自治性。機器人化智能制造是智能制造的前沿發(fā)展方向，已成為制造學科前沿研究熱點，并有望帶來產(chǎn)業(yè)變革，最終將通過無處不在的機器人，無處不在的傳感，無處不在的智能，實現(xiàn)無處不在的制造。

智能制造在制造業(yè)扮演著重要的角色，我國把大力發(fā)展制造業(yè)擺在更加突出的位置，連續(xù)十年中國制造業(yè)的規(guī)模是世界第一，并且品種、種類數(shù)量也是全球第一。制造業(yè)在國民經(jīng)濟中占比1/3，但未來如何從制造大國變成制造強國，這是值得我們思考的。

1　智能制造未來發(fā)展戰(zhàn)略思考

制造業(yè)支撐起了我國重大技術和裝備生產(chǎn)，包括高鐵、919飛機、殲20等大型裝備，在我們國家的重大工程和行業(yè)中發(fā)揮著重大作用。但在國家航天、航空、航海戰(zhàn)略行業(yè)中，一些高端裝備和關鍵制造技術還依賴于外國進口。

我國的制造技術產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷三個發(fā)展階段，“十二五”規(guī)劃強調(diào)高精度數(shù)字化制造；十三五”規(guī)劃強調(diào)數(shù)字化智能化制造；“十四五”規(guī)劃強調(diào)高性能智能化制造。其發(fā)展趨勢是從高精度到高性能、數(shù)字化向智能化邁進。未來通過信息技術的深度融合，無處不在的制造、智能與傳感將在制造業(yè)涌現(xiàn)。

智能制造的發(fā)展主要有以下五點趨勢：

第一個趨勢，機器人與機械材料、數(shù)學力學、信息傳感、生物醫(yī)學等多學科強烈共振，形成具備與作業(yè)環(huán)境、人和其它機器人自然交互的新一代“共融機器人”。

第二個趨勢，智能制造技術、機器人技術與信息技術不斷深度融合，促使先進制造技術紛紛涌現(xiàn)，孕育著新的制造原理和概念，形成了創(chuàng)新源動力。其中比較有代表性有特種能場制造、精密與超精密制造技術，這些先進制造技術將成為智能制造技術的基礎。智能制造技術當前正逐漸以大數(shù)據(jù)、云計算等互聯(lián)網(wǎng)技術為基礎，呈現(xiàn)出數(shù)字孿生、車間與工廠智能、人機相互合作為特征的發(fā)展趨勢。

第三個趨勢，新一代信息技術與制造業(yè)深度融合，引發(fā)制造裝備、系統(tǒng)與模式的重大變革，制造模式向人機共融、泛在制造，無人化制造等方向發(fā)展。共融機器人、人工智能大數(shù)據(jù)、人機交互技術等新一代信息技術與先進制造的深度融合，將突破智能制造系統(tǒng)的柔順性和人機共融能力。通過泛在感知技術進行全場景、實時多模態(tài)融合感知和適合大型、復雜、多品種小批量的零件“即插即用”式泛在制造。未來，智能裝備會朝著自決策、自進化、自律控制的趨勢發(fā)展。

第四個趨勢，人工智能推動制造系統(tǒng)進化，新一代人工智能技術與先進制造技術的融合，促使智能制造在自決策、自學習、自進化方面形成新的熱點。智能服務為核心的產(chǎn)業(yè)變革和形態(tài)變革，是新一代智能制造的主題。新一代的云端服務和工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)也是新一代制造系統(tǒng)的重要支撐，制造智聯(lián)的自決策優(yōu)化將促進成車間與工廠的智能化升級。

第五個趨勢，機器人化智能制造成為智能制造的主攻方向。利用機器人靈巧、順應和協(xié)同的特點，可以將人類的智慧和知識經(jīng)驗融入制造過程，實現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的制造。通過多機協(xié)作機制，實現(xiàn)人、機、環(huán)境共融。

從我國智能制造的體系架構(gòu)看，發(fā)展智能制造需要從人機、多機協(xié)同的機制、演變規(guī)律，以及運行原理著手，同時在關鍵技術方面要形成突破，形成一些重點優(yōu)先的發(fā)展領域，從而支撐國家的重大戰(zhàn)略需求。

智能制造體系架構(gòu)主要有五大發(fā)展方向。發(fā)展方向之一，非結(jié)構(gòu)環(huán)境下人、機、環(huán)境共融制造。在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下，制造狀態(tài)多模態(tài)感知與人機協(xié)調(diào)控制激發(fā)全場景多模態(tài)感知與多元數(shù)據(jù)融合，人、機、環(huán)境將達到共融制造。當前的制造一般都是在結(jié)構(gòu)化環(huán)境中進行，而制造講究的是效率、成本、質(zhì)量第一。所以，在未來的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，人工智能感知和人機協(xié)同控制融合發(fā)展將成為主流。

發(fā)展方向之二，極端作業(yè)環(huán)境下的機器人化智能制造。未來的極端環(huán)境，尤其是惡劣環(huán)境下的，人必須得到解放。機器人化智能制造將取代人在惡劣環(huán)境、高重復性的、人類無法適應的跨尺度條件下的工作。

發(fā)展方向之三，泛在信息感知與操作融合的泛在制造。主要有三方面的內(nèi)容：加工系統(tǒng)多模態(tài)信息感知與狀態(tài)監(jiān)測、加工動力學行為與性能調(diào)控機制、多機協(xié)同自律制造新原理與新模式。

發(fā)展方向之四，全生命周期綠色低碳制造。綠色制造是永恒的主題，節(jié)能、新材料、綠色加工工藝與節(jié)能管控，以及回收與再制造，這是今后智能制造發(fā)展的重要方向。

發(fā)展方向之五，全要素全流程互聯(lián)互通制造。一方面互聯(lián)互通轉(zhuǎn)變制造模式，使得智能制造更加便捷。但隨之而來產(chǎn)生了個人隱私保護的問題，如何既讓用戶享受互聯(lián)互通的優(yōu)勢，又使其個人的隱私得到保護？如何做到主動的安全保護？能否建立一個主動的防御系統(tǒng)，使工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通，同時要又能保護個人的隱私和安全，這些是我們學術界需要進行研究的。

2　機器人化智能制造研究探索

世界各國都對機器人化智能制造高度重視。美國的無盡前沿法案，對美國機器人的發(fā)展制定了一個路線圖，他們重點關注機器人和先進制造技術。歐盟比較關注機器人的加工能力，明確提出了要實現(xiàn)50μm精度的加工機器人，而我們國家的戰(zhàn)略是“中國制造2025”，主要是實現(xiàn)人、機、環(huán)境的共融。

機器人化制造是智能制造領域國際熱點。近年來，華科、清華、上交、浙大、天大以及航天科工、航天科技、中航工業(yè)等企業(yè)，通過機器人機械學與加工工藝、技術共融，在大型構(gòu)件制造技術及裝備方面取得了較好進展。最近，Science Robotics、MIT科技評論等聚焦“機器人集群、用于機器人的人工智能、靈巧機器人”等研究方向。Science Robotics期刊上提出了未來機器人面臨的十大挑戰(zhàn)，包含新材料、仿真、能源、機器人集群以及人工智能等等。MIT科技評論了機器人領域的十大突破技術，位于榜首的是靈巧機器人。實現(xiàn)靈巧機器人是未來面臨的最大機器人技術難度，這是一個非常值得探索的學術研究方向。

自1997年開展智能4M系統(tǒng)以來，華科大團隊通過理論探索、技術攻關，攻克了大型復雜曲面加工精度保障難題，研制了機器人加工裝備與數(shù)控加工自主工業(yè)軟件，并在企業(yè)得到重要應用。2005年，我們參與了973計劃，完成了機器人的數(shù)字化制造。2010年，轉(zhuǎn)向了航空零件的數(shù)字化。2015年，在國內(nèi)率先開展機器人加工的重點基金項目研究。2017年，牽頭風電葉片打磨重點研發(fā)國家專項。2021年，獲批了機械學科的第一個基礎科學中心—機器人化智能制造。

機器人化智能制造的科學內(nèi)涵就是使得單個的機器能夠?qū)崿F(xiàn)能工巧匠，多個機器能夠?qū)崿F(xiàn)多機協(xié)作，人機可以實現(xiàn)自然交互。所以，機器人化智能制造基礎科學中心目標是建立起中國的機器人化智能制造理論體系，同時形成機器人加工30μm的技術，研制機器人化智能制造重大裝備三大預期目標。另外，我們也提出了實現(xiàn)機器人化加工的形性調(diào)控、行為順應和系統(tǒng)進化三大科學問題。希望機器人化智能制造基礎科學中心，能夠站在國際技術的前沿引領國際機器人化智能制造科學與技術發(fā)展。

機器人化智能制造基礎科學中心的研究方向主要有三個，一是解決機器人化復雜曲面制造，二是機器人化大型構(gòu)件制造，三是機器人化功能結(jié)構(gòu)制造。大型復雜曲面具有尺寸超大、曲面復雜、形性嚴苛等特點，實現(xiàn)它的智能化制造不僅是我國的重大需求，同時是公認的國際難題。其中比較有代表性的是這種薄壁件的加工，在生產(chǎn)過程中變形問題，振動問題，加工效率問題，是制造業(yè)里面經(jīng)久不衰的主題。

在我國很長一段時間里，大型構(gòu)件的全型面加工，如大型航空器蒙皮、大型風洞、高鐵結(jié)構(gòu)體加工，普遍采用人工作業(yè)方式，作業(yè)環(huán)境惡劣、效率低、一致性差，且無法形成加工質(zhì)量閉環(huán)控制，加工品質(zhì)難保證，這些工作迫切需要盡快實現(xiàn)機器人化智能制造。

在實現(xiàn)機器人化智能制造中，有如下幾個挑戰(zhàn)。其一是機器人加工裝備。現(xiàn)有數(shù)控加工裝備和工業(yè)機器人難以兼顧大型復雜構(gòu)件高效、高品質(zhì)制造的需求。所以，如何設計出具備高靈活性、高精度、高剛度且適用于大型復雜結(jié)構(gòu)件制造的加工機器人本體？實現(xiàn)“高速不抖”、“重載不趴”？以及如何通過手眼協(xié)調(diào)，柔順控制技術實現(xiàn)高精度加工？這是亟需解決的問題。

其二是全場景測量技術。大型復雜構(gòu)件尺寸大、面型復雜、表面呈現(xiàn)弱結(jié)構(gòu)紋理特征和非朗伯高光反射，傳統(tǒng)測量手段難以滿足跨尺度檢測要求。如何攻克超大弱結(jié)構(gòu)特征高光反射曲面測量系統(tǒng)校準、拼接等難題，實現(xiàn)全場景高精高效原位測量與質(zhì)量評定？

其三是自律跟蹤控制。由于構(gòu)件尺寸大、缺乏定位基準，并行加工過程中多機軌跡干涉、加工振動耦合，對多機自主尋位與自律控制帶來挑戰(zhàn)。如何實現(xiàn)大范圍工作空間內(nèi)多移動加工機器人全場景快速準確的自主尋位與自律控制？

其四是測量建模加工一體化技術。由于機器人幾何誤差和非幾何誤差同時影響輸出精度，所以面臨的技術挑戰(zhàn)是如何實現(xiàn)復雜曲面零件輪廓誤差測量、建模與補償？

我們建立了超大尺寸空間機器人移動加工誤差順應補償機制與精度可控理論，實現(xiàn)了大型復雜構(gòu)件多機器人協(xié)同原位制造。如：在100米的超大尺寸空間中，通過激光雷達等技術將移動機器人在運動空間的位置精度控制在±5mm。在機械臂2米范圍的操作空間中，通過點云伺服等技術實現(xiàn)了±1mm精度。在40mm范圍的交互空間中，通過終端力控，最終將精度控制到±50μm。機器人實現(xiàn)大型構(gòu)件的微米級加工，需要經(jīng)過運動空間、操作空間、交互空間反復的演進，最后才能達到可靠的加工精度。

在視覺引導的機器人加工路徑規(guī)劃研究方面，我們發(fā)明了測量-加工機器人系統(tǒng)精確標定與刀具軌跡生成技術，解決了易變形構(gòu)件機器人銑削路徑規(guī)劃難題，相關工作以及系列論文發(fā)表在IEEE T.Robotics上。

在機器人測量、操作、加工一體化技術上，我們攻克了全場景跨尺度測量、大范圍自律跟蹤定位、高精度自適應加工三大機器人加工的核心技術，實現(xiàn)了大型復雜構(gòu)件全域高品質(zhì)制造。以前機床的加工精度依靠機床的鋼性、導軌、主軸來保證，未來通過人工智能、大數(shù)據(jù)、感知，也能夠?qū)崿F(xiàn)一定的精度。

另外，我們也提出了數(shù)據(jù)驅(qū)動的信息物理系統(tǒng)動機理建模方法——IHYDE，闡明了物理流和信息流耦合下的多系統(tǒng)動力學機理和切換邏輯，實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)的解耦，可為智能制造各類場景的建模仿真提供普適性理論支撐。

針對現(xiàn)有智能診斷模型兼容性泛化性不足的問題，提出可用于異構(gòu)傳感信號的通用端到端深度神經(jīng)網(wǎng)絡框架，解釋了由于時序依賴性造成的樣本劃分精度變化問題，研發(fā)了制造系統(tǒng)通用AI診斷框架，為制造系統(tǒng)運行的高效性和可靠性提供了重要理論與技術支撐。

在技術前沿領域，我們發(fā)明了一種軟體機器人，它不僅具備類生物的靈巧性，而且具有極好的環(huán)境適應性，相關工作已在《Science Robotics》上發(fā)表。另外，我們也自主開發(fā)了Turboworks軟件，它解決了大量的數(shù)學問題。但最重要是其自適應的加工能力，該軟件在二階大擺線的加工和發(fā)動機制造上發(fā)揮著巨大的作用。

在變形控制與自適應加工方面，我們也開發(fā)了大量的應用，如大型葉片的變形控制等。在自主軟件Turboworks平臺上，完成了國內(nèi)最大規(guī)格的鈦合金葉片的批量生產(chǎn)，并且變形控制的效果得到了較大的改善。另外，數(shù)字孿生技術在現(xiàn)場應用方面也產(chǎn)生很好的應用效果。在機床制造已經(jīng)裝配了數(shù)字孿生系統(tǒng)，通過觸控系統(tǒng)，實時讀取數(shù)據(jù)，并進行在線的仿真，從而在線規(guī)避了人為設置的加工誤差。

在大型風電葉片制造上，我們開發(fā)的大型風電葉片機器人智能制造系統(tǒng)入選2018年中國智能制造十大進展，該成果目前已經(jīng)應用到了高鐵車身制造上，主要是利用自適應加工技術實現(xiàn)了車身全形面的點云拼接和型面磨拋。目前正在研究吸附式機器人磨拋技術，希望能夠為大型客機蒙皮活化提供新的解決方案。

我們在大型復雜曲面機器人加工技術領域有四大技術創(chuàng)新，分別是全域測量、隨形順應、智能工藝和裝備集成技術。采用這些技術，今年我們交付中車7條生產(chǎn)線和9套加工測量系統(tǒng)，并全部成功應用于批量生產(chǎn)。同時也非常榮幸獲得了2022年中國機械工業(yè)聯(lián)合會的技術發(fā)明特等獎，這也標志著我們國家大型曲面加工技術形成了自主核心競爭力。

3　未來研究工作思索及其展望

未來的研究主要有三大方向。第一是大數(shù)據(jù)驅(qū)動與機理建模。如何把現(xiàn)實生活中海量數(shù)據(jù)提取出來，并將其提煉生成可信機制的模型，從而賦能傳統(tǒng)行業(yè)，這是我們研究者需要解決的。

第二個是手眼腦協(xié)同。要做到手眼腦協(xié)同就需要將算法變成芯片，這不是簡單的算法、算力的提升。雖然可以借鑒清華大學自行車、特斯拉無人駕駛非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的算法，但這些算法目前尚不能解決工程中的實際問題。所以，能否研發(fā)出適合工業(yè)場景的手眼腦協(xié)同的AI芯片，并真正應用于工業(yè)場景，這是機器人化智能制造發(fā)展的瓶頸所在。

第三個是機器人化智能制造。未來的機器人化智能制造將會滿足隨時隨地加工的要求，例如，機器人對航天飛行器艙體的加工過程中，需要隨時進行無人化操作，還要進行大范圍的“精雕細刻”。除了滿足隨時隨地加工的要求外，還需要有“螞蟻噬骨”一樣的集群加工能力。這次“俄烏戰(zhàn)爭”中無人機的戰(zhàn)斗力非常強，未來這種機器人的全自主集群加工，會不會有一定的應用前景？這個問題也值得我們探討。以前是“鐵打的機床，流水的工件”，未來可能是“工件是鐵打的，機床是流水的”。復現(xiàn)機床加工能力，模仿人的技能，創(chuàng)造群體智能，這是機器人化智能制造的未來發(fā)展趨勢。

從最早的零維固定式機械臂、一維移動機械臂，到二維的全向移動機械臂，如今已經(jīng)有三維的爬壁加工機器人，未來將會產(chǎn)生全域多棲加工機器人。機器人加工將會不斷突破尺度、地域、時間三重約束，新一代的機器人將由此產(chǎn)生。

工程最重要的是科學，而數(shù)學家、物理學家、化學家、力學家、生命學家，是科學的心臟和大腦。如何把知識變成能力，讓能力服務于工程？如何把工程需求變成普遍現(xiàn)象，并歸結(jié)為科學原理？這是我們今后幾十年要仔細思考的問題。

將知識轉(zhuǎn)化為能力，這是我們工程科學和技術科學的學者們要長期堅持并努力的方向。技術來源于科學，應用于工程，如何將我國的高端制造業(yè)向高端邁向并走向世界，形成自主可控的核心技術，這是未來我們的奮斗目標。

（本文根據(jù)中國科學院院士丁漢曾做過的報告“機器人化智能制造”整理）

摘自《自動化博覽》2023年7月刊