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【重磅】最新美国制造业机器人路线图

2017-02-14 08:57
苏子言岁月
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美国制造业占了12%的全国GDP以及占有9%就业人员总数。接近70%来自美国的进出口和制造业有关。该行业代表了一个对国家经济健康非常重要的领域。 在过去的40年中,机器人应用方面取得了巨大的进步,特别是在汽车行业。最近,电子行业已经成为主导行业。在2011年,制造业的机器人销售增长了44%,这是美国生产系统复苏的一个明显原因。在一些公司,机器人生产系统已经被用来作为生产制造的促进者,如苹果、联想、特斯拉、富士康等等。机器人的应用正从一些大公司如通用、福特、波音、洛克希德·马丁公司等到中小型企业过渡,使得一次性产品的制造呈现爆发状态。

在《机器人技术能否让美国制造业腾飞?》一文中我们总结了机器人及自动化技术在美国制造业以及在美国经济中所占的重要地位,描述了机器人及自动化技术将在何处大大提高生产力,并展现了一个具有远见的研究与发展路线图,使美国的国家投资能够对这些重点研究领域起到推动作用。

美国国家科学基金会颁布了一个为期十五年的机器人领域技术路线图,制造业作为单独一张论述。在报告中提出的研究计划将显著增强美国的制造业经济,将有利于形成一个受过良好训练的并具有高超技术的生产线,创造新的就业机会,并且将在美国经济的再次崛起起到重要的作用。

路线图研究流程

美国制造业技术路线图描述了制造业通过发展一系列机器人技术领域的基础技术使其关键能力得到发展的前景。每一项关键能力都由一个或多个在制造业中广泛应用的领域发展而来,且都指向某些基础研发的主要技术领域(如下图)。将路线图的内容整合为连贯的方案是非常重要的。

机器人技术对制造业的影响

现在我们用假想的例子对具有一定影响力的机器人技术应用和在应用中具有很大积极作用的关键能力进行介绍。这些假想的场景有助于说明制造业模式的变化,也是能力与技术融合的实例。本路线图阐明了各项能力在5年,10年,15年时的关键节点。

事例1:流水线辅助机器人

汽车制造商面临着其新型电动汽车订单的激增,需要快速整合其他已生产完毕的早期型号汽车流水线的生产能力。流水线快速地进行了任务的重新分配,以适应新的汽车模型。工厂购置了一组流水线辅助机器人,其被很快地进行了设置并开始与人类工人一起完成新的任务。流水线的第一项作业是要对机器人参数进行微调以优化其传感器系统与机器学习算法,第二项作业是在四天的执行时间里使工厂产量翻番。紧接着,一个关键供应商要求更改装配序列以适应电池组在装配过程中的耐受程度。于是工程师使用计算工具快速修改了装配程序,将其打印给工人,并将新的装配程序上载至流水线辅助机器人。这种灵活的制造业正逐步进入我们的生活。比如,2012年8月,Rethink Robotics公司宣布,其价值2万2千美元的机器人Baxter可由未经培训或极少培训的演示示范而直接对其进行编程。安装与操作成本的降低将改变未来自动化技术在商业案例中的应用。

事例2:独特离散部件制造与组装

一个职业医师来到一个只有5名员工的主要接受来自医疗器械公司订单的小工场。他想制造一种乘坐轮椅的四肢瘫痪病人所使用的头部控制输入装置。今天,这种特殊的设备都非常昂贵,因为对其进行制造与组装将花费大量的时间与劳动来对机器进行设置。这个小工场的老板拥有一台可接受语音及手势命令的机器人,在机器人不知如何处置时可对其进行指示。这台机器人能将加工材料放置于铣床或车床上并开动机器,并且能够对必要的机械与电子组件进行设置,并在指令模糊而无法动作时请求协助。在不同工作位置之间的移动中,机器人能够清理冷却剂的泄漏并且对在狭小空间进行工作的工人进行安全提示。机器人能够响应工作时的快速请求,并且不会因为该请求会对其主要工作造成延迟而拒绝。最后,机器人对组件进行装配并且在下午将产品装车。这样的突发性工作对工场的日常工作只造成了很小的中断。

事例3:快速、集成且基于模型的供应链设计

国外主要供应商提供的用于婴儿配方奶粉的包装被发现具有严重的质量控制问题。在美国的首席工程师能够使用综合的多尺度模数融合供应链模型,引入新的供应商,重用供应链中可重用部分并且对整个供应链的转变造成影响:包括生产、分配、装箱、供应及分销。整个转变中最重要的部分是20台用于快速生产以对包装袋进行重新设计的机器人。

这些例子在今天看起来也许还很遥远,但我们已经拥有了技术基础,大量的专业人员、教育基础设施以及在关键技术领域适当的投资。这些基础能够让我们在15年内实现上述目标。

制造业的关键能力

在本节中,我们将对制造业的关键能力进行简要地讨论,并且给出5年、10年及15年可能会达到的技术节点。在后续内容中,我们将讨论一些可以使我们达到上述技术节点的具有前景的研究方向。

具备可适应性及重构性的生产线

今天,一种新产品从概念设计到在生产线上进行制造之间的时间间隔大得无法接受。对于一辆新型汽车来说,这个时间间隔能长达两年。当面对一个新的产品以及可以进行生产的生产线子系统时,我们希望能够对子系统进行重构设置,设立工作站来进行新产品的生产。因此,在未来15年,具备适应性及重构性生产线的路线图包含下面三个目标:

自主导航

自主导航是一项基本能力,这将影响采矿和建筑装备的自动化,原材料到成品的高效运输,在装配生产线上对原材料进行装卸处理并将成品带往检查站的导引车辆的自动化,以及类似于入库存储和调配的后勤支持的操作。使机器人能够在包含静止障碍物、车辆、行人以及动物的非结构化环境中进行安全的自主导航,需要在组成部件技术上有关键性的投资。自主导航的路线图包含以下技术节点:


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