智能制造是制造業(yè)深入實(shí)施創(chuàng )新驅動(dòng)發(fā)展戰略的重要引擎，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(kāi)放性、易于重構、可并行協(xié)同作業(yè)等優(yōu)勢，將人類(lèi)智慧和知識經(jīng)驗融入感知、決策、執行等制造活動(dòng)中，并賦予機器人化制造裝備在線(xiàn)學(xué)習與知識進(jìn)化能力，并通過(guò)人與機器合作共事，擴大、延伸和部分地取代人類(lèi)專(zhuān)家在制造過(guò)程中的腦力勞動(dòng)，提高制造裝備和系統的適應性與自治性。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(xué)科前沿研究熱點(diǎn)，并有望帶來(lái)產(chǎn)業(yè)變革，最終將通過(guò)無(wú)處不在的機器人，無(wú)處不在的傳感，無(wú)處不在的智能，實(shí)現無(wú)處不在的制造。

智能制造在制造業(yè)扮演著(zhù)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，連續十年中國制造業(yè)的規模是世界第一，并且品種、種類(lèi)數量也是全球第一。制造業(yè)在國民經(jīng)濟中占比1/3，但未來(lái)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(lái)發(fā)展戰略思考

制造業(yè)支撐起了我國重大技術(shù)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(zhù)重大作用。但在國家航天、航空、航海戰略行業(yè)中，一些高端裝備和關(guān)鍵制造技術(shù)還依賴(lài)于外國進(jìn)口。

我國的制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷三個(gè)發(fā)展階段，“十二五”規劃強調高精度數字化制造；十三五”規劃強調數字化智能化制造；“十四五”規劃強調高性能智能化制造。其發(fā)展趨勢是從高精度到高性能、數字化向智能化邁進(jìn)。未來(lái)通過(guò)信息技術(shù)的深度融合，無(wú)處不在的制造、智能與傳感將在制造業(yè)涌現。

智能制造的發(fā)展主要有以下五點(diǎn)趨勢：

第一個(gè)趨勢，機器人與機械材料、數學(xué)力學(xué)、信息傳感、生物醫學(xué)等多學(xué)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(gè)趨勢，智能制造技術(shù)、機器人技術(shù)與信息技術(shù)不斷深度融合，促使先進(jìn)制造技術(shù)紛紛涌現，孕育著(zhù)新的制造原理和概念，形成了創(chuàng )新源動(dòng)力。其中比較有代表性有特種能場(chǎng)制造、精密與超精密制造技術(shù)，這些先進(jìn)制造技術(shù)將成為智能制造技術(shù)的基礎。智能制造技術(shù)當前正逐漸以大數據、云計算等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎，呈現出數字孿生、車(chē)間與工廠(chǎng)智能、人機相互合作為特征的發(fā)展趨勢。

第三個(gè)趨勢，新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，引發(fā)制造裝備、系統與模式的重大變革，制造模式向人機共融、泛在制造，無(wú)人化制造等方向發(fā)展。共融機器人、人工智能大數據、人機交互技術(shù)等新一代信息技術(shù)與先進(jìn)制造的深度融合，將突破智能制造系統的柔順性和人機共融能力。通過(guò)泛在感知技術(shù)進(jìn)行全場(chǎng)景、實(shí)時(shí)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(lái)，智能裝備會(huì )朝著(zhù)自決策、自進(jìn)化、自律控制的趨勢發(fā)展。

第四個(gè)趨勢，人工智能推動(dòng)制造系統進(jìn)化，新一代人工智能技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的融合，促使智能制造在自決策、自學(xué)習、自進(jìn)化方面形成新的熱點(diǎn)。智能服務(wù)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(wù)和工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)也是新一代制造系統的重要支撐，制造智聯(lián)的自決策優(yōu)化將促進(jìn)成車(chē)間與工廠(chǎng)的智能化升級。

第五個(gè)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(diǎn)，可以將人類(lèi)的智慧和知識經(jīng)驗融入制造過(guò)程，實(shí)現非結構化環(huán)境下的制造。通過(guò)多機協(xié)作機制，實(shí)現人、機、環(huán)境共融。

從我國智能制造的體系架構看，發(fā)展智能制造需要從人機、多機協(xié)同的機制、演變規律，以及運行原理著(zhù)手，同時(shí)在關(guān)鍵技術(shù)方面要形成突破，形成一些重點(diǎn)優(yōu)先的發(fā)展領(lǐng)域，從而支撐國家的重大戰略需求。

智能制造體系架構主要有五大發(fā)展方向。發(fā)展方向之一，非結構環(huán)境下人、機、環(huán)境共融制造。在非結構化環(huán)境下，制造狀態(tài)多模態(tài)感知與人機協(xié)調控制激發(fā)全場(chǎng)景多模態(tài)感知與多元數據融合，人、機、環(huán)境將達到共融制造。當前的制造一般都是在結構化環(huán)境中進(jìn)行，而制造講究的是效率、成本、質(zhì)量第一。所以，在未來(lái)的非結構化環(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(lái)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(lèi)無(wú)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。主要有三方面的內容：加工系統多模態(tài)信息感知與狀態(tài)監測、加工動(dòng)力學(xué)行為與性能調控機制、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，節能、新材料、綠色加工工藝與節能管控，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)互通轉變制造模式，使得智能制造更加便捷。但隨之而來(lái)產(chǎn)生了個(gè)人隱私保護的問(wèn)題，如何既讓用戶(hù)享受互聯(lián)互通的優(yōu)勢，又使其個(gè)人的隱私得到保護？如何做到主動(dòng)的安全保護？能否建立一個(gè)主動(dòng)的防御系統，使工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)能夠實(shí)現互聯(lián)互通，同時(shí)要又能保護個(gè)人的隱私和安全，這些是我們學(xué)術(shù)界需要進(jìn)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(wú)盡前沿法案，對美國機器人的發(fā)展制定了一個(gè)路線(xiàn)圖，他們重點(diǎn)關(guān)注機器人和先進(jìn)制造技術(shù)。歐盟比較關(guān)注機器人的加工能力，明確提出了要實(shí)現50μm精度的加工機器人，而我們國家的戰略是“中國制造2025”，主要是實(shí)現人、機、環(huán)境的共融。

機器人化制造是智能制造領(lǐng)域國際熱點(diǎn)。近年來(lái)，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(guò)機器人機械學(xué)與加工工藝、技術(shù)共融，在大型構件制造技術(shù)及裝備方面取得了較好進(jìn)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(lái)機器人面臨的十大挑戰，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(lǐng)域的十大突破技術(shù)，位于榜首的是靈巧機器人。實(shí)現靈巧機器人是未來(lái)面臨的最大機器人技術(shù)難度，這是一個(gè)非常值得探索的學(xué)術(shù)研究方向。

自1997年開(kāi)展智能4M系統以來(lái)，華科大團隊通過(guò)理論探索、技術(shù)攻關(guān)，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，完成了機器人的數字化制造。2010年，轉向了航空零件的數字化。2015年，在國內率先開(kāi)展機器人加工的重點(diǎn)基金項目研究。2017年，牽頭風(fēng)電葉片打磨重點(diǎn)研發(fā)國家專(zhuān)項。2021年，獲批了機械學(xué)科的第一個(gè)基礎科學(xué)中心—機器人化智能制造。

機器人化智能制造的科學(xué)內涵就是使得單個(gè)的機器能夠實(shí)現能工巧匠，多個(gè)機器能夠實(shí)現多機協(xié)作，人機可以實(shí)現自然交互。所以，機器人化智能制造基礎科學(xué)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(shí)形成機器人加工30μm的技術(shù)，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(shí)現機器人化加工的形性調控、行為順應和系統進(jìn)化三大科學(xué)問(wèn)題。希望機器人化智能制造基礎科學(xué)中心，能夠站在國際技術(shù)的前沿引領(lǐng)國際機器人化智能制造科學(xué)與技術(shù)發(fā)展。

機器人化智能制造基礎科學(xué)中心的研究方向主要有三個(gè)，一是解決機器人化復雜曲面制造，二是機器人化大型構件制造，三是機器人化功能結構制造。大型復雜曲面具有尺寸超大、曲面復雜、形性嚴苛等特點(diǎn)，實(shí)現它的智能化制造不僅是我國的重大需求，同時(shí)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(guò)程中變形問(wèn)題，振動(dòng)問(wèn)題，加工效率問(wèn)題，是制造業(yè)里面經(jīng)久不衰的主題。

在我國很長(cháng)一段時(shí)間里，大型構件的全型面加工，如大型航空器蒙皮、大型風(fēng)洞、高鐵結構體加工，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(wú)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(shí)現機器人化智能制造。

在實(shí)現機器人化智能制造中，有如下幾個(gè)挑戰。其一是機器人加工裝備?，F有數控加工裝備和工業(yè)機器人難以兼顧大型復雜構件高效、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構件制造的加工機器人本體？實(shí)現“高速不抖”、“重載不趴”？以及如何通過(guò)手眼協(xié)調，柔順控制技術(shù)實(shí)現高精度加工？這是亟需解決的問(wèn)題。

其二是全場(chǎng)景測量技術(shù)。大型復雜構件尺寸大、面型復雜、表面呈現弱結構紋理特征和非朗伯高光反射，傳統測量手段難以滿(mǎn)足跨尺度檢測要求。如何攻克超大弱結構特征高光反射曲面測量系統校準、拼接等難題，實(shí)現全場(chǎng)景高精高效原位測量與質(zhì)量評定？

其三是自律跟蹤控制。由于構件尺寸大、缺乏定位基準，并行加工過(guò)程中多機軌跡干涉、加工振動(dòng)耦合，對多機自主尋位與自律控制帶來(lái)挑戰。如何實(shí)現大范圍工作空間內多移動(dòng)加工機器人全場(chǎng)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(shù)。由于機器人幾何誤差和非幾何誤差同時(shí)影響輸出精度，所以面臨的技術(shù)挑戰是如何實(shí)現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(dòng)加工誤差順應補償機制與精度可控理論，實(shí)現了大型復雜構件多機器人協(xié)同原位制造。如：在100米的超大尺寸空間中，通過(guò)激光雷達等技術(shù)將移動(dòng)機器人在運動(dòng)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(guò)點(diǎn)云伺服等技術(shù)實(shí)現了±1mm精度。在40mm范圍的交互空間中，通過(guò)終端力控，最終將精度控制到±50μm。機器人實(shí)現大型構件的微米級加工，需要經(jīng)過(guò)運動(dòng)空間、操作空間、交互空間反復的演進(jìn)，最后才能達到可靠的加工精度。

在視覺(jué)引導的機器人加工路徑規劃研究方面，我們發(fā)明了測量-加工機器人系統精確標定與刀具軌跡生成技術(shù)，解決了易變形構件機器人銑削路徑規劃難題，相關(guān)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(shù)上，我們攻克了全場(chǎng)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(shù)，實(shí)現了大型復雜構件全域高品質(zhì)制造。以前機床的加工精度依靠機床的鋼性、導軌、主軸來(lái)保證，未來(lái)通過(guò)人工智能、大數據、感知，也能夠實(shí)現一定的精度。

另外，我們也提出了數據驅動(dòng)的信息物理系統動(dòng)機理建模方法——IHYDE，闡明了物理流和信息流耦合下的多系統動(dòng)力學(xué)機理和切換邏輯，實(shí)現動(dòng)態(tài)數據的解耦，可為智能制造各類(lèi)場(chǎng)景的建模仿真提供普適性理論支撐。

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

在技術(shù)前沿領(lǐng)域，我們發(fā)明了一種軟體機器人，它不僅具備類(lèi)生物的靈巧性，而且具有極好的環(huán)境適應性，相關(guān)工作已在《Science Robotics》上發(fā)表。另外，我們也自主開(kāi)發(fā)了Turboworks軟件，它解決了大量的數學(xué)問(wèn)題。但最重要是其自適應的加工能力，該軟件在二階大擺線(xiàn)的加工和發(fā)動(dòng)機制造上發(fā)揮著(zhù)巨大的作用。

在變形控制與自適應加工方面，我們也開(kāi)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，完成了國內最大規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，數字孿生技術(shù)在現場(chǎng)應用方面也產(chǎn)生很好的應用效果。在機床制造已經(jīng)裝配了數字孿生系統，通過(guò)觸控系統，實(shí)時(shí)讀取數據，并進(jìn)行在線(xiàn)的仿真，從而在線(xiàn)規避了人為設置的加工誤差。

在大型風(fēng)電葉片制造上，我們開(kāi)發(fā)的大型風(fēng)電葉片機器人智能制造系統入選2018年中國智能制造十大進(jìn)展，該成果目前已經(jīng)應用到了高鐵車(chē)身制造上，主要是利用自適應加工技術(shù)實(shí)現了車(chē)身全形面的點(diǎn)云拼接和型面磨拋。目前正在研究吸附式機器人磨拋技術(shù)，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(shù)領(lǐng)域有四大技術(shù)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(shù)。采用這些技術(shù)，今年我們交付中車(chē)7條生產(chǎn)線(xiàn)和9套加工測量系統，并全部成功應用于批量生產(chǎn)。同時(shí)也非常榮幸獲得了2022年中國機械工業(yè)聯(lián)合會(huì )的技術(shù)發(fā)明特等獎，這也標志著(zhù)我們國家大型曲面加工技術(shù)形成了自主核心競爭力。

3　未來(lái)研究工作思索及其展望

未來(lái)的研究主要有三大方向。第一是大數據驅動(dòng)與機理建模。如何把現實(shí)生活中海量數據提取出來(lái)，并將其提煉生成可信機制的模型，從而賦能傳統行業(yè)，這是我們研究者需要解決的。

第二個(gè)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(jiǎn)單的算法、算力的提升。雖然可以借鑒清華大學(xué)自行車(chē)、特斯拉無(wú)人駕駛非結構化環(huán)境的算法，但這些算法目前尚不能解決工程中的實(shí)際問(wèn)題。所以，能否研發(fā)出適合工業(yè)場(chǎng)景的手眼腦協(xié)同的AI芯片，并真正應用于工業(yè)場(chǎng)景，這是機器人化智能制造發(fā)展的瓶頸所在。

第三個(gè)是機器人化智能制造。未來(lái)的機器人化智能制造將會(huì )滿(mǎn)足隨時(shí)隨地加工的要求，例如，機器人對航天飛行器艙體的加工過(guò)程中，需要隨時(shí)進(jìn)行無(wú)人化操作，還要進(jìn)行大范圍的“精雕細刻”。除了滿(mǎn)足隨時(shí)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“俄烏戰爭”中無(wú)人機的戰斗力非常強，未來(lái)這種機器人的全自主集群加工，會(huì )不會(huì )有一定的應用前景？這個(gè)問(wèn)題也值得我們探討。以前是“鐵打的機床，流水的工件”，未來(lái)可能是“工件是鐵打的，機床是流水的”。復現機床加工能力，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(lái)發(fā)展趨勢。

從最早的零維固定式機械臂、一維移動(dòng)機械臂，到二維的全向移動(dòng)機械臂，如今已經(jīng)有三維的爬壁加工機器人，未來(lái)將會(huì )產(chǎn)生全域多棲加工機器人。機器人加工將會(huì )不斷突破尺度、地域、時(shí)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(xué)，而數學(xué)家、物理學(xué)家、化學(xué)家、力學(xué)家、生命學(xué)家，是科學(xué)的心臟和大腦。如何把知識變成能力，讓能力服務(wù)于工程？如何把工程需求變成普遍現象，并歸結為科學(xué)原理？這是我們今后幾十年要仔細思考的問(wèn)題。

將知識轉化為能力，這是我們工程科學(xué)和技術(shù)科學(xué)的學(xué)者們要長(cháng)期堅持并努力的方向。技術(shù)來(lái)源于科學(xué)，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(shù)，這是未來(lái)我們的奮斗目標。

（本文根據中國科學(xué)院院士丁漢曾做過(guò)的報告“機器人化智能制造”整理）

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年7月刊