以机器人为核心，新一代生产范式

宁波智能制造产业研究院组合创新研究中心 赵新华

以机器人为核心，新一代生产范式

宁波智能制造产业研究院组合创新研究中心 赵新华

互联网、智能手机正改变着人们的生活方式。与此同时,机器人作为工业4.0的核心技术,将改变生产方式。机器人的应用将整个工业从福特时代的汽车生产线,升级为新的以机器人为核心的生产范式,其内涵包括生产布局、物流体系、质量体系、供应链管理、能源供给等,其外延涉及可再生制造能力、未来生产管理、产品设计模式等,影响范围之大,需要我们用新的理念重新审视。

机器人；生产范式；制造业

1 从福特式生产线谈起

手工工场时代，所有的工作是以人为核心的生产范式；进入工业时代之后的工厂，工作以能源和动力机器为核心的生产范式；随着产品的复杂性不断提升，以福特汽车为代表的新型工厂，将汽车制造业升级为以生产线为核心的生产要素、其他生产要素（包括工人、机器、原料、产品等等）围绕生产线进行配置的新一代的生产范式。

这种以生产线为核心要素的生产范式，以管理学之父泰勒“动作分解”等科学管理理论为基础，结合由此衍生出全面追溯的6Sigma全面质量管理体系、JIT零库存的供应链管理方法、ERP企业资源计划企业管理实践等一系列管理理论和方法，非常适合复杂程度高、批量大、库存管理要求高、质量要求高的产品制造要求。而汽车制造业以其产量超过航空航天、复杂程度超过普通产品、行业覆盖度广、节拍控制精准、产品质量要求达载人级安全，成为了先进制造业的标志性产业。

随着工业机器人的不断成熟，特别是MIB移动工业机器人、AGV自动导航运输、LPS室内定位技术、CNC全数控加工中心、增材制造技术等新技术的出现和成熟，全新一代的以机器人为核心的生产范式即将浮出水面，有望替代百年历史的以生产线为核心的生产范式，引领下一次产业革命。

2 以机器人为核心的生产范式的内涵

以机器人为核心的生产模式意味着“一切从机器人的角度思考”，生产布局、物流、生产加工、供应链等方面均采用以机器人为核心的方式。

2.1 以机器人为核心的生产布局方式

机器人时代的布局是球形空间。手工时代，由于人的工作台决定了工作地点，因此布局是点状的；传统的生产布局方式，是生产线线性的，因为物流设备决定了这一切；机器人生产时代，将是环形的，机器人的手臂的运动范围是一个有限空间，所以非移动机器人布置在中间，周边摆放各种刀具、上下料口、货架、半成品、加工资源，这一点在某机器人企业对未来工厂的描述中已经提到。

机器人时代的连接是立体的。由于不用考虑人走动、人的操作高度，所以输送线的高度可以降低到最低，贴地操作，皮带会更多、钢结构会更低；由于不用考虑人的操作，所以不同层之间的立体空间可以很小，很窄，而不必担心碰头等要求；在不影响通道的情况下，由于不必考虑过多的人员安全问题，立体的安装会更多，从而出现更立体的工厂模式。

机器人时代的工厂是紧凑的。由于减少人的操作，所以灯光照明线路可以节约，同时人的上下楼梯等通道除了检修可以大幅减少，为人员操作考虑的空调、降温、通风、劳保、除尘设施的成本可以大幅下降，从而带来一种新的“机器人因工程学”，即在无需考虑人员的情况下如何进行工厂布局，需要站在机器人的视角，而不是人类的视角。

2.2 以机器人为核心的物流体系

随着工厂内机器人的广泛应用，物流体系中人的因素会逐渐减少。Google的AGV已经通过了沙漠测试，现在进入城区测试阶段；Amazon的飞行物流也在实验阶段；沃尔玛的地下管道输送在改变城市的空间布局。在机器人时代，物流体系以操作方便的机器人为最佳选择，将带来集装箱/托架/盒子的标准化和智能化、电梯在内的室内智能物流系统的建立、室内智能空间标签化与标识的系统化等关键技术的突破和应用。

同时，物流体系伴随着追溯体系的建立，以条码/智能条码/隐形条码/RFID标签等为代表的智能标签技术，将成为机器人生产中的标配，并将该智能应用一直延伸到消费环节。

比如：某轮胎企业，现在在建立智能生产线的时候，考虑到用机器人或AGV为每个轮胎的制定位置内嵌RFID，一方面，在生产过程中，该信息可以为机器人、各类物流设备、检测设备使用；另一方面，一旦轮胎出现事故，可以首先将信息反馈，确定质量问题出现的规律，改善生产，形成新的生产者和消费者的关系。这种情况下，如果在建立生产线时仍然采用以前的方式，而不能面向未来，则在未来一段时间后，会发现要再次更新。

2.3 以机器人为核心的质量体系

机器人为产品质量负责，可以大幅减少生产过程中的不确定性。但与此同时，机器人设备的定期检验、校准变得更加重要。同时机器人需要定期维保，通过升级软件程序实现定期安全“培训”。机器人用的仪表也在发生变更。现在的智能电表和智能水表的安装，往往考虑了远程的读取，而没有给近距离机器人读取和操作提供接口。未来智能仪表的读取，也未必需要采用网络方式，而是可以采用机器人可接受的短距通信方式，其位置也不必考虑人的读取，而可以布局在更隐蔽的位置，不必预留查看空间。

危险区域的安全管理和质量控制也会由于机器人的介入，而更改升级为一种无人值守、定期巡查的方式。

机器人的大批量使用，也会改变工业大数据的使用方法，未来的生产质量管理中，是按机器人而不是按照操作工人来统计产品质量分布情况，自动采集不同机器人在不同工作状态下生产的产品的情况，根据该数据，除了可以诊断产品的质量问题，同时还可以诊断机器人可能存在的磨损、故障和精度误差等情况，这种科学的数据分析结果和改进方案在以人为中心的生产环境中是难以实现的。

2.4 以机器人为核心的供应链管理

工厂内进行采购和销售环节交接的将有更多机器人的参与，淘宝的收货环节也会有更多机器人的介入。这将与当前的临时储货柜方法结合，成为面向未来的供应链管理体系。

2.5 以机器人为核心的能源供给体系

工厂内进行能源供给要考虑机器人的常用方式，除现有的能源供给方式之外，将增加无线充电等方式，同时考虑到触电、电磁兼容、接地安全等要求，电路的布局将重新设计。同时以气源、真空源、蒸汽源等为动力的操作方式也会为机器人的随处使用提供更多的更方便的接头。

除此之外，以机器人为核心，是一种面向未来的智能工厂的设计理念和哲学。以机器人为核心的监控，将带来移动和飞行的监控机器人；以机器人为核心的管理，将带来随着人移动生产音频、视频的提示系统；以机器人为核心的管理，将出现给机器人看的二维码生产看板；以机器人为核心的5S管理，将改变循环经济的思维模式……

3 机器人工业时代的外延

机器人为核心的生产范式，不仅改变工厂内的生产方式，它也会改变未来对生产本质的思考。

3.1 机器人是一种“可再生的制造能力”

“我们愿意购买机器人，产品型号发生变化的时候，机器人可以通过重新调整程序实现转产，而不必担心该机器人无法适应产品规格的变化。”企业主购买装备时，除了关心装备的特性、性能、价格之外，还关心投资回收期，机器人作为一种长期可使用的、多行业可使用的装备，具有极强的适应性。

当前的很多制造资源是不可再生的，所谓不可再生，是指一旦不再生产这种产品，那么该制造资源可以回收的价值很低，很难应用于其他的领域，这造成了固定资产中很多无价值的资产。而机器人则不同，机器人是一种可再生的资产，如同房产和汽车，是一种几乎所有行业都需要的资产。

在能源领域，可再生能源为主导是发达国家能源结构未来发展的趋势之一；在制造领域，以机器人和数控机床为代表的可再生的制造资源为主导，也是目前发达国家工业化的趋势之一，其结果是可再生能源占能源结构的百分比从1%上升到20%～50%，机器人等可再生的制造资源将占到当前所有制造资源的30%甚至更高。

以中国工业GDP30万亿每年为例，每10万元年工业GDP对应一台机器人或数控机床，则该行业可以达到累积装机容量在30万亿/10万元×30%=9亿台以上，机器人等可再生制造资源的远大前景也将得到飞速的发展。

3.2 机器人改变工厂生产的所有制

工厂的所有者目前是以整体的方式对工厂拥有产权，随着机器人的应用，一种新型的合伙方式将可能出现，机器人的所有者拥有不同生产工艺环节的机器人和对应的利润增值。从而将整个工厂的投资，从简单的所有者投资，变更为劳者有其田的分散式所有权和经营权模式，而这种所有制关系的升级，可能带来的生产关系的变更，将如同小岗村包产到户的效果。

在某大型国有企业，由于一个关键岗位员工的退休，造成一台上千万设备的闲置，同时生产产品的品质也在下降。由于原有的师徒制在中国制造领域难以为继，既不能沿用传统中华文明中以尊师重教为核心理念、以师徒制为核心的知识传承模式，又不能采用西方文明中知识私有所带来的价值激励体制，加之80后90后的员工对于长期进行重复岗位技能的学习和积累有一定文化上的抵触，所以，造成了核心know-how知识的流失。而将知识嵌入机器人，将机器人分清所有权，根据所有权决定经营权将产生一个新的传承链条，并带来新的生产活力的释放。

3.3 机器人改变产品设计方式

如同珍妮纺纱机的出现改变了棉和丝绸的使用比例，改变了世界贸易中服装相关产品的流向 ；机器人的出现，将改变产品的形式，如便于机器人操作的把手和内嵌铁条的出现是一种方式，又如便于机器人标识而不是让人标识的视觉符号系统。

特别的，产品形态将出现更多的标准化和模块化的趋势，随着机器人能力的提升，特别是不同企业之间机器人图纸平台上信息交互的信息量的提升，不同产品之间共享模块，实现跨行业、跨产品的规模化生产，将成为可能。机器人会记住他所生产的每一件产品，并将之与数据库中的信息进行对比，一旦发现重复生产或相似的东西，模块化设计的驱动机制就会启动，提醒设计者可能存在的通用模块的存在。

除了以上提到的三点，这种以机器人为核心的生产范式的外延将不断扩大，也将带来专门为机器人服务的维修店、工具店、超市、金融服务、租赁模式、投资、机器人当铺等新的产业形态。在这方面，宁波已经开始尝试建立以机器人为核心的生产制造系统的智能制造小镇，打造机器人的未来硅谷——三七市镇，形成一种基于现实世界生态环境下的“智能制造特区”，实现机器人以及以机器人为核心的下一代生产范式的“社会试验田”。

4 结语

一代装备、一代工业。

每一代工业变革都是伴随着新能源和新智能的引入。继工业1.0以“机器换人工”机械化的蒸汽机、工业2.0以“电气换机械”自动化的能源原动机、工业3.0以“成套换单台”信息化的计算机以后，工业4.0带给我们的是以“智能换数据”智能化的机器人。

机器人的引入，不止是技术层面的一种工具，而是一种新的生产方式，以“可再生制造力”为核心杠杆，改变未来工业的生态结构。

新一代机器人的应用，不仅是一个产业，而且将改变几乎所有制造业的生产模式，为中国制造业实现弯道超越提供可能性——原有的制造模式面临洗牌，重新定义的制造业，重新定义的起跑线，可能带来后发优势，实现弯道超越。

News[新闻]

工信部：建立研发下一代工业机器人国家级平台

2015年5月21日，中国机器人产业联盟在重庆发布市场统计数据显示，2014年中国市场共销售工业机器人约5.7万台，较上年增长55%，约占全球销量四分之一，连续两年成为全球第一大工业机器人市场。其中，国内企业销售16945台，比上年实际增长76.6%；外资企业在华销售约4万台，较上年增长47%。应用方面，外资产品主要集中在汽车、电子制造等领域；国产机器人则加快拓展应用市场，已广泛地服务于国民经济67个行业中，但是，需要注意的是，多关节的中高端机器人，我国还在大量进口，我国自主品牌机器人还远未能满足国民经济发展的需要。

对此，工业和信息化部装备工业司司长张相木表示，希望现今我国机器人行业的发展跳出我国制造业由低端到高端的传统的产业发展模式，打造产业集聚，扶持、发展几家可以参与国际竞争的机器人企业，以实现跨越式发展，工业和信息化部将不遗余力地支持自主品牌机器人的发展，为行业企业提供政策等各方面的支撑。

近日，工信部发布《中国制造2025》规划系列解读，对机器人等八个领域进行了详细的梳理。解读中提出，我国将加快下一代机器人研发生产，抢占机器人技术及产业发展的下一个制高点。

为此，当前我国发展下一代机器人产业，首先注重夯实机器人产业技术基础，着力推动现有机器人的产业化进程，加快自主品牌机器人在国内市场的推广应用；探索新的技术研发模式，鼓励科研院所与企业发挥各自优势，多方建立下一代工业机器人前沿、共性技术研发与储备的国家级平台；从中国的国情、需求出发，突破下一代机器人核心技术，研制出下一代机器人样机系统、产品，并推进产业化进程，抢占下一代机器人国际制高点；对于应用于不同领域的机器人产品，实施不同的发展战略：一方面以企业为核心，以共性技术平台为支撑，优先发展下一代工业机器人，推进产需对接，抢占发展制高点；另一方面，以市场为导向，把握国内需求特点，发展医疗、养老助残等服务机器人和特殊服役环境下作业的特种机器人。

赵新华（1978-），男，辽宁葫芦岛人，毕业于清华大学自动化系，现任宁波智能制造产业研究院组合创新研究中心主任，中国机电一体化应用协会智能工厂分会秘书长，余姚机器换人服务中心主任，拥有制造业有十年一线生产和设计经验，主要研究基于机器人的下一代智能工厂的建设和实施。