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作者：863計劃機器人技術主題專家組組長 王田苗 從需求入手分析了我國急需解決的問題，并針對這些問題分析了世界在這些領域的現狀與趨勢，討論了國家863計劃機器人技術主題在“十五”期間的工作目標和任務。 世紀之交，世界經濟結構正在發生重大而深刻的變革，美國、歐盟、日本等發達國家的政府先后推出并實施了多個與機器人技術、自動化工藝裝備相關的國家研究計劃，以支持相關的核心技術和關鍵重大裝備的研發與應用。我國政府也非常重視機器人技術研究與開發，并在國家“十五”863計劃中予以重點支持。經過國家863計劃15年的實施，我國在機器人技術與自動化工藝裝備等方面已取得了突破性進展，縮短了同發達國家之間的差距。但是在機器人與自動化裝備中核心及關鍵技術的原創性研究、高性能關鍵工藝裝備的自主設計和制造能力、重大成套裝備的系統集成與開發能力、高可靠性基礎功能部件的批量生產應用等方面，同發達國家相比我國仍存在較大的差距。 為了進一步提高我國機器人技術與自動化工藝裝備的整體技術水平，進一步縮短同發達國家之間在制造業信息化方面的差距。“十五”期間，迫切需要進一步加強對機器人技術與自動化工藝裝備研究開發的支持，以期在戰略必爭裝備技術與競爭前核心技術、基礎制造裝備與成套關鍵裝備制造技術的研究開發等重點方向實現創新和跨越式發展，趕超世界先進水平，為我國國民經濟發展和國家安全建設做出更大的貢獻。 1. 需求分析 進入21世紀，世界經濟結構正在發生重大而深刻的變革，但制造業依然是世界各發達與發展中國家加快經濟發展、提高國家綜合競爭力的重要途徑。 我國是一個制造業大國，尚處于工業化進程之中，在未來相當長的時期里，制造業仍將在國民經濟中占主導地位。在新一輪國際產業結構調整中，我國正逐步成為世界最重要的制造業基地之一。 然而目前我國裝備制造業的整體水平與發達國家相比尚有較大的差距，尤其是在戰略必爭裝備技術與競爭前核心技術、基礎制造裝備與成套關鍵裝備制造技術等方面差距更大，這種差距又主要體現在先進裝備的自主設計與獨立制造能力差，成套與系統集成、優化能力差，技術創新和集成創新能力差。這些差距已經成為制約我國制造業乃至其他行業經濟發展的關鍵瓶頸問題之一。 隨著我國加入WTO，我國裝備制造業從來沒有像今天這樣直接地面對國際同行的有力競爭和挑戰。如何適應激烈的國際競爭和快速變化的世界市場需求，不斷以高質量、低成本、快速響應的手段在新的市場競爭中求得生存和發展，已是我國裝備制造業不容回避的問題。同時加入WTO也為我們提供了前所未有的機遇，我們必須抓住機遇迎頭趕上。 1．1國家發展迫切需要的戰略必爭裝備與競爭前核心技術 戰略必爭裝備是指那些涉及國家安全、經濟命脈以及在國際經濟競爭中對國民經濟影響重大的裝備；競爭前核心技術是指在未來的國際競爭中有可能開拓新的廣闊市場或成為新的戰略必爭技術。可以說，戰略必爭裝備與競爭前核心技術關系到一個國家的興衰與存亡，是一個國家安全獨立和成為一個強國必須擁有的裝備和技術。 對機器人技術主題，用于國家戰略資源勘探——海洋資源開發的水下作業裝備和空間資源探索的空間探測器，用于高精尖設備制造的超精密加工裝備，面向IT 等產業的電子專用制造裝備，對未來許多行業將產生重大影響的微機電系統以及集當代眾多高技術于一身的仿人形機器人、仿生機器人、微操作機器人等特種機器人，都是關系到子孫后代的戰略必爭裝備或競爭前核心技術，是花錢也買不到的裝備與技術，是中國要成為一個強國必備的裝備與技術。 1．2國家發展急需的基礎制造裝備與成套裝備制造技術 一個國家僅僅擁有了戰略必爭裝備和競爭前核心技術是不夠的。要想成為經濟強國，完成工業化的建設，必須在裝備制造業掌握有關基礎制造裝備與成套裝備制造的核心技術。2O世紀70～80年代美國制造業發展的衰落和競爭力減弱的例子很好地說明了這一點。2O世紀70年代前，美國的產品競爭力一直令對手望塵莫及，但到了80年代，美國人發現日本、德國等國家后來居上，逐步取代了他在國際市場的霸主地位。經過認真深入地分析，他們發現其原因是美國失去了在裝備制造業方面的優勢，而日、德等國，特別是日本，對制造技術及裝備研究的投入比例遠大于美國。于是從20世紀80年代后期開始，開展了一系列旨在振興美國裝備制造業的龐大計劃，加大了對制造業技術與裝備研究的投人，使美國的制造業重振雄風，也使美國經濟得以逐步復蘇并保持持續增長的勢頭。 在世界經濟全球化的今天，雖說絕大多數基礎制造裝備與成套裝備，只要花錢都可以買到，但對我國這樣的發展中大國來說，必須掌握了關鍵的基礎制造裝備與成套裝備制造的核心技術，才能牢固占有國內市場，并不斷開拓國際市場，在競爭中立于不敗之地。 a. 對基礎制措裝備的需求。一個國家制造業水平的高低，很大程度上取決于其基礎制造裝備水平的高低。據原國家機械局預測：20O5年我國數控機床市場總容量約 30 000臺，中、高檔市場年需求量 12 O00臺，其中數控車床、加工中心（包括數控銑床）占60％，約7000臺。基礎制造裝備不僅需求量大，而且對裝備的技術水平的要求越來越高，如飛機制造業中的大臺面多坐標數控龍門銑床、高速加工中心、專用高速蜂窩銑等。對于這樣的高檔專用設備，目前主要依賴進口。但這類設備是西方國家對華禁運的重點，1999年的“考克斯報告”提出要控制對華出口機床，2000年美國就通過了針對中國的《控制高技術機床出口》法案。 b．對大型、成套裝備的需求。我國汽車到2005年產量可接近270萬輛，“十五”期間我國汽車制造業購買生產線所需的各種技術裝備，初步測算就將達到600億元；還有在電子、家電制造業，對生產線所需的數控加工裝備、工業機器人、自動化物流輸送系統均有巨大的市場需求。 在非制造領域同樣有著迫切的需求。未來10年，我國基礎設施建設將處于前所未有的高速發展階段，將新建鐵路1萬余km，新建城市地鐵1000km，公路建設投資 1萬億元；在水利建設方面，就有130多個水電工程需要建設；國家計劃的大型露天礦有25個需要開采；此外尚有“西氣東輸”、“南水北調”、“進藏鐵路” 等巨大工程。這些均將形成對大型工程、建筑機械（裝備）的巨大市場需求，如需要6.3m左右，用于地鐵隧道掘進的盾構機約120臺（每臺數千萬元）。 然而，我國對于一些大型的成套裝備基本都依賴引進，目前光纖制造裝備的 100％，IC制造裝備的85％，石化裝備的8O％，轎車工業裝備。數控機床和其他數字化機械（如紡織機械、多色膠印機）的70％以上依賴進口。同樣，大型工程機械（如用于地鐵隧道掘進的盾構機）也主要依賴進口，且比例在上升。一個明顯的例子是挖掘機，我國有挖掘機企業近2O家，雖然市場需求20000 臺，但在國外品牌挖掘機的大舉進攻下節節敗退，目前國產挖掘機的市場份額已剩不到5％。 綜上所述，我國國民經濟和社會發展對機器人技術和自動化工藝裝備中的戰略必爭裝備、基礎制造裝備和成套裝備提出了迫切需求。研究開發上述技術與裝備是實現我國傳統產業改造升級。完成工業化的迫切需要；是促進我國制造業“兩個根本性轉變”，實施制造業信息化工程的需要；是增強國防實力、國家安全與國際地位的需要；是實現黨中央第三步戰略目標的需要；是國民經濟可持續發展的基本保證。 2. 現狀與趨勢分析 2.1 戰略必爭裝備與競爭前核心技術 正是看到了機器人技術與自動化工藝裝備中包含著許多具有戰略性、前沿性和前瞻性的高技術，美國、歐盟、日本等西方發達國家對此極為重視，先后推出并實施了多個國家研究計劃，我國也在國家863計劃中予以重點支持。在此，我們對與本主題有關的若干戰略必爭裝備與競爭前核心技術的國內外現狀與重大研究方向作簡要的列舉分析。 2.1.1 水下作業裝備 21世紀是人類向海洋進軍的世紀。海洋資源是近幾年國際上激烈競爭的焦點之一，是各國重要的戰略目標。為進行海上石油開發、海洋科學研究、海底礦藏勘探開發、海底打撈救生以及軍事應用，如偵察巡邏、掃雷、預警等，迫切需要進一步開發水下作業裝備。 國際公海組織規定，對有能力進行深海勘探的國家將有優先開采權。“九五”期間，我國海洋局已利用本主題開發的 6 000m水下機器人，在太平洋上勘探了3O萬平方公里，并獲得了其中礦產資源最豐富的7．5萬平方公里的優先開采權，為后人留下了一份產業，實現了以技術換資源的目標。下一步聯合國將對富鉆結殼進行勘探，如果沒有勘探技術裝備能力，將失去開采權。我國在水下機器人方面雖然擁有一定的基礎，但與美國。俄羅斯、日本等國相比還有很大的差距，遠不能滿足未來開發海洋的需求，我國在深海載人潛水器、深海作業機器人、12O00m海溝探測機器人等方面還有很多沒有開發而必須開發的裝備。 2.1.2 超精密加工裝備 信息、航空、航天，特別是國防工業對精密和超精密加工的需求是非常迫切的。如導彈、航空與航天器上使用的精密陀螺儀（精密陀螺儀轉子的偏心增加 0.5ｕm，將引起100m的射程誤差和50m的軌道誤差），飛機和潛艇上使用的高精度葉片，空對空導彈上使用的紅外接收器非球面反射鏡，航天望遠鏡上使用的超精密鏡片等，無一不需要特殊的精密與超精密加工技術。同時，精密、超精密加工技術是先進制造技術的基礎和關鍵，也是一些高新技術和某些尖端科學賴以存在和發展的基礎。 目前，國際上超精密車床主軸回轉精度均已達O．025ｕm。工件表面粗糙度Ｒa=0.01～0.02ｕm，最高達0．0045ｕm。進人21世紀，超精密加工的精度將達至0.001ｕm（1nm）。超精密加工尤其是納米加工是當前各工業發達國家主攻的目標。此外，超精加工材料對象由金屬擴大到非金屬，高密度、高能量的粒子束加工工藝和裝備，以三維曲面加工為主的高性能超精密加工工藝和裝備以及配套的三維超精密檢測技術和加工環境的控制技術等正成為進一步的發展趨勢。而我國在超精密加工方面尚處于起步階段。 2.1.3電子專用制造裝備 電子制造尤其是集成電路IC制造已成為制造業最重要的領域之一。預計到2O05年，我國集成電路市場總銷售額將達到1000億元。這種巨大的市場需求必將拉動對集成電路（IC）制造裝備的巨大需求。據預測，“十五”期間我國需建IC芯片生產線30多條、IC封裝生產線15條左右。另據預測，建設一條年封裝能力為1億塊的IC封裝生產線，裝備投資約需2億元人民幣。若按我國IC年需求量增長20億塊計算，則僅增添IC的封裝設備每年就需4O億元人民幣。 IC制造中的核心和關鍵裝備包括制芯（前道工序）和封裝（后道工序）2大部分。前道工序裝備發展的趨勢是研制新型超精細光刻機等設備，以突破 0.1ｕm的大關；后道裝備則是發展與更密、更小、更輕的新型封裝工藝相適應的更快。成本更低的封裝設備，并且對整個后封裝工序的各種設備以數字化封裝線方式進行工藝和裝備的集成。由于IC制造不僅對國民經濟有巨大的影響，而且對國家安全極為重要，所以一些高精密的IC制造裝備成了一些發達國家壟斷電子行業的核心武器。國家在IC制造行業中雖有一定的基礎，也與國外合資建立了一些生產線，但由于我們自己沒有先進的IC制造裝備，使我國的IC行業受到了很大的制約。目前我國集成電路芯片制造設備的85％仍依賴進口。為了在 IC行業占有一席之地，我國必須自主開發IC制造的核心裝備。 2.1.4 微機電系統（MEM） MEMS是國際公認的一項戰略高科技，是未來先進制造發展的主導技術之一，并在醫療保健、生物基因、IT消費電子、環保監測、軍事武器等器件及微系統應用方面具有廣闊的應用前景。例如，作為信息獲取關鍵的多種傳感MEMS已成功地應用于汽車、電子等行業和軍事領域；在令人矚目的信息科學和生命科學的發展中，光MEMS被認為是開啟全光通信之門的金鑰匙；高密度MEM生物芯片將強有力地推動生命科學和生物技術的發展。 近幾年，采用MEMS技術的微型衛星、微型飛行器和進人狹窄空間的微型機器人，也展示了誘人的應用前景。現在MEMS已形成年產值14O億美元的規模，預計5年后將達到300多億美元的規模。 MEM是以電子制造的方式設計與制造的微機電系統，他是多種學科的交叉融合，已成為當今國際高技術競爭的一個熱點，MEMS產業也正在形成之中。為此各國政府都非常重視MEMS技術，美國國防部近幾年每年投人7000萬美元用于MEMS研究，德國也投入約7000萬美元用于MEMS的研究。MEMS對我國而言是個挑戰，也是一個難得的發展機遇。 2.1.5 特種機器人 特種機器人通常是在非結構化環境下工作，即作業無法在事先布置好的條件下進行，而且在作業過程中環境可能發生變化。與在結構化環境下作業的工業機器人相比，在非結構化環境下工作的特種機器人控制更加困難，要求的智能程度更高，如空間與深海作業、精密操作、在役管道內作業等。 特種機器人集當代眾多高技術于一身，目前重點研究的特種機器人有仿人機器人、微機器人、微操作機器人、水下機器人、醫用機器人、服務機器人、網絡機器人、軍用機器人、農林與農副產品加工機器人等等，將在航空航天、能源、交通、海洋、生物、醫療、服務、農業、軍事和娛樂等領域具有非常廣闊的應用前景。 正因為如此．研究和發展特種機器人技術一直受到世界各國的重視，許多國家都把特種機器人技術列入本國的高技術研究發展計劃或國家的關鍵技術研究開發計劃。如美國的“國家關鍵技術”、“商業部新興技術”和“國防部和能源部關鍵技術”等計劃，歐共體的“尤里卡計劃（EU－REKA）”和“信息技術研究發展戰略計劃（ES－PRIT）”，日本的“極限作業機器人研究計劃（ R＆DOF ROBOICS INEXTREME－ENVI－RONMENT）”、“微機器研究計劃（R＆D OF MI－CROMACHINE TECHNOLOGY）”、“仿人形機器人研究計劃（HUMANOID ROBOICS PROJECT）”等，新加坡、韓國、巴西等發展中國家也都有相應的計劃內容。我國863計劃智能機器人主題前15年工作的重點之一就是發展我國的特種機器人技術，并在若干方向上取得了令世人矚目的成就，但在總體上，與國外先進水平相比還有不小的差距。 2．2基礎制造裝備與技術 21世紀基礎制造裝備的水平主要體現在高精度、高效率、低成本和高柔性等幾個方面。發達工業國家數控機床的加工精度普遍已達到1ｕm的水平，有些已達到0．1ｕm。國外主軸轉速在10 000～20 000r／min的加工中心已普及，轉速高達250 000r／min的實用主軸也正在研制中；直線電機的軸進給速度已達ZO0m／mn。超高速切削的研究已轉移到一些難加工材料的切削加工上。高效率、高精度工藝的一個典型例子是精密成形技術，如近/凈成形（Near Net or Net Shape Form－ing）技術，其目的是盡量減少切削，甚至免除切削，減少原材料的浪費，同時提高制造效率，精密成形技術在工業發達國家已得到廣泛應用。如：美國的汽車、宇航、航空工業的模鍛件、精密鍛件占總鍛件量的80％以上；日本汽車鍛件達到63.9％；德國達到70％～75％。柔性自動化仍是機床業發展的重要趨勢之一。柔性自動化的進一步發展是敏捷生產設備。為適應敏捷生產模式，人們正在探求設備自身的結構重組以及生產單元的動態重組問題。 目前我國的基礎制造裝備與國際先進水平相比還存在著階段性差距。工業發達國家早在20世紀五六十年代就已普遍采用了優質高效低耗的工藝及裝備，實現了柔性自動化，目前正向集成化、敏捷化方向發展。而我國大多數企業目前還采用較落后的制造工藝與技術裝備進行生產，優質高效低耗工藝的普及率不足10％，數控機床、精密及高效設備不足5％，現在配國產數控系統的中檔數控機床還不到25％，高檔數控機床的 90％以上依賴進口。數字化機械（如紡織機械、多色膠印機）的 7O％以上依賴進口。 歸納起來，目前國產基礎制造裝備普遍存在著“四差”問題，即可靠性相對差、成套性差、外觀質量相對差、名牌效應差，從而嚴重影響了企業的生產效率、產品質量以及產業化規模的提高，同時也嚴重制約了制造業及其相關行業的發展。 2．3 成套關鍵裝備與技術 國外在大型、成套裝備方面有很大優勢，并且在成套裝備的高技術化方面，取得了巨大的進展，已經實現了數控化、柔性自動化，并大量采用工業機器人，正向著智能化、集成化的方向發展。 據統計，中國工業裝備整體技術水平落后國際水平1O～15年，制造業與自動化技術落后15～20年，裝備中工業機器人數量極少，數控化比例很低（5％），尚處于單機自動化和剛性自動化階段，現有成套裝備中技術經濟性能比較先進的只占1/3，近1／5已經老化，超期率近4O％。裝備落后，導致產品普遍檔次低、質量差，已成為制約制造業發展的瓶頸。 面向非制造業的成套裝備，如各種工程機械、建筑機械已成為當今國際自動化技術發展的一個重要方向。目前國際工程機械的發展正逐步向機。電、液、訊一體化的方向發展。歐洲由產、學。研組成的聯合研究團體在政府資助下，在深入開展單體智能化技術研究的基礎上，開始了機群智能化技術研究和開發，標志著工程機械智能化的研究又向前邁出了一大步。 我國工程機械正在完成機械液壓一體化的進程，應用信息技術進行工程機械智能化方面的研究還處于起步階段。對個別機種的單機智能化研究已經開始，并初步得到實際應用。但是從整體上看，無論從單機智能化工程機械種類，還是研究和開發的深度，與技術先進國家相比都還存在很大的差距，機群智能化技術的研究還處于空白。 3. 目標與任務 3.1 主題總體戰略目標 主題發展的戰略目標是圍繞制造業信息化工程的關鍵技術與裝備，以重大專項與重點課題為主線，研究開發基礎技術、單元產品和系統裝備，掌握戰略必爭裝備關鍵技術及競爭前核心技術，增強自主設計與制造重大關鍵設備的能力，提升制造業基礎裝備的水平，取得一批具有自主知識產權的創新成果，實現機器人技術與自動化工藝裝備的跨越式發展。 3.2 重點任務 主題研究內容分為重大專項與重點課題、一般課題2部分。重大專項與重點課題著重解決國家發展急需的戰略必爭裝備、基礎制造裝備與成套關鍵裝備中的某一重大問題，增強自主設計與制造能力、產品成套及系統集成能力，提升裝備制造業的水平。一般課題（即前沿探索性課題）圍繞國家發展急需的戰略必爭裝備、基礎制造裝備、成套關鍵裝備與競爭前核心技術中的某一問題，進行前沿探索性研究，強調原始創新，增強裝備制造業的產品創新和技術創新能力，增強技術儲備。 3.2.1 重大專項與重點課題 重大專項與重點課題是主題工作內容的重中之重。“十五”期間，“機器人技術主題”的重大專項是深海載人潛水器與微機電系統（MEMS）。重點課題是數控關鍵技術裝備、全斷面隧道掘進機、智能化工程機械防人形機器人以及水下機器人、（基因）微操作機器人等特種機器人，其目標與指標以及其作用與影響（預期成果）分別分析如下。 a．7 OO0m載人潛水器。根據該載人潛水器用戶（業主）中國大洋協會勘查深海錳結核、富鈷結殼、熱液礦硫化物和深海生物等資源的計劃目標及要求，計劃到 2005年完成一臺采用多種高新技術。新材料和新工藝集成起來的擁有自主知識產權的7 000m載人潛水器，使其總體技術指標達到國際領先水平。該潛水器將在21世紀我國研究開發國際海底資源的偉大事業中發揮不可替代的重要作用，并可向世界展示我國科學技術的實力。 b．微機電系統（MEMS）。針對國際MEMS發展趨勢和未來的產業化前景，結合國家競爭前核心技術發展戰略，圍繞我國醫療保健、生物基因、環保監測、IT與家電等行的社會經濟發展需要，以發展我國MEMS產業化基礎的關鍵支撐技術作為切入點，掌握MEMS相關的材料、設計、制造、工藝、檢測、裝備與系統集成等方面的具有自主知識產權的理論方法和關鍵技術，開發出若干小批量、多品種、高質量的MEMS器件及微系統，建立我國的MEMS研發體系和產業化基地，為推動MEMS的可持續發展和產業化打下良好的基礎。 c．數控關鍵技術與裝備。面向國家制造業的關鍵基礎裝備產業化需求，以中檔精切類數控機床裝備的產業化作為切入點，以機制創新和技術創新作為突破口，掌握數控裝備關鍵技術，塑造中國數控機床品牌，提高市場競爭能力；根據國防工業的具體需求，設計制造高精尖精密加工裝備，打破國外封鎖；通過整機帶動相關的機床設計、系統與伺服、高附加值關鍵部件以及配套工具技術創新及可靠性的發展，全面提升國家基礎制造裝備的核心競爭力。 d．全斷面隧道掘進機（盾構機）。設計研制適應我國典型土層的6.3m全斷面盾構機，完成2～3km的實際施工隧道應用示范工程、形成自主知識產權的盾構設計、制造、安裝、調試等系統技術，制定盾構設計、施工的行業標準和規范體系，建立土壤分析、裝備設計與制造產業化基地，提高國產盾構機的生產能力。 e．智能化工程機械。結合國情，選擇工業基礎較好、共性技術較多和經濟效益顯著的工程機械產品進行信息化智能化改造升級，選擇市場占有率較高、具有行業帶動作用的道路施工工程機械，開展在線機群智能化同步施工工程機械的研究開發和示范應用；加快我國工程機械產品的升級換代與產品結構調整，實現新一代工程機械的自主創新性設計，提高我國工程機械產品的國際競爭力，促進產業化的形成。 f．仿人報機器人。以開發世界先進的仿人形機器人為目標，突破仿人形機器人系統中的各項關鍵技術，研制具有自主知識產權的國際先進水平的仿人形機器人，為仿人形機器人在服務、科技、軍事、工業以及危險環境中的應用奠定基礎，推動機械電子、控制、傳感技術與人工智能等相關科學的技術革新與發展。 3.2.2 前沿探索處課題 一般課題即前沿探索性課題，是“機器人技術主題”開展前沿高技術、競爭前核心技術研究的重點，目標是增強我國在機器人技術和自動化工藝裝備中的技術創新和產品創新能力，增強技術儲備。 前沿探索性課題按研究內容分屬3個專題。 a．制造工藝與裝備專題。制造工藝與裝備專題（專題一）主要圍繞高精度、高效益、低成本、高柔性和潔凈化的制造過程（系統）對先進制造工藝與裝備的要求，開展產品快速開發、納米級超精密加工、近牌成形、特種材料加工與生物制造等關鍵工藝技術及裝備，以及其他基于先進工藝或新結構的重要裝備的研究工作。 b．特種機器人專題。特種機器人專題（專題二）主要圍繞非制造業對特種機器人的復雜環境適應能力、可靠性、智能化等要求，開展水下機器人。醫用機器人、（基因）微操作機器人、仿生機器人、服務機器人、網絡機器人、管道機器人、農林機器人等方面的關鍵技術及原型樣機研究工作。 c．基礎部件及系統專題。基礎部件及系統專題（專題三）主要圍繞高速度、高精度、數字化、智能化工藝裝備的需求，開展檢測與傳感器信息融合技術、智能控制與遠程操作、先進功能部件、新型數字化驅動系統、高速高精度動機構、開放式結構的網絡化控制器等先進基礎部件及系統研究工作。 |
