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智能制造是制造業(yè)深入實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的重要引擎，是我國由“制造大國”到“制造強(qiáng)國”跨越的必由之路。機(jī)器人化智能制造旨在利用機(jī)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(shí)經(jīng)驗(yàn)融入感知、決策、執(zhí)行等制造活動(dòng)中，并賦予機(jī)器人化制造裝備在線學(xué)習(xí)與知識(shí)進(jìn)化能力，并通過人與機(jī)器合作共事，擴(kuò)大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動(dòng)，提高制造裝備和系統(tǒng)的適應(yīng)性與自治性。機(jī)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)，并有望帶來產(chǎn)業(yè)變革，最終將通過無處不在的機(jī)器人，無處不在的傳感，無處不在的智能，實(shí)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(jì)中占比1/3，但未來如何從制造大國變成制造強(qiáng)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(shù)和裝備生產(chǎn)，包括高鐵、919飛機(jī)、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(guān)鍵制造技術(shù)還依賴于外國進(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(guī)劃強(qiáng)調(diào)高精度數(shù)字化制造；十三五”規(guī)劃強(qiáng)調(diào)數(shù)字化智能化制造；“十四五”規(guī)劃強(qiáng)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(jìn)。未來通過信息技術(shù)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(diǎn)趨勢：

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

第二個(gè)趨勢，智能制造技術(shù)、機(jī)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(xiàn)，孕育著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(chǔ)。智能制造技術(shù)當(dāng)前正逐漸以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，呈現(xiàn)出數(shù)字孿生、車間與工廠智能、人機(jī)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(tǒng)與模式的重大變革，制造模式向人機(jī)共融、泛在制造，無人化制造等方向發(fā)展。共融機(jī)器人、人工智能大數(shù)據(jù)、人機(jī)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(tǒng)的柔順性和人機(jī)共融能力。通過泛在感知技術(shù)進(jìn)行全場景、實(shí)時(shí)多模態(tài)融合感知和適合大型、復(fù)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(huì)朝著自決策、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(tǒng)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(xí)、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(tǒng)的重要支撐，制造智聯(lián)的自決策優(yōu)化將促進(jìn)成車間與工廠的智能化升級(jí)。

第五個(gè)趨勢，機(jī)器人化智能制造成為智能制造的主攻方向。利用機(jī)器人靈巧、順應(yīng)和協(xié)同的特點(diǎn)，可以將人類的智慧和知識(shí)經(jīng)驗(yàn)融入制造過程，實(shí)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的制造。通過多機(jī)協(xié)作機(jī)制，實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、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(jī)、多機(jī)協(xié)同的機(jī)制、演變規(guī)律，以及運(yùn)行原理著手，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(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(jī)、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(jī)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(jī)、環(huán)境將達(dá)到共融制造。當(dāng)前的制造一般都是在結(jié)構(gòu)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，在未來的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，人工智能感知和人機(jī)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(jī)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(jī)器人化智能制造將取代人在惡劣環(huán)境、高重復(fù)性的、人類無法適應(yīng)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(dòng)力學(xué)行為與性能調(diào)控機(jī)制、多機(jī)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(gè)人隱私保護(hù)的問題，如何既讓用戶享受互聯(lián)互通的優(yōu)勢，又使其個(gè)人的隱私得到保護(hù)？如何做到主動(dòng)的安全保護(hù)？能否建立一個(gè)主動(dòng)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(shí)要又能保護(hù)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(jī)器人化智能制造研究探索

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

機(jī)器人化制造是智能制造領(lǐng)域國際熱點(diǎn)。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(jī)器人機(jī)械學(xué)與加工工藝、技術(shù)共融，在大型構(gòu)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(píng)論等聚焦“機(jī)器人集群、用于機(jī)器人的人工智能、靈巧機(jī)器人”等研究方向。Science Robotics期刊上提出了未來機(jī)器人面臨的十大挑戰(zhàn)，包含新材料、仿真、能源、機(jī)器人集群以及人工智能等等。MIT科技評(píng)論了機(jī)器人領(lǐng)域的十大突破技術(shù)，位于榜首的是靈巧機(jī)器人。實(shí)現(xiàn)靈巧機(jī)器人是未來面臨的最大機(jī)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年開展智能4M系統(tǒng)以來，華科大團(tuán)隊(duì)通過理論探索、技術(shù)攻關(guān)，攻克了大型復(fù)雜曲面加工精度保障難題，研制了機(jī)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(yīng)用。2005年，我們參與了973計(jì)劃，完成了機(jī)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(jī)器人加工的重點(diǎn)基金項(xiàng)目研究。2017年，牽頭風(fēng)電葉片打磨重點(diǎn)研發(fā)國家專項(xiàng)。2021年，獲批了機(jī)械學(xué)科的第一個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)中心—機(jī)器人化智能制造。

機(jī)器人化智能制造的科學(xué)內(nèi)涵就是使得單個(gè)的機(jī)器能夠?qū)崿F(xiàn)能工巧匠，多個(gè)機(jī)器能夠?qū)崿F(xiàn)多機(jī)協(xié)作，人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自然交互。所以，機(jī)器人化智能制造基礎(chǔ)科學(xué)中心目標(biāo)是建立起中國的機(jī)器人化智能制造理論體系，同時(shí)形成機(jī)器人加工30μm的技術(shù)，研制機(jī)器人化智能制造重大裝備三大預(yù)期目標(biāo)。另外，我們也提出了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人化加工的形性調(diào)控、行為順應(yīng)和系統(tǒng)進(jìn)化三大科學(xué)問題。希望機(jī)器人化智能制造基礎(chǔ)科學(xué)中心，能夠站在國際技術(shù)的前沿引領(lǐng)國際機(jī)器人化智能制造科學(xué)與技術(shù)發(fā)展。

機(jī)器人化智能制造基礎(chǔ)科學(xué)中心的研究方向主要有三個(gè)，一是解決機(jī)器人化復(fù)雜曲面制造，二是機(jī)器人化大型構(gòu)件制造，三是機(jī)器人化功能結(jié)構(gòu)制造。大型復(fù)雜曲面具有尺寸超大、曲面復(fù)雜、形性嚴(yán)苛等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)它的智能化制造不僅是我國的重大需求，同時(shí)是公認(rèn)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(dòng)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(shí)間里，大型構(gòu)件的全型面加工，如大型航空器蒙皮、大型風(fēng)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(shí)現(xiàn)機(jī)器人化智能制造。

在實(shí)現(xiàn)機(jī)器人化智能制造中，有如下幾個(gè)挑戰(zhàn)。其一是機(jī)器人加工裝備?，F(xiàn)有數(shù)控加工裝備和工業(yè)機(jī)器人難以兼顧大型復(fù)雜構(gòu)件高效、高品質(zhì)制造的需求。所以，如何設(shè)計(jì)出具備高靈活性、高精度、高剛度且適用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造的加工機(jī)器人本體？實(shí)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(shù)實(shí)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(shù)。大型復(fù)雜構(gòu)件尺寸大、面型復(fù)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(zhǔn)、拼接等難題，實(shí)現(xiàn)全場景高精高效原位測量與質(zhì)量評(píng)定？

其三是自律跟蹤控制。由于構(gòu)件尺寸大、缺乏定位基準(zhǔn)，并行加工過程中多機(jī)軌跡干涉、加工振動(dòng)耦合，對多機(jī)自主尋位與自律控制帶來挑戰(zhàn)。如何實(shí)現(xiàn)大范圍工作空間內(nèi)多移動(dòng)加工機(jī)器人全場景快速準(zhǔn)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(jī)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(zhàn)是如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面零件輪廓誤差測量、建模與補(bǔ)償？

我們建立了超大尺寸空間機(jī)器人移動(dòng)加工誤差順應(yīng)補(bǔ)償機(jī)制與精度可控理論，實(shí)現(xiàn)了大型復(fù)雜構(gòu)件多機(jī)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(dá)等技術(shù)將移動(dòng)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)空間的位置精度控制在±5mm。在機(jī)械臂2米范圍的操作空間中，通過點(diǎn)云伺服等技術(shù)實(shí)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(jī)器人實(shí)現(xiàn)大型構(gòu)件的微米級(jí)加工，需要經(jīng)過運(yùn)動(dòng)空間、操作空間、交互空間反復(fù)的演進(jìn)，最后才能達(dá)到可靠的加工精度。

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

在機(jī)器人測量、操作、加工一體化技術(shù)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(yīng)加工三大機(jī)器人加工的核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大型復(fù)雜構(gòu)件全域高品質(zhì)制造。以前機(jī)床的加工精度依靠機(jī)床的鋼性、導(dǎo)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(dòng)的信息物理系統(tǒng)動(dòng)機(jī)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(dòng)力學(xué)機(jī)理和切換邏輯，實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(hào)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(yùn)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(jī)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(yīng)性，相關(guān)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(xué)問題。但最重要是其自適應(yīng)的加工能力，該軟件在二階大擺線的加工和發(fā)動(dòng)機(jī)制造上發(fā)揮著巨大的作用。

在變形控制與自適應(yīng)加工方面，我們也開發(fā)了大量的應(yīng)用，如大型葉片的變形控制等。在自主軟件Turboworks平臺(tái)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(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用方面也產(chǎn)生很好的應(yīng)用效果。在機(jī)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(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行在線的仿真，從而在線規(guī)避了人為設(shè)置的加工誤差。

在大型風(fēng)電葉片制造上，我們開發(fā)的大型風(fēng)電葉片機(jī)器人智能制造系統(tǒng)入選2018年中國智能制造十大進(jìn)展，該成果目前已經(jīng)應(yīng)用到了高鐵車身制造上，主要是利用自適應(yīng)加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了車身全形面的點(diǎn)云拼接和型面磨拋。目前正在研究吸附式機(jī)器人磨拋技術(shù)，希望能夠?yàn)榇笮涂蜋C(jī)蒙皮活化提供新的解決方案。

我們在大型復(fù)雜曲面機(jī)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(yīng)、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7條生產(chǎn)線和9套加工測量系統(tǒng)，并全部成功應(yīng)用于批量生產(chǎn)。同時(shí)也非常榮幸獲得了2022年中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)的技術(shù)發(fā)明特等獎(jiǎng)，這也標(biāo)志著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(dòng)與機(jī)理建模。如何把現(xiàn)實(shí)生活中海量數(shù)據(jù)提取出來，并將其提煉生成可信機(jī)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(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，這不是簡單的算法、算力的提升。雖然可以借鑒清華大學(xué)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(shí)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(yīng)用于工業(yè)場景，這是機(jī)器人化智能制造發(fā)展的瓶頸所在。

第三個(gè)是機(jī)器人化智能制造。未來的機(jī)器人化智能制造將會(huì)滿足隨時(shí)隨地加工的要求，例如，機(jī)器人對航天飛行器艙體的加工過程中，需要隨時(shí)進(jìn)行無人化操作，還要進(jìn)行大范圍的“精雕細(xì)刻”。除了滿足隨時(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(zhàn)爭”中無人機(jī)的戰(zhàn)斗力非常強(qiáng)，未來這種機(jī)器人的全自主集群加工，會(huì)不會(huì)有一定的應(yīng)用前景？這個(gè)問題也值得我們探討。以前是“鐵打的機(jī)床，流水的工件”，未來可能是“工件是鐵打的，機(jī)床是流水的”。復(fù)現(xiàn)機(jī)床加工能力，模仿人的技能，創(chuàng)造群體智能，這是機(jī)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(jī)械臂、一維移動(dòng)機(jī)械臂，到二維的全向移動(dòng)機(jī)械臂，如今已經(jīng)有三維的爬壁加工機(jī)器人，未來將會(huì)產(chǎn)生全域多棲加工機(jī)器人。機(jī)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(jī)器人將由此產(chǎn)生。

工程最重要的是科學(xué)，而數(shù)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(shí)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(xiàn)象，并歸結(jié)為科學(xué)原理？這是我們今后幾十年要仔細(xì)思考的問題。

將知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力，這是我們工程科學(xué)和技術(shù)科學(xué)的學(xué)者們要長期堅(jiān)持并努力的方向。技術(shù)來源于科學(xué)，應(yīng)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)，這是未來我們的奮斗目標(biāo)。

（本文根據(jù)中國科學(xué)院院士丁漢曾做過的報(bào)告“機(jī)器人化智能制造”整理）

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年7月刊