可实现高精度操作的智能机器人技术与系统

项目所属单位:

中国科学院自动化研究所

项目现状:

项目获得2012年北京市科学技术一等奖，目前完成样机和小试，正在和企业合作进行中试放大，暂未成立公司

项目基本信息

联系人姓名:

郑碎武

职务:

博士

联系电话:

13811473881

邮箱:

Suiwu.zheng@ia.ac.cn

所属行业基本信息

项目所处行业现状、规模、行业未来3年左右的增长潜力和预计增长速度：

在制造业中，由于装配工作自身的特点和复杂性，大量的工作仍需人工完成，使得装配费用在产品成本中占很大比例。西方制造业中约40％的劳动力用于装配；德国电子工业产品总成本的50％～70％由装配产生。提高装配效率和技术经济性已成为制造业迫切需要解决的问题，而装配机器人则是降低装配成本的有效方法。装配机器人指工业生产中用于装配生产线上对零件或部件进行装配的工业机器人，它是集光学、机械、微电子、自动控制和通讯技术于一体的高科技产品，是高质量、高柔性、高效率完成自动装配的理想手段。下面我们将具体论述装配机器人的行业状态和市场需求。

1）国内外机器人的行业状态具有以下几个特点

(a)我国机器人存在较大发展空间，07年共装配约6581台工业机器人，同比增长14.05%，至07年底我国服役机器人数量有2.39万台。07年工业机器人销售产值约41亿元，利润额约2.2亿。光大证券分析报告也显示，我国将在2011年新安装各类工业机器人9500台，市场容量约57亿元，市场保有量将达到 4.86万台，折合人民币约292亿元。

(b)装配机器人在工业机器人中占有很大比例，以最大的机器人产业国日本为例，1999年装配机器人是工业机器人最大的应用领域，它占实际装备机器人的 41％。

(c)近年来，装配机器人得到迅速发展，2000年应用于装配和检验的机器人销售台数从1985年占工业机器人总数16％猛增至35％。

2）我国机器人的市场需求情况，具有以下几个特点

(a)总体而言，随着我国新兴应用领域的不断发展及传统汽车产业的需求，装配机器人市场需求十分旺盛，主要集中在汽车、汽车零部件、摩托车、电器、工程机械等行业，而汽车及零部件则是装配机器人最大的下游行业。

(b)对于其中的大型企业，项目研发的具有视觉功能的智能装配机器人能够为其实现重型零部件的柔性与灵活性装配，提高生产流程的效率和可靠性，积极营造现代化高端制造企业的形象。

(c)国家重大专项也对智能装配提出了需求，例如大飞机工程和载人航天与探月工程等对装配环境有着苛刻要求，一般的人工或者人机交互装配都不能满足条件，而国外设计的智能装配机器人也因涉密问题而无法引进。这种情况为本项目产品提供了机遇。

(d)此外，在当前我国劳动力缺口不断增大和社会对国内产品质量不断关注的情况下，我国的民营企业正逐渐认识到装配机器人的优势，对装配机器人的采用量也在飞速增长，用具有视觉功能的智能装配机器人取代劳动力的成本优势也逐步得到重视。民营企业将很快成为本项目产品的重要客户群。

核心技术

项目核心技术概述：

项目的核心技术是由乔红研究员提出的“环境约束域方法”（被称为“乔的概念”），通过利用高维构形空间中环境约束，融合视觉、力觉等主动信息，引导机器人或类机器人系统实现高精密、柔性操作，该项目获得2012年北京市科学技术一等奖。

项目技术的独创性、先进性及创新点：

项目主要面向国家重大项目、国内大型制造企业和广大中小企业的需求，以研制智能化的机器人系统及其控制模块为目标。项目技术及产品包括：智能通用型工业机器人控制功能模块控制器、智能机器人技术和系统以及系统解决方案等，主要的技术独创性如下：

（a）有限信息引导下利用低精度的机器人完成高精度任务的技术

大部分的定位、抓取、装配或磨削都采用高精度的机器人实现。已有的机器人操作方法是基于传感器信息逐步减少误差，任务精度（如定位、抓取、装配和磨削精度）往往是由机器人自身的精度决定，并且需要任务对象的位置固定不变。高精度的机器人造价高，有时甚至无法满足任务精度要求。

针对这一问题，乔红研究员提出了构形空间中 “高维约束域”方法，利用主动信息反馈和环境约束的融合的技术，实现了有限信息引导下低精度的机器人完成高精度任务。

目前，该技术已经应用到奇瑞汽车发动机装配、成都飞机制造公司的新型飞机制造中。

（b）复杂环境下准确、实时感知目标的技术

当环境变化时，现有的基于恒定物理特征描述和表征方法难以稳定、实时获得任务对象，导致机器人及其它类机器人装备的环境适应性差、不能正确理解信息。我们提出了基于物理意义提炼的识别、检测和跟踪特征与基于数学方法获得的抽象的、本质的特征融合的技术，实现了对操作目标的稳定、实时的检测与跟踪。

知识产权

已获得知识产权情况，包括已获得的数量、名称、类型等：

1、利用低精度机器人实现高精度轴孔装配的方法，授权号：ZL200610011534.X

2、一种利用机器人的柔顺性实现轴孔装配的装置和方法，授权号：ZL 201110118174.4 

3、多自由度气动支撑式光学玻璃装框装置及方法，授权号：201110118160.2， 

4、一种基于图像信息的机械手抓取物体的方法，授权号：ZL201010603401.8， 

5、用于动态学习的就流形正则化的半监督分类器设计方法，授权号：ZL201010034352.0 

6、涡旋式空调压缩机的轴承-曲柄轴智能压装方法及系统, 授权号：ZL 201010592892.0

7、一种基于视觉信息的工业机器人磨削系统及方法, 授权号： ZL 201010603399.4

8、基于工业机器人的发动机活塞、活塞销和连杆装配方法及装置, 授权号：ZL201010217225.4

9、一种视觉引导下的光学玻璃安装装置及安装方法, 授权号：ZL201010171316.9

未申报的知识产权，即该项技术未来可能获得的知识产权情况，包括类型、数量等：

在利用多传感设备实现机器人高精度操作方面，可望每年申请国家发明专利2-3项。

三年内研究开发内容计划

未来2-3年内项目技术研究开发要做的工作及预期达到的效果：

未来2-3年项目技术研发工作包括：

(1)基于团队在无传感器高精度装配、机器人视觉方面的核心技术，研制的即插即用的智能通用型装配机器人控制模块。该模块采用嵌入式设计思路，将根据核心技术开发的软件和算法集成到嵌入式的系统中。该模块通过串行总线或并行总线的方式可与目前广泛应用的大部分机器人控制器连接，并且能够通过内置的机器人接口驱动，向机器人控制器发送控制参数。

(2)智能通用型装配机器人系统，根据具体的应用需求，在核心的智能控制模块的外围，整合机器人、传感器以及其它相关的附属设备，构建出一套完整的系统。该系统能够满足国家重大专项或大型制造企业对自动化装配系统的要求。

(3)为装配生产线的生产商和供应商提供解决方案和核心技术，包括智能装配线的设计、机器人的电气和机械设计等一整套设计方案，同时能够为其提供智能通用型装配机器人控制模块及其相关的关键技术。

团队介绍

项目团队人数及核心技术人员简介：

项目团队20人，其中博士学位6人，包括1名研究员，2名副研究员，博士研究生12人。

团队负责人乔红博士，中科院百人计划研究员，2004年通过中科院海外杰出人才计划引进回国， 2007获得国家杰出青年基金，2009年入选"新世纪百千万人才工程"国家级人才, 2011入选《科学中国人》年度人物，2012获北京市科学技术一等奖（基础类，排名第一），2012年获得国务院政府特殊津贴。

乔红研究员长期致力于针对工业机器人的高精度操作理论和应用研究，并参与了科技部机器人规划和国家物联网行动计划的撰写，并长期担任国家科技部科技支撑、发改委产业化、国防科工委等评审专家。

基本财务状况

过去2年项目研究开发经费投入情况：

科技部、基金委相关经费合计约500万元，奇瑞汽车、成飞集团、三一重工等横向项目经费约200万元。

未来3年项目研发生产投入情况及收入、净利润等主要科目的财务预测：

第一阶段为产品研发阶段。此阶段需要资金投入300万，主要任务及资金需求是：市场调研20万；装配机器人智能模块研制70万；智能液压动力控制器研制费用60万；固定资产购置费70万；人员工资60万；水电费用20万。

第二阶段为打开市场阶段。此阶段共需要资金300万，主要用在产品市场推广过程中所需要的费用，以及继续研发费用和样品的测试、试运行费用。在业务联系和产品推广方面投入80万；在产品研发和样品试制方面进一步投入80万；在技术专利和产品定型保护方面投入60万；其余为人力成本。

第三阶段为市场拓展、业务拓展和服务外包阶段。此阶段项目所需的额外投资减少，大部分资金来自前期的销售收入。额外投资主要用于新产品的研发，业务市场的拓展和优化，以及产品结构的整合。

因此未来三年需要投入研发经费600万元。中试生产产品销售可望达到收入3000万元，净利润1000万元左右。

项目规划

项目所需投资额、融资用途，估值情况及其他投资条款要求：

项目所需投资额400万左右，具体估算如下。

在项目的产品研发阶段，需要一定的资金用来研制装配机器人智能模块的软硬件平台和装配机器人系统样机，包括软件设计、电路板设计、元器件购买、机器人样机搭建等，同时购置固定资产、租赁厂房、人员工资、市场调研等，因此需要大量的资金。以及为保证项目运作，我们将自筹100万的资金投资用于研发，并申请资助200万元，同时根据需要也会通过银行贷款和风险投资吸收资金，以此改善现金流动状况并达到比较合理的资产负债比。

在打开市场阶段，一方面新产品的研发需要大量的资金，另一方面市场的打开需要强力的销售团队及销售策略，也需要资金的支持。除去本年度已批量生产的产品外，本团队希望能够申请到200万的经费，加快市场步伐。

从市场拓展阶段开始，进入快速盈利通道，此阶段不需要外部投资，项目研发经费主要通过企业自筹和合作获得资金投入。由于产品收入逐步递增，因此资金流动状况将进一步合理化。