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机器人及其在制药和医疗行业应用的现状和发展趋势

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2016年，作为 “十二五”规划结束，“十三五”规划的开始之年，同时又作为《中国制造2025》启动之年，被列为三个核心的关键智能制造装备之一的工业机器人，受到了极大的重视（另两个关键智能制造装备为高档数控机床和增材制造设备——3D打印）。发展机器人制造工业，要走创新驱动的发展道路，也要补齐短板，强化基础。后者主要是指要发展基础材料、基础工艺、基础零部件和基础技术（“四基”），这说明了我国已看到产业发展的基础和细节，只要重视，注入减速器、伺服电机等被国外垄断的现象一定会得以改进。

美国《机器人商业评论》（Robotics Business Review，RBR）公布了第五届2016 年度RBR50强名单，即全球最有影响力的50 家机器人公司，有三家中国公司跻身其中，它们分别是深圳市大疆创新科技有限公司（12名），富士康科技集团（18名）以及新松机器人自动化股份有限公司（38名），这是根据是否具备创新且具有突破性的应用软件、是否取得商业成功，或具有商业潜力等主要因素而评定出来的。其他47强中，美国占据24家，日本9家，德国、加拿大、英国各3家，丹麦、印度、以色列、韩国和瑞士各为1 家。这一排名与2015年相比，中国、印度、以色列都是新兴国家。美国在医疗机器人、医药物流供应商、仓库自动化、视觉引导机器人、地下管道机器人、互动型伴侣盒家庭助手的家庭机器人等方面成为新面孔，从而为整个行业选择了未来的主导方向。

美国制造业生产力与创新联盟指出2020年全球工业机器人市场规模将达到400亿美元，复合增速达到了7%，中国工业机器人市场复合增速有望连续超过20%。

我国工信部于今年的4月27日发表了《机器人产业发展规划（2016-2020年）》。规划中指出，到2020年，我国工业机器人年产量将达到10万台（目前年产量为2万台），服务机器人年销售收入将超过300亿元，而且行业内将培育三家以上的龙头企业，打造5个以上机器人配套产业集群，形成较为完善的机器人体系。

年初两会期间，全国人大代表、科大讯飞总裁刘庆峰发言中指出，人工智能（AI）大规模的应用将在近阶段3-5年之间，将人工智能写入“十三五”是正确的决策。中国人工智能的发展路径是由语音、语言为切入点，注重机器人的理解、交互和预测能力。我们当下在人工智能领域与全球保持同步中，只要再加一把火，就能形成我们的全局优势。

《国际医药商情》2015年《制药行业应关注机器人产业发展》一文中，作者曾提到机器人高级控制，并指出智能控制是指递阶控制、模糊控制、神经控制、专家控制、学习控制、进化控制等，并指出智能控制可以理解是人工智能和自动控制的交接领域或称为交集。现在看来人工智能不只是可把机器人动作控制更好，而是让机器人有更高的智慧。人工智能实质是让机器人执行某些与人的智能有关的复杂功能（如判断、模式识别、理解、学习、规划和问题求解）的能力，即用机器人去代替人的脑力劳动。现在自学习等方面的成果已用在机器人中，所以刘庆峰等人才能做出如此明确的判断。私以为这就是机器人的发展趋势吧。

现状

机器人制造产业已经有40 多年历史，服务机器人、仿生机器人等正紧随工业机器人之后形成产业。

世界四大机器人企业巨头中，日本独占其二（发那科FANUC、安川电机YASKAWA），欧洲占另外两家（瑞士ABB、德国库卡KUKA），美国作为世界上成功研制第一台工业机器人的国家，现仍在研发方面占有一定优势，其他如百特，Adept等企业开始向世界四大机器人巨头发起挑战。发那科是世界最大的专业数控系统生产厂家，占据了全球70%的市场份额，安川电机到2013年为止已出售超过28万台机器人，成为全世界机器人销售冠军；库卡每年生产四千多台机器人。

我国工信部于2014年出台了《关于推进工业机器人产业发展的指导意见》。2009年-2014年，中国机器人市场销售量以年均58.9%的速度增长，仅2014年中国大陆就售出5.6万台工业机器人，占全球销量的四分之一，成为全球第一大市场，预测到2017年我国工业机器人销售量将达到10 万台，约占全球市场份额的35%。2014年中国大陆工业机器人12050，同比增长26.2%；2012-2014，我国工业机器人的年平均增长率高达44.6%，预计3-4年内中国机器人应用规模将居世界第一。

国际机器人联合会（IFR）研究显示，2017年中国工厂使用机器人数量将超过其他任何国家，但在中国制造业中，每万名工人仍只对应30台机器人，与之相比，韩国、日本、德国、美国分别对应的机器人数量为：437,323,282,152台。

由于缺乏核心技术，大多数国产机器人制造商还停留在低端应用水平，如集中于搬运、上下料等。而这些领域仅占机器人市场份额的10% 左右。下文将具体展开讨论。

工业机器人

（1）工业机器人按机械结构分类，有直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型和关节型。工业机器人技术参数一般包括：自由度、工作空间、运动速度、承载能力、定位精度、自重比、程序编制与存储容量、工作环境以及平均无故障时间等。广东伯朗特智能装备股份有限公司是专业生产线性机械手及工业机器人的企业。该公司表示智能装备是由80%线性机械手+20%工业机器人构成的。所以我们必须注意多关节机器人必须配合各类机械手。

（2）针对不同工种、不同行业的机器人各有特点。与制药工业有关的有智能型注塑机器人、履带式行走管道机器人、螺旋轮式行走管道机器人、胀闸活塞式行走管道机器人、多脚式行走管道机器人、还有危险作业机器人等等。目前应用比较广泛得智能移动式机器人，也叫自动导引车（AGV），是应用于自动化物流系统的移动机器人装备，特别是GPS定位导航技术在大型（最大可达40吨）AGV已有应用案例。

服务机器人

随着智能化的发展，服务机器人发展很快。其需求也因为人民生活水平的提升而日益增加。一般分为家用服务机器人、娱乐机器人和医疗机器人三类。公共事业和救援救灾等方面的机器人需求也在增长，这类亦划分为家用服务机器人一类。

表1 日本康复工程用品销售额
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（1）家用服务机器人：2004年，美国加利福尼亚州举办的机器人展“Robo Nexus”上开拓了服务机器人市场。该展会发起者iRobot 公司于2002年9月推出了低价位机器人吸尘器“Roomba”，两年内就成功售出了50万台。2005年1月16日我国第一台具有自主知识产权的家用服务机器人“自主吸尘机器人”由浙江大学研制成功。沈阳新松机器人自动化股份公司研制了名为“亮亮”的家用机器人，它不仅能唱歌，会说相声，还能报警、发短信并教儿童英文。在国外，德国的Casero老人护理机器人、日本家庭机器人保姆、美国Erector Spykee 监控机器人、日本“牛若丸”家用服务机器人等等均由相应市场。

表2 日本康复机器人销售额
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（2）医疗机器人：它是一种智能机器人，能够独自编制操作计划，依据实际情况确定动作程序，然后把动作变为操作机构的运动。这并不是代替手术医生，而是作为一种辅助工具来拓展医生的手术能力，提升手术质量，减轻医生的工作强度。按用途分类可以分成诊断用机器人、外科手术机器人、辅助治疗型机器人、康复机器人、助老助残机器人、护理机器人、医用教学机器人、采血及其他机器人等。

发展热点有骨科手术机器人（如微创手术计算机辅助外科技术等）、血管介入治疗机器人、消化道内窥镜机器人、康复机器人等。日本康复工程用品销售额（表1）和康复机器人销售额（表2），我国在实现残疾人人人有康复服务这方面还任重道远。

我国在微创这方面科研和应用都有不少成效。仅微创手术机器人系统临床应用方面，2004年深圳市人民医院利用美国ZEUS系统，成功完成了国内首例远程遥控机器人胆囊全切外壳手术；2007年解放军总医院心血管外壳成功运用机器人“Davinci”为一名女患者实施开胸的心脏手术。

目前最先进的医疗机器人有爬行摄像胶囊机器人、游动摄像胶囊机器人、远程诊断机器人、护士机器人、结肠诊疗机器人、采血机器人、达芬奇手术机器人。达芬奇手术机器人现已成为热门话题。2000年获得美国FDA 批准进入临床，这是21世纪微创外科医学技术、远程遥控手术技术的革命性标志。2011年6月全世界共有1,933台达芬奇机器人，其中1,411台在美国，并有了11年的临床经验，美国85%以上的前列腺癌根治手术是通过使用达芬奇机器人完成。

还有娱乐机器人这一大类，基于篇幅有限，就不在此赘述。

仿生机器人

从1960年第一届仿生学讨论会之后，仿生学已成为把各种生物系统所具有的功能原理和作用机理作为生物模型，进行研究并改善现代技术设备、创造新工艺技术的科学。它与机器人学科的结合形成了仿生机器人。分类方法按模仿特性可分为仿人类肢体和仿非人类生物两大类；按照空间工作环境可分为空中、陆地、和水下仿生机器人等。

1）陆地仿生机器人：陆地仿生机器人又可分为仿人机器人、蛇形机器人、足式机器人。最具创新的成果是采用神经震荡子模型CPG的控制策略，或称为中枢模式发生器。该类中的仿壁虎机器人，脚部利用结构可控的直立型碳纳米管陈列制成，这又给出纳米界石材料等纳米材料在仿生学和仿生机器人方面的应用成果。

2）空中仿生机器人：其飞行原理可分为固定翼飞行、旋翼飞行和扑翼飞行器，其中“极其苍蝇”已应用于环境监测。废墟救援及军事间谍等领域。

3）水下仿生机器人：众所周知马航370 事件已成功应用机器鱼。国内中国科技大学、华中理工大学、哈尔滨工程大学、哈尔滨工业大学、中科院沈阳自动化研究所、北京航空航天大学、北京大学都开展了研制工作。另外谢广明、何宸光在《仿生机器鱼》一书中，讲解了采纳CPG 控制策略的细节。该书的仿生机器鱼是中国素质体育机器人运动会水中专项全局视觉组竞赛项目指定的标准竞赛机器人。这也是科学的实践活动，科学的普及一定会带动生产力的发展。

趋势

1. 前文引言中已指出未来五年我国的发展目标，并指出其中六轴以上机器人年产量将达到5 万台。

2. 在未来五年中技术水平提升，工业机器人速度、载荷、精度、自重比等主要技术指标达到国外同类产品水平，平均无故障时间（MTBF）达到8万小时；医疗健康、家庭服务、反恐防暴、救援救灾、科学研究等领域的服务机器人技术水平接近国际水平。一旦机器人技术取得突破，精密减速器、伺服电机及驱动器、控制器的性能精度、可靠性将达到国外同类产品水平；完成30个以上领域综合应用解决方案，机器人密度达到150以上。

3. 未来五年主要任务

1) 重点发展弧焊机器人、真空（洁净）机器人、全自助编程智能工业机器人、人机协作机器人、双臂机器人、重载AGV等大型标志性工业机器人产品。

2) 重点发展消防救援机器人、手术机器人、智能型公公服务机器人、智能护理机器人共四种标志性产品，推进专业服务机器人实现系列化、个人/家庭服务机器人实现商品化。

3) 在关键零部件方面，针对六个自由度及以上工业机器人用关键零部件，从优化设计、材料优选、加工技术、装配技术、专用制造设备、产业化能力等方面入手。全面提升高精密减速器，高性能机器人专用伺服电机和驱动器、高速高性能控制器、传感器、末端执行器等五大关键零部件的质量稳定性和批量生产的能力，突破技术壁垒，打破长期依赖进口的局面。

4) 在产业创新能力方面，加强共性关键技术研究。针对智能和工业转型升级，对工业机器人的需求和智慧生活、现代服务和特殊作业队服务机器人的需求重点，突破制约我国机器人发展的共性关键技术。积极紧随机器人未来发展趋势，提早布局新一代机器人技术的研究。建立健全的机器人创新平台、标准体系、检测认证体系。

5) 在应用示范方面，加强质量品牌建设，开展机器人应用示范，分步骤、分层次开展时间细分行业的推广应用，培育应用系统集成商及综合的解决方案服务商，充分利用外包服务，新型租赁等模式拓展工业机器人和服务机器人的市场空间。

6) 在培育龙头企业方面，支持互联网企业与传统机器人企业紧密结合，加快培育管理水平先进，创新能力强，市场竞争力强的龙头企业。

4. 加强科学研究，重点在智能学习方向，与大数据、云计算结合，要走在世界的前列。

5. 研究仿生机器人的发展，对军事机器人、农业机器人的领域加强布局，开创原创性的有关机器人的研究。

应用

1、在现状这一章节中关于服务机器人的第三小节已经讲到医疗机器人，其应用可见一斑，但距离国内自主制造、自主应用的要求，还差得很远。

2、工业机器人在制药工业中的应用情况稍好，一般性质的劳动密集型工作，例如包装、拾料、货盘堆垛、物流、仓储运输及生产线上外形、颜色等检测还比较常见，但洁净机器人的使用还不普及，在研究和产品开发等部门中配制化学溶液等方面的机器人的使用刚刚开始。其他智能化程度高的应用也仅处于尝试阶段。

3、在生产线上已见新的大型机器人中应用机器人或机器人技术，如葛兰素史克外资企业在中国的工厂中就有全自动装盒机、粉针生产线自动包装机、水针冻干机智能分拣机、软袋大输液自动生产线及自动制丸机、提取浓缩生产线、各种大型药品检测设备。它们无不是通过自动化软件、机械手、伺服电机控制、自动运转、自动控制来完成各种高精度、高质量或高危险的生产工艺及验证要求。具体如7500型软袋大输液自动生产线为例，从包装膜自动成型、自动灌装、加阀盖、自动焊接成成品的一条自动流水线均满足药品GMP的生产要求，速度可以达到7500袋/小时。该产线大量使用机器人技术、PLC自动控制。

4、制药企业应该对自有的医药生产装备需求如何与机器人技术相结合做全面的规划。作为“智能制造2025”的一个分支，为生命科学的大发展打好基础，争取成为智能制造中的一支“奇葩”，并争取在下一个科学浪潮中，为中国立于世界民族之林的第一方队做出贡献。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (8/13/2016)


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