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【如鲠在喉的中国智能制造业】

近年来,中国科技正带着澎湃动力向前奔跑,并逐渐进入到跟跑、并跑、领跑三跑并存的阶段。但我们在充满信心的同时,还应更加清醒和理性。与发达国家相比,我国不少领域关键核心技术受制于人,亟待集中力量奋力攻关。
       继中兴事件之后,华为事件再次为国人敲响了警钟。警钟长鸣之际,我们还有哪些领域需要励精图治呢,本文梳理了智能制造领域三项卡脖子的技术,仅供参考。
一、触觉传感器
       科技日报2018年5月刊文,《传感器疏察,被愚钝的机器人国产触觉》。文章介绍,触觉传感器是工业机器人核心部件。精确、稳定的严苛要求,拦住了我国大部分企业向触觉传感器迈进的步伐,目前国内传感器企业大多从事气体、温度等类型传感器的生产。在一个有着百余家企业的行业中,几乎没有传感器制造商进行触觉传感器的生产。
       给一个压力,还一个电信号。触觉传感器的简单转变就能让真实世界以二进制的方式传给机器人。国产阵列式触觉传感器,因工艺不过关,产品的一致性比较差,传感器阵列中点与点的性能无法做到一样,稳定性和一致性方面不太过关。
       导电橡胶、导电塑料、碳纳米管、石墨烯等都是可用作触觉传感器的材料,但国内的材料质量和生产水平不稳定。石墨烯的生产尚可,但用石墨烯制作传感器的技术还不成熟。
       日本阵列式传感器能在10厘米×10厘米大小的基质中分布100个敏感元件,由于衬底柔软,对不同方向力的计算以及力之间耦合干扰的消除使得敏感元件越多、相互之间的距离越短,越难做到准确地输出。此外,每个敏感元件的受力维度也增加了技术的复杂性,施力有六个维度(X、Y、Z轴3个方向,以及对应的力矩方向),维度之间的耦合干扰如何消除也是需要在基础研究上发力的环节。
       日本在产业化方面较为领先,其他国家大多处于实验室阶段。
二、激光雷达
       科技日报2018年5月刊文,《激光雷达昏聩,让自动驾驶很纠结》。文章介绍,人靠眼睛看路,激光雷达就是无人驾驶设备的眼睛。伴随自动驾驶技术的发展,原来主要用于三维扫描的激光雷达,成为自动驾驶汽车的必备,甚至决定着自动驾驶行业的进化水平。
       激光雷达是个传感器,自带光源,主动发出激光,感知周围环境,像蝙蝠通过超声波定位一样。它是自动驾驶汽车的必备组件,决定着自动驾驶行业的进化水平。但在该领域,国货几乎没有话语权。目前能上路的自动驾驶汽车中,凡涉及激光雷达者,使用的几乎都是美国威力登(Velodyne)的产品,其激光雷达产品是行业标配,占八成以上市场份额。
       线数决定激光雷达的分辨率,激光雷达以旋转扫描的方式工作,一个光源扫一圈,得到一条360度的水平环形视线,这也是为什么无人车顶的大花盆都要不停旋转。光源越多,视线越密集,实时地图的分辨率越高。素描由线条构成,线条越密,画越清晰,目前国内最高可以做到40线。
       制造多线数激光雷达,国内厂商普遍面临工艺繁琐的问题。以传统方式增加激光雷达线数就像拼接越来越宽的暖气片,造成产品体积成倍放大,同时极大增加量产难度。现有工艺条件下,提高线数需要增加印制电路板的数量,激光雷达的体积也会随之大幅增加,要兼顾尺度和集成度。国外厂商之所以能做出64甚至128线的激光雷达,内部元件的芯片化起到决定作用:缩减激光雷达的体积、减少散热,才有助于量产。
       这需要容量大、传输速度快、信息处理高效的专用芯片。目前国内激光雷达企业一般购买德国欧司朗的发射器。核心芯片,尤其是发射器和探测器,国产化程度、抗干扰等方面还需要提高。
三、核心算法
       科技日报2018年5月刊文,《算法不精,国产工业机器人有点笨》。文章介绍,国产机器人,从技术上看,硬件的发展已有几十年历史,几无秘密可言;软件方面,我国拥有数量庞大的IT从业人口,现在很多企业也可以集成出高水准的工业机器人产品,但完全自主知识产权、拥有关键部件核心技术的国产工业机器人,还需要经验、时间与整个产业链的积累、打磨。
       中国已经连续五年成为世界第一大机器人应用市场,但高端机器人仍然依赖于进口。由于没有掌握核心算法,国产工业机器人稳定性、故障率、易用性等关键指标远不如工业机器人四大家族:日本发那科和安川、瑞士ABB、德国库卡的产品。核心算法差距过大,导致国产机器人稳定性不佳,故障率居高不下。
       作为工业级产品,衡量机器人优劣主要有两个标准:稳定性和精确性。核心控制器是影响稳定性的关键部件,有着工业机器人大脑之称。而软件相当于语言,把大脑的想法传递出去。要讲好这门语言,需要底层核心算法。四大家族可以出售伺服系统、减速器、编码器等关键部件,但对核心算法一直秘而不宣,绝不外泄。
       核心算法差距过大,导致国产机器人稳定性不佳,故障率居高不下。参数自整定,抑震算法,转矩波动补偿等,算法的差距不只体现在核心控制器上,更拖慢了伺服系统响应的速度和稳定精度。
       机器人每完成一个动作,需要核心控制器、伺服驱动器和伺服电机协同作战。对于单台伺服系统,国产机器人动态与静态精度都很高,但高端机器人一般同时有六台以上伺服系统,用传统的控制方法难以取得好的控制效果。
       来源:科技日报

2019-08-07