美国联邦政府信任对制作家当的投资可以复兴美国制作行业。

　　将美国国度资源的一小部分投入到制作业将取得极高的高性价比，而且资源的高效出产将使美国的消费者受益,并可支撑正在美国这个主要经济领域数百万计的员工。这能确保美国正在能到达退休年龄的工作员比例逐年降低的情况下仍能维持经济的增加。制作业的研讨取进步还会使卫生保健、农业及交通运输业受益，而且增强美国的资源、国防及能源安全。正在将来五十年，由此发生的一系列研讨运动将大大提高“美国制作”的质量而且提拔出产力。这一计谋已体现正在美国政府核心的“进步前辈制作伙伴关系”（AMP）取“国度制作业立异网络”（NNMI）打算中。

　　机器人手艺是一个可以彻底改变制造业的枢纽性革命手艺。美国的工人曾经不再神驰工场中的低端事情，与此同时因为社保及医疗保险费用的增长，美国工人的人工成本还入手下手增长。即便我们可以压力工人的人工成本，小型的、庞杂的生命周期较短的工业机器人产物依旧须要扩大其适应性、精度、可靠性等可以逾越人类工人的技艺。进步前辈的机器人及出产自动化可以：

　　1）维持本国知识产权及物质财富，不然其将挑选离岸出产；

　　2）使制造业公司更具竞争力；

　　3）可以给予开辟、出产、保护及培训机器人的相干岗亭；

　　4）许可工场利用机器人团队，行使人类取机器人的分歧技艺上风（人类的聪明取灵便，机器人的精度、强度及可重复性）；

　　5）可以改良工作条件与此同时降低高贵的医疗用度；

　　6）削减制品制作工夫，使制作商更能合营零售商需求的变更。

　　切实有效地运用机器人将会提升美国人民的就业机会、进步相干事情的质量，提拔美国正在环球的竞争力。基于以上上风，NCR、思科、苹果、遐想、特斯拉等公司曾经将它们新的工场设置正在美国境内。它们希冀运用机器人技能及自动化技能支持其公司持续如日中天。

　　以上总结了机器人及自动化手艺正在美国制造业和正在美国经济中所占的主要职位，描写了机器人及自动化手艺将正在哪里大大提高生产力，并显现了一个具有远见的研讨取成长路线图，使美国的国度投资可以对这一些重点研讨范畴起到推进作用。

　　本文总结了制作取自动化机器人手艺研讨会的相干运动和结论，由美国国家科学基金会支撑的“Robotics-VO”组织资助了该研讨会。该研讨会是更新《美国机器人路线图：由网络到机器人》的五个研讨会其中之一。该研讨会的内容是按照已往的四、五年中机器人行业的进步不断更新路线图。正在申报中提出的研讨方案将明显加强美国的制作业经济，将有利于构成一个受过优秀练习的并具有崇高高贵手艺的生产线，发明新的就业机会，而且将正在美国经济的再次兴起起到主要的作用。

　　在这，“自动化”和“机械人”都有特定的寄义。凭据电子和电机工程研讨所机械人和自动化学会的界说，机械人手艺次要指装配有传感器和促动器的体系，可以自动化或半自动化地和人类举行协作。机械人的研讨夸大应对无层次环境的智能性和适应性，而自动化的研讨次要针对有层次的，有明白构造的环境中长时候事情的自动化体系的服从，生产力，质量和可靠性。

　　我们的目标有两个层面：第一，展现机械人和自动化手艺正在美国制造业中的计谋重要性；第二，提出可以运用机械人和自动化手艺进步生产力的案例。

　　经济驱动力

　　上世纪经济发展的底子来自于工业化，而中心就正在于制造业。制造业一些给予了12%的美国GDP 和9%的总失业。美国总出口的70%还归功于制造业。是以，制造业代表了国度整体健康经济的重要环节。正在制造业傍边，机器人财产总值达到了八十亿美圆，并以每一年 9%稳定增长。这个中心的机器人工业受到了制造业的大力支持，比方给予仪器，隶属的自动化举措措施和体系的整合，一共贡献了300亿美圆的工业总值。

　　正在曩昔30年里，美国的制作业经济产生了深远的变革。除对加拿大，中国，墨西哥和日本明显的贸易逆差，制作业仍旧是美国经济的重要部份。制作业包含了全部物品的出产制作，由消耗电子到工业设备，贡献了12%的美国GDP和9%的失业。美国制作业出产力逾越了重要的竞争对手。正在全部国家庭中，无论是单元时候和单元员工的均匀出产力，美都城处于第一位。美国人均出产力持续增加，正在曩昔三十年里出产力翻倍。事实上，恰是不断提高的出产力使得美国制作业正在经济衰退中连结竞争力，并正在应对其他快速增加的经济体，比方中国和印度时苏醒。出产力的增加和效力重要归功于手艺的革新和其正在产品设计和出产过程中的运用。现正在，中国被认为是制作业的领头羊，可是估计正在2020年，美国制作业正在产值和出产力层面都将逾越中国。

　　然而，这类干系会一向变革。潜正在的外洋竞争者正正在展开改进制造业进程的基础研讨和教诲。另一方面，美国制造业的功效还正在被适用于科学研讨，正在曩昔十年时间里保持着稳固的进度。正在这段时间里，美国制造业适用于投资及开辟的资金根本没有变革，而正在环球视角下，美国总的研讨成长经费已下落至只有30%。有时候，我们的外国竞争对手用一样的立异技能，可是用很少的劳动力成正本减弱美国的统治职位，所以美国制造业面临着越来越大压力。美国的工业产物贸易差额以每十年500亿美圆的速度下落。另外，跟着人口老龄化，工人的数目还正在急剧降低。悲观预计，到2050年，每两位工人就要扶养一名退休工人。所以，机器人工人必需满意人类工人数目降低的取此同时增长工业生产力的规定。最终，机器人取自动化技能的巨大进步将会是下一代高附加值产物的环节。依附进步前辈传感器取微电子的纳米标准嵌入式计算机财产不再是劳动密集型财产可以胜任的。

　　反观中国、韩国、日本和印度，正鼎力投资于高等教诲取研究机构。印度取中都城正正在有体系地召回他们正在美国造就的科学家取工程师。美国的竞争者们还正在机器人技能和取制作相干的特定行业开端坚定美国的主导地位。韩国每一年投资1亿美圆，延续投资十年(2002-2012)至机器人技能研究取教诲相干项目。欧盟投入了超越6亿美圆适用于研发机器人技能及其认知体系，而且别的拨款9亿美圆至取制作业机器人相干的地平线规划。日本还将正在将来十年以内投入三亿五千万美圆至仿人类机器人、办事机器人研发，而且颁布发表将正在将来5年投入10亿美圆使日本成为工业机器人技能的环球领导者。取以上国度投资额度相比，美国联邦政府投资的资金是异常缺乏的。

　　仓储机器人kiva

　　而且，机器人技能关于自动化物流还具有重要意义。亚马逊正在2012年花了7亿美圆收购Kiva Systems公司，使它可以将最好的技能适用于数据库自动化。另外，苹果和联想正在利用机器人体系以后已不将亚洲作为其下降生产成本的第一挑选。正在曩昔的十年里，中国工人的薪水增幅为340%，而美国工人的薪水增加则低很多。另外，特斯拉公司正在加利福尼亚州开设了一个制作可代用燃料汽车的工场，它应用了高度的自动化，这使它能继承正在美国糊口生涯。

　　经济增加范畴

　　美国商务部取美国竞争力委员会阐发了大批的公司及其综合年增长率，各关键工业行业分类数据如下表所示。

　　制造业现阶段的增加行业包罗物流、物料搬运和机器人手艺。鉴于制造业的重要性，斟酌若何应用机器人等手艺加强美国制造业黑白常有须要的。

　　机器人手艺的消耗化

　　很多先进技能都已证实，一旦技能被引入辽阔的消费市场，肯定会引起立异的增长取本钱的低落。最明显的例子便是个人计算机取挪动通讯的呈现。这两种技能最初全是由于企业的需求而开展研发。一旦这一些技能被引入消费市场，企业投入的研发金额便成倍增长，致使了技能的高速成长取本钱的明显低落。取此同时，这也刺激产生了大批新兴行业取公司的树立。今朝，这一些行业取公司贡献了很大比例的GDP而且正主宰着美国股市。

　　iRobot Roomba 760

　　对机器人和机器人相干手艺市场的培养还会形成雷同危害。一个简朴的例子便是微软为家庭电脑游戏市场开辟的Kinect接口。它正在语音取手势互动层面具有上风，使其正在数目浩瀚的贸易运用中极具卖点。机器人手艺“消耗化”的另一个利益便是使工人对机器人越发熟悉。当人们习惯于正在生活中取机器人开展互动时，能力越发适应取机器人一同事情而不容易将其视作威逼。例如，具有iRobot公司出产的主动真空吸尘器的消耗者中，有三分之二的消耗者为他们的吸尘器取名字，并且有三分之一的消耗者认可他们会带上吸尘器往造访伴侣。

　　制造业的远景

　　本日的美国制造业就像是20世纪60年代的数据库技能，只是一个拼集起来的解决方案，缺少严厉的方式论指点，没法开展科学地立异。1970年，IBM的数学家Ted Codd发了然干系代数，一个高级的数学数据库模子。这项技能获得美国联邦政府的赞助，并终极发展为现在140亿美圆的数据库家产。假如可以发展出类似的模子，制造业将极大地受益。就像将两个数字相加的方式其实不依赖于您所利用的铅笔，制造业的笼统模子还应当取产物是被单一地制造出来照样由出产线组装出产完整无关。

　　另一个例子是图灵机，由阿兰?图灵于20世纪30年代创造的一个高档笼统模子，进而确立了现在高科技产业的数学取科学根蒂根基。取图灵机类比，制作业的笼统模子还将为设计、自动化和制作业带来伟大的回报。今朝，计算机范畴取信息科学的成长使将物理制作进程模子化、和使研究人员“将图灵机带进制作业”成为可能。其终极的成果，则会像数据库及计算机一样，使美国制作业所出产的产物具有更高的质量、更好的可靠性、更低的本钱和更快地开展托付。

　　根据改善机器人技能和培育高素质的事情人员，可以加倍高效的运用机器人技能，这将进步美国失业和环球竞争力。传统的流水线工人今朝已到马上退休的春秋，他们还没有接受利用机器人技能开展事情的练习，而且其保险及医疗本钱还正在逐年提升。即使可以肩负用工本钱，出产下一代小型化、复杂化工业产品所须要的适应性、精确度和可靠性都已超出了工人的本领。正在制造业中广泛地引入进步前辈的机器人技能取自动化技能将会：

　　1）控制知识产权取财产；

　　2）使公司更具竞争力；

　　3）正在机器人研发、制作、保护及锻炼行业制造失业岗亭；

　　4）工场可以雇仆人-机混淆团队以充分利用相互的技能与上风（例如人类跟擅长措置突发事件以保障生产线的运转，而机器人擅长完成精确性及重复性高的事情而且可以举起极重的物件）；

　　5）淘汰高贵的医疗题目（如腕管综合症、背部受伤、烧伤和吸入有毒气体及蒸汽形成的损伤）；

　　6）缩短制作废品的交货时候，使体系愈加顺应零售商的需求变更。

　　正在制作业上开展投资可以重振美国制作业。将国度的小部分资源投入到经济高效资源节约型的制作业中，可以使美国的消费者受益而且支撑正在这里一主要经济领域事情的数百万工人。以上投资还能惠及医疗保健、农业和交通运输业，与此同时可以加强国度正在国防、能源及宁静方面的资源建立。正在将来五十年，由研讨发生的一系列有益成果将极大地进步“美国制作”的质量，而且使美国制作业欣欣向荣。

　　路线图研讨步骤

　　美国制造业手艺路线图描写了制造业根据成长一系列机器人手艺行业的底子手艺使其关头才能获得成长的远景。每一项关头才能皆由一个或多个正在制造业中广泛应用的行业成长而来，且皆指向某些底子研发的次要手艺行业（如下图）。将路线图的内容整合为连接的计划是非常重要的。

　　机器人手艺对制造业的危害

　　此刻我们用设想的例子对具有必定影响力的机器人技能利用和正在利用中具有很大积极作用的要害本领举行引见。这一些设想的场景有助于阐明制造业形式的变更，也是本领取技能融会的实例。本路线图阐清楚明了各项本领正在5年，10年，15年时的要害节点。

　　事例1：流水线帮助机器人

　　汽车制造商面临着其新型电动汽车定单的激增，需求快速整合其他已出产终了的初期型号汽车流水线的出产能力。流水线快速地举行了使命的重新分配，以顺应新的汽车模型。工场购买了一组流水线帮助机械人，其被很快地举行了设置并入手下手取人类工人一同完成新的使命。流水线的第一项功课是要对机械人参数举行微调以优化其传感器体系取机械进建算法，第二项功课是正在四天的执行时间里使工场产量翻番。紧接着，一个关头供应商请求变动装配序列以顺应电池组正在装配过程中的耐受水平。因而工程师利用测算东西快速建改了装配步伐，将其打印为工人，并将新的装配步伐上载至流水线帮助机械人。这类矫捷的制造业正逐渐进入我们的生活。比方，2012年8月，Rethink Robotics公司公布，其价值2万2千美圆的机械人Baxter可由未经培训或少少培训的演示示范而直接对其举行编程。安装取操纵本钱的低落将转变将来自动化技能正在贸易案例中的利用。

　　事例2：怪异离散部件制作取组装

　　一个职业医师来到一个只有5名员工的次要接受来源于医疗器械公司定单的小工厂。他想制作一种乘坐轮椅的四肢瘫痪病人所利用的头顶部节制输入安装。本日，这类特别的设备皆极度高贵，由于对其举行制作取组装将耗费大批的时候取劳动来对机械举行设置。这个小工厂的老板具有一台可接受语音及手势号令的机械人，正在机械人不知若何处理时可对其举行指导。这台机械人能将加工质料放置于铣床或车床上并开动机械，而且可以对需要的机械取电子组件举行设置，并正在指令恍惚而没法举措时恳求帮忙。正在不一样事情位置之间的挪动中，机械人可以清理冷却剂的走漏而且对正在狭窄空间举行事情的工人举行平安提醒。机械人可以相应事情时的快速恳求，而且不容易由于该恳求会对其次要事情形成延迟而谢绝。最终，机械人对组件举行装配而且正在下昼将产物装车。那样的突发性事情对工厂的日常事情只形成了很小的停止。

　　事例3：快速、集成且基于模子的供应链设计

　　外洋关键供给商给予的适用于宝宝配方奶粉的包装被发觉具有比较严重的质量掌握题目。正在美国的首席工程师可以利用综合的多标准模数交融供给链模子，引入新的供给商，重用供给链中可重用局部而且对全部供给链的变化形成危害：包孕出产、分派、装箱、供给及分销。全部变化中最主要的局部是20台适用于快速出产以对包装袋举行从新设计的机器人。

　　这一些例子正在本日看起来大概还很迢遥，但我们曾经具有了技能底子，大批的专业人员、教诲底子设施和正在要害技能领域适度的投资。这一些底子可以让我们正在15年内实现以上目的。

　　制造业的枢纽才能

　　正在本节中，我们将对制造业的环节才能开展简要地计议，而且给出5年、10年及15年可能会到达的手艺节点。正在后续内容中，我们将计议一些可以使我们到达以上手艺节点的具有远景的研讨标的目的。

　　具有可适应性及重构性的生产线

　　本日，一种新产物由观点设计到正在出产线上开展制作之间的工夫隔断大得没法接受。关于一辆新型汽车来讲，这个工夫隔断能长达两年。当面临一个新的产物和可以开展出产的出产线子体系时，我们期待可以对子体系开展重构设置，设立工作站来开展新产物的出产。因而，正在将来15年，具有适应性及重构性出产线的路线图包括下面三个方针：

　　自立导航

　　自立导航是一项根本才能，这将危害采矿和修建设备的自动化，原材料到制品的高效运输，正在装配出产线上对原材料举行装卸处置并将制品带往检查站的扶引车辆的自动化，和类似于入库存储和调配的后勤撑持的操纵。使机器人可以正在包罗静止障碍物、车辆、行人和植物的非结构化环境中举行宁静的自立导航，需要正在构成部件手艺上有关键性的投资。自立导航的路线图包罗以下手艺节点：

　　绿色制造业

　　美国建筑师William McDonough说：“污染是设计（取制作）失利的标识”。现阶段，由组件到体系，满意由上而下需求的制作业须要举行齐面的由头设想。制作业关于淘汰废弃物的办理体例绝大部分是针关于出产进程中发生的废弃物、可利用废弃物和正在歇工和保护时发生的废弃物。我们针对绿色制作业的路线图着眼于一切组件及体系正在全部出产进程中的接纳利用，其进程包孕由原质料的开采取加工，到产物制作取分发，到最后质料的接纳。为了可以杀青慢慢的转变，我们必需引进新的制作业手艺且新产物的设计还必需遵守绿色制作这一目的。好比，向增材制作过渡将会极大地淘汰产物或零件出产中发生的废物。新的物流体系还须要具有普遍的接纳本领。现阶段，物流体系很难接纳那些制作企业没法接纳或其本可以举行接纳但不接纳的质料。我们很是存眷制作业基础设施的重用、原质料的接纳、每个制作环节里对能源利用的最小化和为出产新产物对子体系举行由头设置。

　　类人的机灵操纵手艺

　　机械人手臂取手掌的机动度最终将逾越人类。正在速度取强度层面，这已经是既成实际。然而，取机械人敌手相比，人类的手正在完成那些需要高灵便度层面的使命时仍旧具有上风。这类差异归因于机械感知、靠得住的高保真传感器和计划取节制等关键手艺。机械人的灵便操纵手艺路线图包罗以下的手艺节点：

　　基于模子的供应链整合取设计

　　今朝，计算机范畴取信息科学的进展使将物理制作进程模子化、使研究人员“将图灵机带进制作业”成为可能。假如完成此项技能，制作业会像数据库及计算机一样蓬勃进展，使体系取组件具有互操作性，产物具有更高的质量、更好的可靠性、更低的本钱和更快地举行托付。所以，基于模子的供应链整合取设计路线图具有以下的技能节点：

　　纳米级制作

　　典范的基于CMOS的集成电路取盘算形式正被新的纳米级制作取盘算手艺逾越。我们已看到了非硅微体系手艺和运用自然界中观察到的分解手艺举行构建的新方法的生长取进展。微电机体系（MEMS）、低功耗超大规模集成电路和纳米手艺的进展已使次毫米级自供能机器人的呈现成为可能。新的并行乃至随机装配手艺有望呈现。传统的制作体例将被新的、现阶段只存在于设想中的纳米级制作体例所庖代。故纳米级制作和纳米机器人手艺必需夸大其根本研发：

　　非结构化环境感知手艺

　　正在自动化制作业中，固定的自动化设备已被证实愈加易于举行大规模出产。除一些特定使用以外，柔性自动化手艺和大规模定制自动化手艺的远景并未受到存眷。形成这类现象的主要原因之一是固定的自动化设备为本身构建了一个结构化的环境以极大地简化“智能”制作所面对的挑衅。小批量的自动化制作请求机器人愈加智能、矫捷，并能正在取人类工人配合事情的低结构化环境中安全地运转。比方，正在产物流层面，机器人及其他机器设备需要正在种种差别的地址举行事情，以完成对产物（比方一辆飞机或一艘汽船）的制作，而正在功效层面，则是产物正在种种机器设备间举行活动。单一部件制作的挑衅性加重了以上艰巨。感知手艺的路线图包罗以下手艺节点：

　　取人类同事的内禀平安机器人：机器人普通化

　　现正在有良多关于内禀宁静机械人的评论辩论，这一些评论辩论其实不只是局限于“内禀宁静”这个辞汇的详细寄义。“内禀宁静”的设备被界说为“正在一般或非常条件下，正在某种特定危险气体最易被扑灭的情况下，没法释放出充足将其引燃电能或热能的设备或布线”。简而言之，一台“内禀宁静”的设备没法引燃可燃气体。“内禀宁静”的规定显然还须要像其他被设计用制造业行业的机械一样，正在机械人体系中获得正视。虽然不言而喻的是“内禀宁静”会为机械人的行动带来更多肩负，但大概这更关系到“内禀”这个词自己的界说。

　　内禀：属于其本质或结构的事物；来历并包罗于有机体或其局部。这便是症结所在：我们希冀机器人必需由内涵而言便是宁静的，对人类完整无害的，无论这会有如何的价格。这来历于那种惧怕人类可能会制作出某种凌驾于人类之上的工具的文化。大概，我们已制作出了凌驾于人类之上的产品。

　　比方，汽车是危险的。第一辆不消马匹的马车关于路上其他传统的马车来说是个要挟，不外我们早已过了阿谁年月。如今的高速公路上，您能够以跨越120公里的速度超车。这并不是说汽车具有“内禀宁静“，反而是说我们已学会接受汽车带来的风险。伴随着工夫的已往，我们渐渐发明了一个依赖于人类对其才能、限定和正在高速路上开车所面对风险皆具有认知的交通系统。我们将汽车普通化，让汽车取群众相干，让群众需求汽车，汽车才成为我们社会的一部分。

　　正在制造业范畴中举行机器人的普通化，必需引入一个类似的风险和义务评价模子。像开车一样，制造业的环境自己就包含肯定水平的风险。我们的目的是当机器人被加入到制造业中时，风险水平不容易是以进步。对此目的是不是到达的一个能够接受的权衡目的是事情损失天数。假如事情损失天数正在引入机器人或自动化设备以后没有增添，那末我们就走正在机器人普通化的准确路上。以后我们将继续发展并细化平安尺度，并且为用户自定义义务找到工程系统化的解决方案。

　　事实上，我们必需安全地睁开而且延续鼓动勉励针对用户相同需求的协同解决方案。这就包孕对每一个自动装置的本领、限定和相干风险开展界说。立异的多样性将推进对机器人风险和义务评价模子的接受。社会对人类取机器人同在工场事情的了解取大的文化环境将会伴随着机器人的普通化一同到来。以上社会空气只会在机器人用户数量拓宽的基础上随时候渐渐地产生。自然语言编程、掌握进修和资料技能的进度全是大概加快这一进程的潜在门路。

　　机器人取人类同事的路线图如下：