下载地址：https://www.sciltp.com/journals/ijamm/article/view/202/36
汽车制造行业是一个国家的制造业的典型代表，其发展和升级代表着制造业的最先进的一部分技术的应用。传统的汽车制造工厂经过一段时间的发展，工厂内的物流机器人和流水线机器人已经日趋完备，同时也暴露了一些关键的共性问题。汽车智能制造工厂将重点突破这些问题，持续提升智能制造的水平。可重构理论作为智能制造的重要基础之一，将为汽车制造工厂向智能制造的转型提供新的桥梁，为智能制造工厂实现推广与升级带来新的驱动力。
近日英国皇家工程院戴建生院士领衔，与庄哲明等在International Journal of Automotive Manufacturing and Materials 发表封面综述论文“Reconfigurability in Automobiles -- Structure, Manufacturing and Algorithm for Automobiles”，探讨可重构理论在汽车工业中的应用。
文章分析，随着工业技术的快速发展，制造型企业正在步入转型、升级的关键时期，原有的产业模式存在生产周期长、劳动力成本高、生产污染大等急需解决的核心问题。如果能够有效地解决以上难题，汽车企业就可以更好地适应市场环境的变化，从而更好地抓住新一轮产业变革和爆发的机会。
汽车制造行业的发展规模和技术水平是一个国家综合国力的重要标志。该行业涉及到机械、材料、物流、管理等多个领域的交叉融合，是第一批将机器人技术引入制造过程的行业之一。在汽车制造领域，传统的劳动密集型产业正逐渐被技术密集型产业取代，建设依托于自动化生产的智能制造工厂将逐渐成为主流趋势，自动化水平在生产活动中的重要性也将不断提高。
文章指出，汽车制造工厂可分为传统工厂与智能制造工厂两大类。传统工厂中的机器人按照应用场景又可以分为物流机器人和流水线机器人两种类型。
▍物流机器人
物流机器人指的是用于改变汽车零部件空间方位的机器人，它们是整个生产过程中最常见的机器人，几乎贯穿了汽车的整个生产流程，例如运输机器人、码垛机器人等。它们的工作任务一般较简单，对精度的要求较低，但对工作效率和使用寿命的要求较高。尤其是对于生产场地有限的工厂，此类工厂往往无法建立全过程的流水线，因此物流机器人是生产中非常关键的一环，需要通过跨越生产线、调度设备等方式来完成制造的过程。
▍流水线机器人
流水线机器人指的是应用于汽车的流水线生产过程的机器人，它们在生产过程中发挥着关键作用，是汽车从零件到完整产品的主要工作者，例如涂装机器人、焊接机器人等。它们通常体型较大，精度较高，同时自动化程度高、操作简单、易维修。
文章指出，近年来，汽车制造工厂的快速发展主要得益于机器人的投入，这些机器人为工厂带来自动化程度的提升、生产成本的降低、产品质量的均衡等优点，但快速增长的同时，汽车制造工厂中的机器人技术也面临着许多挑战。比如缺乏通用性、空间需求大、投入成本高等问题都限制了汽车制造行业的发展。
因此机器人在汽车制造工厂中的应用需要提出更加先进的方案，而具有小批量、多批次、高效、可灵活部署等优点的智能制造工厂则是解决这些挑战的最佳答案之一。
智能制造工厂是一种新兴的、面向未来的生产工厂，相比于传统工厂，它更加强调信息化、集成化、系统化、程序化，大量的智能制造机器人被投入使用，从而大幅度提高汽车的生产效率，降低生产成本，成为了传统制造业升级的重要解决方案。文章分析目前已有的应用，将其分为协同机器人方案和可重构机器人方案。
▍协同机器人方案
协同机器人方案是将人的因素考虑到机器人的作业中，依靠工作人员和机器人共同完成汽车制造的任务，将人类独特的能力与智能机器人的优势结合起来。协同机器人的设计更加注重与人类的交互，因为在人类的帮助下，机器人可以完成更加复杂、精细的任务，同时可以更好地应对突发状况。它们一般体型较小，所以移动性较强，而传统的机器人大多局限于一个预先配置好的路径，这意味着协同机器人的灵活性更高、应用范围更广，与人类的信息交互也让制造过程更加合理、更加安全。但它也对工人的操作技术、专业素质和相关技术培训提出了更高的要求。
▍可重构机器人方案
同时，智能制造工厂还有更具想象力和开放性的可重构机器人，可重构机器人的核心不是硬件，而是平台。过去，传统机器人的可调整性差、空间布局紧张、制造成本高，而可重构机器人可以将大部分功能集成于少量的工位。可重构机器人的灵感起源于人类的进化和细胞的分裂重组，就是让机器可根据实际的工作需求进行“变身和重构”，实现“动态的演变”，灵活地适应变化的工作环境与功能需求，从而实现一台机器、多种功能的效果。
可重构概念最早由戴建生院士于1998年提出的变胞理论衍生而出，经过20多年研究和发展，该理论是当前和未来机构学与机器人学方向的主流趋势。以可重构机构为核心技术的大寰公司所生产的机器人夹爪就是应用于汽车生产的典型案例，它具有结构小巧、动态性能好、力控精度高、操作简单、环境适应能力强、应用范围广等显著的优势，目前已在比亚迪、一汽大众、上汽大众、丰田、日产、现代等多家汽车企业落地应用。
引入可重构机器人的智能制造工厂可以充分满足客户的定制需求，能够更好地适应生产批量大、型号频繁变更的现状，实现智能制造工厂的可重构。其中，深耕变胞机器人多年的大然公司已迭代研发出多款产品。但可重构机器人目前的应用场景仍有待扩展，市场占有率较小，具有很大的研究空间和极强的应用价值，需要广大学者和工程师的积极参与。
应用案例2：大然变胞机器人
▍结语
传统工厂的机器人往往只能完成单一的工作，智能制造工厂中的可重构机器人面对复杂环境可以改变自己的结构形态，进而高效地完成更多的工作。可重构机构学作为可重构机器人的理论基础，需要广大学者进一步研究和探索。可重构机器人作为可重构制造的核心技术，需要各位工程师进一步开发和应用。可重构制造作为汽车智能制造工厂的重要方式，需要整个汽车行业进一步推广和优化。近年来，产业界已经涌现出了许多可重构理论与汽车智能制造工厂融合的案例，也已取得了阶段性成果，将可重构理论、汽车智能制造工厂推向一个新的高潮。未来，可重构理论在汽车智能制造工厂中的应用场景将实现极大拓展。必须重视以软件形态为主的机器人，特别是知识机器人和虚实互动技术的发展。同时要重视人、产品和机器人三者的有机融合。
参考文献：
[1] Zhuang Z, Guan Y, Xu S, Dai J S*, Reconfigurability in Automobiles - Structure, Manufacturing and Algorithm for Automobiles [J]. International Journal of Automotive Manufacturing and Materials, 2022, 1: 1-11. (Corresponding author: jian.dai@kcl.ac.uk / zhuangzheming@tju.edu.cn)
[2] 戴建生，康熙，宋亚庆，魏俊，《可重构机构与可重构机器人 - 分岔演变的运动学分析、综合及其控制》，机器人科学与技术丛书 5，高等教育出版社，2021.
[3] 戴建生，《旋量代数与李群、李代数》，现代数学基础丛书 42,70，高等教育出版社，2020.
[4] 戴建生，《机构学与机器人学的几何基础与旋量代数》机器人科学与技术丛书 1，高等教育出版社，2018.