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西安中科光电精密工程有限公司
西安中科光电精密工程有限公司
阅读：5发布时间：2024-12-26
浮华背后的巨大需求
2020年，雷军在小米十周年发布会上公告了小米智能工厂的存在。雷军说，小米全自动化智能工厂大规模使用自动化产线、5G网络、机器人、大数据等技术，效率比传统工厂提升了60％以上。
△小米智能工厂
作为国产智能手机的头部厂商，小米智能工厂大概是被公众所熟知的智能制造代表之一。事实上，不止是智能手机行业，近些年崛起的国产造车新势力同样在工业智能化方面可圈可点。而也正是智能手机行业与汽车制造业的“"，让普通人有了“中国制造开启工业4.0时代"的错觉。
为什么这么说？因为智能手机制造与汽车制造都涉及大量的流程制造，其产品本身或零部件更容易拆解成标准的加工与装配等工艺，进而形成标准作业产线，只要设备体系运行正常，工艺参数得到控制，就可以生产正常的合格产品。即便存在一些离散制造场景，也能通过大批量的制造需求与较长的换代周期，弥补铺设现代化生产线带来的较高成本。
手机制造业与汽车制造业的这些特点，也为其工业智能化提供了适合的土壤。可编程式机器人得到规模化应用，解决了大批量产品高效自动化生产的问题，本质上属于“工业3.0“生产作业模式。在"工业3.0"模式下，能够解决或基本解决的高效生产任务，因为经济性原因，本身没有必要进化升级到“工业4.0"。
▲ 比亚迪新能源车生产线
然而，在这些场景之外，还存在着大量特殊的离散制造场景，多品种、小批量定制的场景特点导致至今仍旧依靠大量的纯人工作业支撑。据西安中科光电精密工程有限公司（以下简称西安中科光电）创始人兼CEO吴易明博士介绍，以焊接行业为例，在基建钢构、重型装备、船舶制造、锅炉压力容器及航空航天等领域的典型离散制造场景，依旧至少有80%的工作需要纯人工作业来完成。
人口红利效应褪去，劳动力成本上升，年轻人逐渐逃离工厂等因素使得制造业领域人才储备要素受限。加之疫情影响，纯人工作业方式遭遇巨大挑战。像焊接这样的离散场景需求逐渐放大，成为目前工业转型压力的领域之一。这些工作谁来干？成为相关行业发展的重要议题。
▲ 以重工焊接为代表的离散制造场景
而当各种机器人（机械臂）将注意力更多的集中在以流水线为主的产业转型需求的时候，当这些需求仅仅依靠传统机械臂等方式即可实现全自动化生产的时候，像焊接这样的离散场景需求，也就自然而然地成为被遗忘的角落。因此，真正的“工业4.0"生产模式，必须直面上述场景生产任务的挑战，实现智能机器人对一线工人的替代。
没有智能机器人，制造业很难再进步
2015年，中国提出的“2025智能制造战略"为整个制造业的转型升级画出了一张宏伟蓝图；6年后，《“十四五"智能制造发展规划》提出实施智能制造装备创新发展行动，同时开展工业机器人创新产品发展行动。将整块“智能制造"的版图分割为一块块拼图，让智能制造具化为一种可以触摸的可能。同年12月，发布《“十四五"机器人产业发展规划》，提出重点推进工业机器人等产品的研制及应用，提高性能、质量和安全性，推动产品化智能化发展。
但遗憾的是，传统机器人（机械臂）的局限性制约了智能制造的发展。为什么会出现这种现状？为什么没有厂商瞄准这部分需求，推出相对应的智能化解决方案？显然，在这些典型离散制造场景下，智能机器人面临的痛点难点不容忽视。
同样以重工焊接为例，面对各种柔性需求，机器人能否适应不同工件、组对误差与加工误差的复杂要求？效率方面，机器人能否比人工生产效率更高，进而产生更好的效益？谈及品质，机器人的焊缝形貌是否质量更优，机械特性与一致性是否更好？生产管理方面，机器人能否独立实现质量信息追溯与调度过程信息化？此外，环保控制及使用维护等方面，机器人是否拥有相应的优势？
▲ 重工焊接等离散制造面临复杂要求
人类之所以能够应对如此复杂的任务，与多重感官的辅助与大脑的灵活调度显然是分不开的。那么，将机器人拟人化能否解决这个问题呢？问题显然没有这么简单，虽然众多的影视作品都选择将机器人刻画为“五官俱全"的类人形象，但工业上能见到的机器人大多依旧是拥有N个转向轴的机械手臂。那么，为什么不给这些工业机器人装上“眼睛"呢？
据了解，工业机器人（机械臂）按照输入信号方式，可分为编程输入型机器人和示教输入型机器人。简单来说，仅需通过程序导入，或是人工示教，这些工业机器人便可以实现简单的流水线操作。
▲ 机器人示教器
在此基础上，赋予机器人“眼睛"和“大脑"，使得机器人成为识别、检测都更加拟人化的智能机器人，并非不可能。但据中科光电创始人吴博士介绍，围绕机械臂技术架构，增强传感功能这一发展途径，本质上是制约智能机器人产品升级和技术革新的障碍。智能技术发展后，真正的智能机器人，以“大脑“为控制核心，以感知和智能识别为关键技术要素，机械臂是机器人系统的运动执行部件，因此，重构机器人系统技术架构是推进技术升级和产品进阶的必由之路。
吴博士表示，当人类去看眼前的物体，比如一个沙发的时候，能够辨认一个对象的实质是因为“人类"能够有效抽取对象的几何结构并在大脑空间中将对象表征和重构出来，形成有效映射和镜像。依靠人类成长过程中潜移默化的视觉认知能力，人类能够根据局部信息判断出这就是一个沙发。
目前主流的人工智能技术无法从技术角度严格保证视觉信息与空间实物对象之间的映射关系，因此需要依靠对大量的图片信息进行训练，通过海量的数据积累，使机器提高识别的准确性。
▲ 激光雷达成像示意
相关资料显示，采用稀疏奖励的方法训练一个机械臂的手势，需要上千万的模拟学习的样本和两周的训练时间。一个动作尚且如此，在离散制造场景中，各种不确定因素衍生出的复杂局面显然不是普通视觉机器人能够应对的。
类似的情况也出现在自动驾驶领域。，自动驾驶车辆通过激光雷达等复合传感技术获取道路信息，再通过人工智能技术识别复杂路况，进而给出相关指令。但由于每一个指令过后都会有一个不同的复杂路况衍生出来，就使得其人工智能模块不断承受更大的压力，直到指令出错引发事故。目前自动驾驶技术遭遇瓶颈与此显然不无关联。
▲ 自动驾驶原理示意
2022年1月，复旦大学相关团队通过模拟动画展示了某L4级别无人驾驶汽车必然会发生碰撞的其中一个特定场景。并且结果显示这并不是孤例，该团队的测试系统仅在一周内就发现数百个碰撞的案例，并通过媒体呼吁不要尝试L2以上级别自动驾驶功能。
显然，无论是自动驾驶领域，还是离散制造场景下的重工焊接等领域，都需要一条新的思路，来解决复杂的现实需求。
对此，吴易明博士表示，工业4.0需要处理大量的不确定性，因此要与周围环境深度互动，而对于“具身智能"的研究有望开启机器智能的新阶段。“具身性"的概念起源于认知心理学，指生理体验与心理认知之间有强烈的联系。生物（包括人）在智能发生及进阶过程中呈现显著的具身性特点，即认知和智力活动不是头脑的孤立计算，而是头脑、身体和环境的自适应交互作用。“具身智能"强调智能体可以像生物体一样，通过感觉器官获取物理世界的真实反馈，通过反馈进一步让智能体优化使其更“智能"。
▲ 达尔文进化论
视觉是人类对于复杂信息采集和处理主要和高效的感知方式，当人类在解决工业场景的柔性生产问题时，首先通过视觉观察，把物理空间要解决的现实问题转换到认知空间，在认知空间进行计算、思考和推理形成解决方案，然后通过手臂或工具作用于物理空间，完成“感知-认知-规划-执行"的闭环。
反观机器智能，在感知层面，目前3D相机等视觉信息初级感知技术已较为成熟，但是在机器认知环节尚未形成突破，导致规划和执行层面与感知层面脱节，所以目前工业机器人的应用大多局限于用专用机器（专机）方式处理特定的问题。在机器认知层面，核心是让机器能够理解、处理对象感知信息的含义，建立物理空间和认知空间的对应关系。
真“智能"机器人的探索之路
1998年，刚刚本科毕业的吴易明进入到西安光机所工作，一干就是15个年头。在这里，他埋头苦干，突破了多项关键技术，将理论研究转化为科研成果，并在2009年赶着最后答辩的时限，拿到了大学的博士学位。然而吴博士却说，“我的运气比较好，我98年毕业，99年就开始负责项目，然后慢慢地把手里的项目拓展成了研究室。"
吴博士这里提到的研究室是西光所光学定向与瞄准技术室。在研究所期间，吴博士主要从事瞄准技术和原子惯性技术研究工作，是精密仪器及瞄准技术专家。在此期间，吴博士曾获得部委级科技进步二等奖与三等奖各一次，是陕西省青年科技新星。2013年，吴易明作为单位内项目负责人获得国家科技进步特等奖（集体奖）一项。
▲ 西安中科光电创始人吴易明简介
2013年，在中科院西安光机所、西科天使的支持下，西安中科光电精密工程有限公司（以下简称中科光电）正式成立。作为面向智能制造、国防装备领域的企业，中科光电专业从事智能机器人产品开发及技术服务。
2016年，中科光电参与由西安交通大学梅雪松教授牵头，联合高校、航空航天央企用户等单位组成的项目组，获得重大专项课题的项目支持，吴易明博士团队结合课题需要，采用现代数学理论方法，构建了一种全新的智能理论架构，借助立体视觉传感手段，解决了任意人造立体对象的精细视觉识别问题，使机器在不需要数据训练的情况下能够“理解"物理空间中的物体对象、以及对象精细特征的含义。
随着理论和技术应用研究的深入，吴博士认识到点式的技术突破需要有新的理论基础做指引。2019年之后，吴博士研究的重点工作就转向了认知科学、心理学、神经生理学、数学等方面，并对“智能"、"信息"、"识别“等智能科学领域的基本概念进行了深入思考和清理。2021年初，吴博士初步提出以“具身认知"为指导的推动智能科学发展进阶的新范式。2021年10月，结合斯坦福大学李飞飞教授发表文章的内容，吴博士团队确认在当下智能科学发展新阶段，可以以“具身智能"命名并构建基础理论体系。
西安中科光电基于具身智能实现的技术突破，形成了的智能机器人解决方案，面向离散制造场景中的搬运、装配、检测、打磨、焊接、机床协作等任务，自主执行工艺工序任务，实现真正的“工业4.0"生产模式。结合目前的技术和应用进展，五年内会推出具有多任务适应能力的“手-眼"协作智能机器人产品；十五年左右时间内，用于工业生产的拟人化（人形）通用机器人将普及。
有时候，过于前卫的技术理念往往不容易被理解。吴博士表示，“2019年当我们将基本理论打通，讲给别人听的时候，别人不仅听不懂，也不爱听。于是，2019年后，在继续深化理论研究的同时，我们又花了三年的时间，投入7000万资金将智能焊接机器人做了出来。如今，我们的底层科学原理和技术成果已逐渐被学术界接受和认可，科研成果也在逐步进行商业化落地。目前，产品主要应用于离散型智能焊接、智能检测、特种机器人三大领域。"
据了解，西安中科光电款通用智能焊接机器人产品已批量投放客户现场，而智能检测机器人产品已在定义过程中。智能焊接机器人基于3D视觉传感信息，可智能识别任意工件的点云，并自主规划焊接路径、实时焊缝跟踪，实现了焊接过程闭环精准控制，并能对焊缝形貌质量进行自主检测和评价。实现了“像人一样看、像人一样焊、像人一样检"。真正实现了“人工智能"赋能下的工业机器人应用。
▲ 西安中科光电智能焊接机器人工作站
也就是说，在拥有数据模型的前提下，该智能焊接机器人清楚地知道自己焊接的零件此时此刻的状态是什么，并且能够根据当前状态自主规划出下一步的焊接路径，进而实现真正的智能化加工。
目前，该“同人"智能焊接机器人系列已根据场景及加工规格的不同，衍生出固定式智能焊接工作站、地轨式智能焊接工作站及龙门式智能焊接工作站三大品类。2020年以来，西安中科光电以定制开发和标准化产品销售两种模式，实现了近20台套产品在客户现场的应用，客户群涵盖桥梁钢构、舰船制造、基建钢构、重型装备等领域的，包括中船重工、中铁宝桥、中信重工、中建钢构、中化钢构、中核工业、西航发、陕建钢构、等大型央企国企。
▲ 西安中科光电“同人"智能焊接机器人
据了解，除大规模B端客户外，中科光电也计划在未来针对小型B端客户推出智能焊接机器人租赁服务。吴博士表示，“很多小型工厂需求有限，产值也有限，人工方面30人能干，50人也能干。这种情况下，我们可以在每个城市附近开设一家共享工厂，通过来料加工实现对零散需求的合理覆盖。
谈及公司愿景，吴博士表示，中科光电首先是希望服务于国家需求，与此同时，中科光电也将致力于改造生产模式，成为工业4.0时代的智能机器人领域的，进而提升人类的生活品质。
2022年元月，西安中科光电完成了数千万元人民币的Pre-A轮融资，本轮融资分别由东方嘉富、盐南兴路产业基金、上海众合/风润智能、宁夏正和等共同投资完成。据了解，本轮融资后，西安中科光电将进一步加大技术研发投入和产能扩张，加速专业人才梯队建设，巩固扩大良好的发展态势。
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