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中国拥有几乎最好的制造科研类机器人的条件——我在欧洲设计机器人所面临的问题

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中国拥有几乎最好的制造科研类机器人的条件——我在欧洲设计机器人所面临的问题 1

中国拥有几乎最好的制造科研类机器人的条件——我在欧洲设计机器人所面临的问题

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中国拥有几乎最好的制造科研类机器人的条件——我在欧洲设计机器人所面临的问题
中国拥有几乎最好的制造科研类机器人的条件——我在欧洲设计机器人所面临的问题

中國機械加工業的競爭力

在這個保密措施下,舉個例子,我們不得不需要把組成一個關節驅動器的總零件拆分成若干小分,然後這若個小分盡量分散到不同的供應商手中去——帶來大量額外的文書及手續工作量。最讓人頭疼的是,我們在拆分總零件時,同時需考慮各零件的裝配關系,需要盡可能地將需要做裝配檢測的零件歸類在一起,使得供應商能夠在出廠前預先檢測公差裝配關系。

這篇文章作者將會分享在機器人學科研究中,機器人本體在加工製造上的一些基本特徵。同時會聊到作者在歐洲的科研工作里,個人所經歷的大量(技術層面以外)政策性事務性的煩擾。最後閱讀完這篇文章,你會明白作者為什麼說「中國擁有幾乎最好的製造科研類機器人的條件」。(這里需要說明,作者僅僅是針對「製造機器人「這一點,不需要發散理解成」中國擁有幾乎最好的設計科研類機器人的條件「)

首先簡要地談一談,在機器人研究中,機器人本體零件加工上的一些特點:

在歐洲,以德意法為例,幾乎很難找到這類「即樂於接收小批量件」且「加工能力強(種類豐富)」的供應商。歐洲的產業與人口結構已經將其製造業供應商分化成以下兩個極端:1. 加工能力強(種類多)但只接受大批量件與固定合作客戶的「巨無霸」大廠,諸如都靈的菲亞特製造中心;2. 加工能力弱(種類單一)但能把某一類零件做到極致的小廠,諸如德法分工細化(只做精某一類零件)的汽車產業供應鏈——前者就如郊區的巨型購物中心,而後者就如村前店後的小賣部,唯獨就缺少了中間的過度檔。

直白來說,當前的科研類機器人(工業級機器人除外)鮮有在高速、高壓、高負載的極端環境中應用的能力,同時對定位控制的精度要求也不高,長時間使用的可靠性也幾乎不在設計的考慮之列,所以對材料工藝的要求也並不高,一般都是市面上常規的材料和主流生產工藝。

中国拥有几乎最好的制造科研类机器人的条件——我在欧洲设计机器人所面临的问题
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中国拥有几乎最好的制造科研类机器人的条件——我在欧洲设计机器人所面临的问题
國內某模具供應商CNC鋁合金件

在上一個章節中提到過,在機器人研究中,機器人本體的零件均是種類繁多而數量較小的非標件——這樣的特性要求CNC模具廠及其上游供應商的產品經理(負責每個零件的報價溝通、檢測裝備和後期物流)與操作技工(具體落實每個件的技術性加工)大量的時間與精力投入,同時需要保持高度的責任心和細心,人力成本在科研機器人的零部件加工中所占的比重是極大的。而只要涉及到人力成本,得益於當今中國社會整體的高效率、勤勞致富的社會風氣以及大量優質勞動力資源,歐洲的相關產業(包括北美、日本)是要被完全吊打的。

最後一個章節主要闡述一下,我個人在歐洲研究所完成機器人的設計工作之後,在面臨實際零件製造的時候需要面對的問題:

談完以上三點,從我在機器人科研行業中跌摸滾打的經驗來看,中國的製造業似乎沒有大家想象的那麼那麼不景氣。就以我在的研究所為例,每年幾乎都有700-800萬左右的加工件被中國承擔,如果放大至整個歐美世界,從科研圈子放大到歐美的中小企業工業圈,整體金額是相當可觀的,中國的經濟繁榮不是沒有製造業功勞的

我在歐洲所面臨的問題

  • 中國和意大利海關大量的進出口報關事宜

有這樣3個人,小張(來自中國的企業或者高校)、小李(來自歐洲的企業或者高校)、小王(也是來自歐洲的企業或者高校)拿着同樣一批加工件去做報價,一般會出現如下情況:
小張選擇中國供應商一個星期內會得到一份報價,假設數值為 A ,同時再過一個星期,將會收到零部件,質量打分80/100
小李也選擇中國供應商一個星期內會得到一份報價,但數值為 2cdot A 左右,同時再過一個月,將會收到漂洋過海的零部件,質量打分95/100
小王選擇意大利或者德國的供應商一個月內會得到一份報價,但數值會達到驚人的 8 cdot A 左右,同時再過二個月,才能收到相應的零部件,質量打分95/100

這邊可以貼一張國內某模具廠為作者所在的實驗室加工的零件,基本就是 20mu m(2司)的精度,一些基本的軸承和軸孔配合的公差,不過可以體會下表面處理的質量:

從同處歐洲的小李和小王的對比來看,在加工質量相近的前提下,中國供應商的價格僅為歐洲供應商的1/4,且中國供應商即使在物流、海關的debuff下,工期仍能縮短一倍還多——又快、又好、又便宜。

  • 加工精度、材料工藝要求”高而又不高”

而在選擇」又快又好又便宜「的中國供應商之後,我們將會面臨如下的問題:

PS: 據可靠消息來源,波士頓動力Atlas 2的非核心零部件,諸如乳白色的外殼件是在中國加工完成。

這個特點其實很有意思,所謂的」高而又不高「其實就是說取決於對比的參考對象——即對比於一般的家電器械類,機器人零件是屬於需要高精度加工的,但自然是達不到精密機床和航空發動機的精度要求。一般而言的經驗之談,對於腿足式機器人的尺寸維度,我們會說加工精度需要控制在 20mu m (2司)的即可

以上是背景,在這樣的招標系統下,每當我們提交一份加工申請,就需要等待系統中所有的供應商做出響應報價,但Bug就Bug在,我們永遠需要等待最慢的那個供應商:意大利和德國八二開穩坐最後。中國供應商一般能做到嚴格的1周內報價,意大利和德國一般都是在1個月左右——1個月,就是我們等待報價需要的平均時間

以上兩點,即帶來了種類繁多而數量小的非標零件的特性。這里可以舉一個例子,作者最近完成了一款靈巧手(如封面圖)的設計、加工與裝配工作,經統計,每隻機械手中需要機加工的鋁合金種類有54個,但零件總數量只有184個。

  • 謎之保密措施,拆分機器人整機零件

這個主要是看海關人員的心情,八成情況一般都會進出口報關無虞。但一旦任何一方海關出了問題,零件至少要被扣押4-5天,至於原因,會是中國供應商或者本人研究所相關材料准備不全,也會是貨物說明不夠精細。中國海關要求每個機器人零件都要詳細註明具體用處,把控嚴格,對我們來說又是額外的工作量。

  • 較低的設計容錯率,需向供應商提供詳細的裝配檢測說明
  • 德意中企業參與的招標系統,報價響應慢
  • 要求工期短、價格低

總的來說,從完成所有設計工作後:包括相應的零件.step+零件.drawing(帶公差)+材料清單(BOM),我們一般至少需要3個月的時間才能收到加工件,外加一系列繁瑣的非技術性事務工作纏身,如果遇到設計不當,需要返工則耗時更久。

科研機器人零件加工的特點

因為是科研性質,大多數的機器人本體都屬於是樣機(初始階段的加工數目一般都是1台)而後續效果做的好的且迎合市場需求,進而落地產業化大規模生產的案例畢竟都是極少數(諸如Sami Haddadin與他的Franka Emika Panda機械臂),我們不做討論。

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中国拥有几乎最好的制造科研类机器人的条件——我在欧洲设计机器人所面临的问题
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我們研究所從2018年初開始,搭建了一個由德國、意大利和中國供應商組成的招標系統。在2018年前,屬於PI主導制,即PI決定和哪家供應商合作,結果大家也是猜到了,幾乎95%的單子都被中國壟斷。在此情形下,歐盟ERC(European Research Commission)要求各研究所制定相應的招標系統,試圖做出些許平衡,盡可能地將來自歐洲老百姓稅收的科研經費回饋給歐洲製造業。但事實是,即使相應的招標系統工作後,本研究所18年至今仍有將近85%以上的單子流向中國——「溫和」的地方保護主義政策是扳不過市場經濟的

同時需要機加工的機器人本體一般都是需要高裝配精度和強度、結構復雜的關節式機器人,而尺寸較小且結構簡單的一些仿生式機器人(如UC Berkeley的彈跳機器人Salto),則一般會使用3D打印件,無需外送機加工。

  • 設計人員不直接接觸供應商,有相應的采購秘書,流程繁瑣

作者在國內和國外都做過相應的機器人零部件報價加工,對於國內工期短價格低這兩點的體會是非常深刻的,舉如下的例子來大致定量闡述相應的工期和價格:

中国拥有几乎最好的制造科研类机器人的条件——我在欧洲设计机器人所面临的问题
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靈巧手裝配過程中種類繁多而數量小的零件

很多人可能會覺得這是好事,覺得有相應的采購秘書幫忙會減輕自己的工作並提高效率,但對於在意大利的我來說,絕對是一件壞事。秘書們對待這個事情的態度——這是我的日常工作,我就按部就班地完成,這和作為researchers去積極push科研進展的態度是完全不一樣的:前者是機械的日常工作,後者是有出成果的動機在裡面,效率完全不是一個維度的。實際上,研究所有相應此制度更多的是為了抑制貪腐,而並非出於提高效率的初衷。

  • 要求零件工期短、價格低 Longrightarrow 中國式效率和人力成本

這里我之所以稱其「謎之」,主要還是打心底里覺得沒有必要——畢竟做的東西沒有到人家波士頓動力的級別,但也是能理解國外研究所的擔心,中國深圳的仿造能力和速度都太驚人了。

中国拥有几乎最好的制造科研类机器人的条件——我在欧洲设计机器人所面临的问题
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中国拥有几乎最好的制造科研类机器人的条件——我在欧洲设计机器人所面临的问题
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相關零件在中國製造的科研機器人

這就要求我們在出圖紙時,要萬分細致,設計的容錯率很低。同時,我們需要在紙面上去製作詳細的裝配檢測說明。在這點上,作為中國人算是很方便——我有時候會偷懶直接用wechat視頻和國內供應商溝通,而國外的設計人員只有老老實實完成這份詳細的書面工作,並通過email聯系。

講了這麼多,其實總結下來就兩點:1. 中國幾乎擁有着世界上最方便、快捷、完整的製造產業鏈,有着廉價且負責的技術師傅,這是在機器人研究中極大的優勢(製造本體),放在歐美日都是羨慕不來的;2. 特別希望看到此處的你,萬分珍惜這個時代下在中國設計與製造機器人的機會,當然不僅僅是針對在科研圈內設計與研究機器人本體的,還有更多的機器人公司的從業人員,在高壓大環境下垂頭喪氣的時候,也可以想想大洋彼岸有更多麻煩事的作者,共勉!

硬質鋁(ERGAL 7075, Aluminum 6082等)+CNC+表面陽極氧化:一般做機器人主體結構承力件,較高的強度下重量輕;
不銹鋼(AISI316, 17-4PH, 13-8PH等)+CNC:一般做機器人核心承力件同時做力矩測量用,如關節力矩傳感器的主體結構件;
鈦金屬(Ti-SB20, Ti-6246 AMS 2631 A1等)+CNC:一般做機器人核心承力、抗沖擊件,如腿足式機器人的腳掌;
黃銅(OT 58等)+CNC:一般比較少見,多做關節驅動器中電機處的Housing,提高電機散熱性能;
塑料(PVC, ABS等)+手模注塑+表面噴漆:一般做機器人的非承力外殼;
橡膠(UPX8400等)+手模注塑:一般做機器人的柔性件,吸收、緩沖碰撞用,相應的硬度(Shore A)可以定製;

比較有意思的是同樣選擇中國供應商的小張和小李,充分驗證了一個道理「一等價錢一等貨」,所以在國內做機器人本體的小夥伴,其實無需抱怨國內供應商的加工質量,他們有做好的能力,只是錢沒到位

這兩點都是相應的科研性質決定的。做科研賬面上的核心要義是文章,科研文章的時效性要求作為文章支撐本體的機器人硬件需要有越短越好的加工工期,同時對於能省一分是一分的科研funding來說,自然無疑是希望在保證加工質量的情況下,越便宜越好。

因為時空的關系,我們不像很多國內的小夥伴,尤其是在深圳,能夠直接去到供應商那裡檢測裝配,因為一旦出了問題,立即要求供應商直接處理,這是效率最高的。

關於這兩點背後的原因,主要原因還是人的因素

在上一個章節中提到過,在機器人研究中,機器人本體的零件均是種類繁多而數量較小的非標件,能夠勝任此類種類繁多加工任務的當屬中小型CNC模具加工廠——而這類企業在珠三角地區可謂是星羅棋布。

下圖是作者能夠確認的,相關主體零件在中國製造的科研用機器人:

  • 零件多為種類繁多而數量小的非標件 Longrightarrow中小型CNC模具加工廠

這邊我可以分享一下,從我的項目經歷中機器人零件常見的加工類型:

  • 零件加工精度要求”高而又不高” Longrightarrow 符合國內CNC模具廠的技術能力
  • 多為種類繁多而數量小的非標件

在上一個章節中,也敘述到了當前科研類機器人在加工精度,尤其是材料工藝這點要求並不高的特徵,無疑完美契合於國內中小型CNC模具廠的技術能力。舉個很直觀的例子,幸好當今科研機器人的加工要求並不都是波士頓動力Atlas2級別的高強度鈦金屬液壓管道3D打印,使得中國能用已有的「金剛鑽」攬下這手「瓷器活」。同時,人力成本更為低廉的東南亞不具備相應的技術實力,而拉美則根本沒有這類產業。

而對於以上三個科研類機器人零部件加工的基本特徵,中國目前的機械加工業是很完美契合的——尤其是珠三角地區。從這3年半在歐洲做機器人機械零件加工的經歷來看,中國珠三角地區的競爭力是碾壓於德國和意大利的存在的(其實也可以推廣至歐美區域),世界製造之都的名號不是白叫的。

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