欧盟“SPARC”机器人研发计划解析

刘金国 张学宾 曲艳丽

(中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，沈阳，110016)

0 引言

2014 年6 月9 日，中国共产党中央总书记习近平在中国科学院第十七次院士大会和中国工程院第十二次院士大会开幕会上发表重要讲话，对中国机器人技术和产业发展做出指示：“我们不仅要把我国机器人水平提高上去，而且要尽可能多地占领市场”；他关于“机器人是制造业皇冠上的明珠”的定位，对中国从事机器人研发的科研人员既是振奋鼓舞，更是鞭策激励。

目前，机器人的研发、制造、应用已成为衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。2014 年6 月3 日，基于对机器人世界市场形势的预测，欧盟启动了投资28 亿欧元的“SPARC”机器人研发计划[1]。“SPARC”是一种由欧盟委员会、欧洲工业界与学术界从研究到生产共同促进机器人产业和增长壮大产业链的公私合作关系（Public Private Partnership，PPP），旨在提供扩大机器人在工厂、空中、陆地、水下、农业、医疗、救援服务等行业的应用，提升机器人技术对欧洲的经济和社会的影响[1]。

欧盟“SPARC”机器人计划将极大地推动欧洲机器人的发展，可以为欧洲甚至世界工农业生产和生活节约成本，提高生活质量，改善工作环境，减少资源浪费。“SPARC”计划实施后，欧盟机器人技术将对全球经济和社会产生巨大的影响。由此，本文从计划的起源、目标、管理、运行模式、主要研究内容等方面对欧盟“SPARC”计划进行解析，并根据案例提出我们的若干思考，旨在为推动我国机器人技术发展提供参考。

1 “SPARC”计划起源和目标

“SPARC”是欧盟委员会(European Commission)和欧洲机器人联盟之间的一种公私合作关系(PPP)[1]，其运转需要通过具有法律实体的法人。因此，2013 年9 月17 日成立了欧洲机器人协会(euRobotics AISBL)[2]。欧洲机器人协会是根据比利时法律成立的一个非营利性协会，位于布鲁塞尔，将为欧洲机器人联盟提供一个法律实体，并与欧盟委员会进行合作。2012 年9 月18 日，签订谅解备忘录并成立委员会；2013 年10 月17 日，合同委员会正式成立；2014 年6 月3 日，“SPARC”成功启动，从此拉开了欧盟“SPARC”机器人研发计划的大幕[3]。

截至到2014 年5 月，为了确保欧洲机器人在世界范围的战略地位，欧洲工业部门和研究单位的182 个成员，从工业、研究和商业等多个方面共同推动机器人技术的研究与应用。作为将机器人技术产业、研究领域、学术界链接为一体的代表，欧盟委员会发起了这项史上经费投入最大的欧洲机器人研究与开发计划，即欧盟“SPARC”机器人研发计划[1-3]，其具体起源流程如图1 所示。

图1 欧盟“SPARC”机器人计划起源流程图[3]

同时，欧洲机器人协会还通过协调操作的方式对机器人的未来购买力做准备。2012-2014 年，机器人PPP 的形成流程如图2 所示，机器人PPP 的形成可以推进机器人在社会多个方面的应用，有利于实现“SPARC”计划的既定目标。

图2 机器人PPP 形成流程图[3]

为推动机器人市场的全速发展，“SPARC”计划提出了如下三个方面的目标：

1）欧盟机器人计划需应对欧盟发展战略所带来的重大社会挑战，满足欧盟经济发展的需要，同时需寻求国家市场和机器人计划核心技术之间的平衡。机器人技术在未来全球市场所占的份额将会不断变化，其在全球市场份额的变化趋势预测如图3 所示。由此可知，“SPARC”计划将使得机器人技术在欧洲市场的份额提升超过14%，营业额将提高大约440 亿欧元。

2）使机器人成为制定社会目标和解决方案的重要因素，进一步推动欧洲制造业的发展，维护欧洲的历史基础设施，提高交通系统的效率，进而为机器人技术投资提供一个重要的研究和创新方向，创造潜在的未来收益价值。

3）形成一个促进合作伙伴之间更广泛协作与交流的欧洲机器人共同体，刺激投资和创新，推动机器人技术进步，进一步扩大欧洲机器人市场，增强市场竞争力，使欧洲成为全球机器人市场的关键部件供应商以及全球共同认定的机器人技术社区，全面促进世界机器人技术的发展，推动整个社会进步。

2 管理和运行模式

欧洲机器人协会由35 个组织组成，代表182 家公司、大学和研究机构，接受所有对机器人感兴趣的欧洲利益相关者，其中包括终端用户、金融和专业机构等新成员组织，致力于使“SPARC”在2020 年前成为一个开放式的联合运行组织[4]。

欧洲机器人协会组织专家进行“主题组织”工作，为带来巨大经济利益的市场领域和社会福利提供建议，并推出多年度路线图（Multi-Annual Roadmap, MAR）[5]。基于这一路线图，“SPARC”发展建议委员会在“地平线2020”计划下资助机器人领域，刺激更多的充满活力和有效的机器人技术团体进行技术开发。欧洲机器人协会的组织机构管理运行模式如图4 所示。

图3 2011-2020 机器人技术市场市场份额变化趋势[3]

图4 欧洲机器人协会结构管理运行示意图[5]

“SPARC”通过多年度路线图(MAR)支持的战略研究议程(Strategic Research Agenda，SRA)[5]来宣传机器人技术的应用，并及时更新以反映机器人新的发展方向和市场领域。战略研究议程是一个机器人技术团体的高级别战略概述，同时也为机器人专家、社会决策者、企业家、潜在工厂用户和市场相关工作人员提供机器人技术介绍。

“SPARC”的运行模式参照多年度路线图(MAR)进行，多年度路线图(MAR)细致描述了战略研究议程(SRA)中所提出的高水平的技术和市场。欧洲机器人协会利用其组织成员的专业知识，每年通过公开寻求咨询会来组织主题，征求相关专家的意见，按照优先顺序更新发展策略，进而达成欧洲机器人的研究、发展和创新方案。在这一过程中，主题组织提出的建议与给定的标准都会进行仔细的匹配审查。

机器人PPP 的基本目标是通过连接学术界和产业界来更好地促进欧洲机器人技术的研究、开发和创新。欧盟委员会将在机器人技术上把工业和学术界的研究需求转化为具体的工作计划和组织战略，从而使所建议的研究成果与其利益相关者更加相关。机器人PPP 未来运行模式如图5 所示。

图5 机器人PPP 运行示意图[5]

3 主要研究内容

机器人有望成为支撑社会进步的新一代自动化设备和认知世界的驱动者，其可以通过优秀的学习能力与周围世界无缝交接，进而构建数学和物理世界之间的紧密联系。欧盟“SPARC”机器人计划的研究领域涉及生活、社会、工作等多个方面，其应用领域如图6 所示。服务机器人将在农业、交通、医疗、安全和公共事业等非制造业领域的竞争中展示其卓越的影响力，并有望成为销售最多的机器人类型。因此，服务机器人技术是“SPARC”机器人计划的主要研究内容之一。

图6 机器人服务应用研究领域示意图[5]

在机器人技术方面，欧洲在世界上占有重要地位。欧洲科学的多样性支持其多学科领域的研究，机器人技术是整合了广泛技术领域的集成技术，其发展反过来又依赖于各种基础研究领域的进步。欧洲在多学科技术领域均具有较强的实力，例如协作机器人和环境智能、语音和以触觉为基础的人机接口、安全驱动器(无齿轮)、夹持器和灵巧机器手、运动(无双足移动)、材料科学与工程、导航和避障、任务规划、车辆控制、运动控制(运动学和动力学)、仿生学、生物机械学、控制论等方面的理论研究。这些理论研究为研制机器人提供基础，也将成为“SPARC”机器人计划的主要研究内容之一。

在社会科学方面，机器人的使用也引发了许多伦理问题、社会争议以及法律问题。欧洲已经达成了这方面的共识：在更广泛地部署和应用机器人之前，对道德、法律和社会等方面进行调查听证，这非常重要。作为机器人技术团体利益的代表，欧洲机器人协会在“SPARC”机器人计划中将对道德、法律、社会等方面的问题进行深入研究。

机器人工作组的主要计划研究内容如表1 所示。

表1 机器人工作组的计划研究内容[5]

同时，研究内容还包括“地平线2020”内容，即第八个欧洲框架计划。对于机器人技术委员会而言，“地平线2020”的战略目标可简化如下[5-7]：

1）提高欧盟的机器人技术和科学地位；

2）加强其在工业创新上的领导力，包括对关键技术的投资和对中小企业提供更大的资金投入与支持；

3）解决欧洲共性的主要问题，如：气候变化、可持续交通、可再生能源经济性、食品安全保障以及人口老龄化等。

“地平线2020”计划将引进一些专业仪器来推动创新，使机器人更接近市场，同时促进学者、生产者和使用者之间关于机器人技术的对话。最令人瞩目的是前期商业广告采购(Pre-Commercial Procurement，PCP)[6]和创新工具的公共采购(Public Procurement of Innovation，PPI)[6]等。此外，通过创建一个专业测试组织，安装机器人单元，把机器人系统部署到实际环境中测试。

为了帮助中小企业参与“地平线2020”计划，委员会还将在一些中小企业中推广应用机器人技术，专注于中小企业机器人的研究开发和创新。这对机器人技术推广至关重要，将推动欧洲机器人应用目标的实现。

机器人在社会生活中的应用领域如图7 所示。

图7 机器人工作领域图[7]

欧盟“SPARC”机器人计划的研究内容对国内相关研发有一定的借鉴之处在于：在制定保障措施和标准、规范和立法时，需要考虑系统设计过程的机器设备和技术。系统的模块化设计方法可能成为主流，即通过整个系统而不仅仅考虑单独的组件来解决问题。上述分析问题的方式基于以下假设：在短期，机器人和人类将协作工作，特定情况下将直接交互；在中期，机器人和人彼此在工作中和在家庭中合作和共享空间；在长期，机器人将执行更复杂的和有持续监督要求的任务，人类和机器人日益复杂的交互将变得更加频繁。

4 案例与思考

每一个广阔的市场领域都包括一些一起成立的用于服务支持和基础设施管理的公司，机器人领域的市场也一样。同时，机器人将影响多个业务领域的发展，可以提供额外的利益或创建新的产品类型。机器人有可能从制造业到医疗保健业改变许多地区的机器人应用市场，如机器人可能成为救命的手术工具、智能康复训练师以及在物流方案中可靠的搬家公司等。以下是机器人应用的五个典型成功案例及若干思考，可进一步感受到机器人技术的积极作用。

案例1：十年前彼得公司装配制造业75%的组件外包到亚洲。近些年，虽然外包的组件定价不错，但其设计需要很长时间才能完成，成本相应上升，而且近年来客户开始需求更多的定制产品，设计风格每年都不断变化，企业间的竞争加剧，业务变得困难。所以，彼得决定重新投资自动化设备，这是个艰难的决定，工厂需要变革且业务需要重组，自动化制造业所需的新技术也是必需的。设计和生产能力上的新改变，使产品在质量和价格上竞争不断，这就需要彼得在技术上开辟新思路。彼得成功应用了机器人技术，他采用多个机器人作为自动销售人员，还有一些机器人用来生产容易生产的手工组件。机器人的应用使其业务效率大幅提高，效益也相应增加，自此开启了由机器人高度灵活操作的自动化制造企业，企业成功实现了转型[6]。

启示1：机器人的使用是组件生产中的关键因素，同时为提高制造业竞争力，减少生产成本等方面提供了一些方法。在欧洲制造业中应用机器人可以减少产品的交货时间，机器人组装技术的低成本又允许更大程度地适应产品定制和价格的变化。机器人市场通过多样化的应用实现了强大的增长预期，并以较低的应用成本成功进入了欧洲制造行业。

案例2：现已有相当数量的机器人应用在农业上，少量已经成功实现自动化，优势是显著提高了农产品产量、增强了人们在土地使用、环境影响和管理等方面收集数据的能力以及对作物和牲畜评估的能力，提供了增加效率的机会。如水果蔬菜收获机器人技术进一步提高了现场加工和包装的效率，使用自动或半自动农用车辆进行通信和运输可使农作物运输效率得以提高，确保产品更高效地流入包装和分销系统。

机器人可以在最佳条件下选择性收获农产品，以此来提高农产品的质量，还可将农业机器人应用在农作物数据加载、农场情况统计、产量监测、土壤条件分析等方面，所有的统计数据随着农业机器人的使用形成“大数据”农业，进而促进农业的大发展[6]。

启示2：农业机器人需要一些特别的技术，如土地质量检测和土地分布规划、评估识别农作物和牲畜的生存条件、农产品的生产和加工处理、农场之间运输车辆的协调等。这些特别的技术让农业机器人的应用领域越来越广，其技术也越来越完善。

案例3：卡尔是商检部门副经理，负责在大型集装箱港口装卸来自世界各地的船舶货物，新规定需要他对海水污染、进口物品限制、船舶安全等进行持续不断的检查和监控。他负责检查和监督500000km2的入港海面水域的情况。有一次，海水污染监测船在一个繁忙的码头发现了漏油事件，此时急需监控水下泄漏的程度及泄露水域的面积，卡尔请求获得其他三个监测工作部门的帮助，当污染水面随着洋流和潮汐漂移而呈现出泄露景象时，他及时派遣了5 架飞行机器人（无人机）进行泄漏量评估。无人机在石油污染监测终端进行了水下基础设施的检查、运输通道的维护，从而避免了航运中断。无人机的应用成功实现了对危险泄漏量的监测和评估工作[6]。

启示3：许多市场都使用机器人进行环境监测：监测区域内的人员和货物，监测空气质量和工业过程排放的水质。在民用基础设施如桥梁、水库、电线等方面，机器人可以更有效地提供帮助，进而提高检测人员的工作能力。基础设施机器人还可以对核反应堆执行维护任务，继而显著延长反应堆的寿命。机器人也可以用在其他民用基础设施上，如对公路和管道进行维护，从而尽可能地降低成本。

案例4：日常生活电器如地板清洁器等，提供了机器人应用的可能性。许多地板清洁部门的产品供应商在积极寻找机器人应用的可能性，机器人可能成为地板清洁领域的第一选择，然而在其他电器市场的渗透率还处于较低水平，如门窗玻璃清洁器。

机器人技术在电器消费市场的应用还是有巨大潜力的。电器市场的应用对机器人技术提出了更高的要求，尤其是在人与机器人交互密切的电器上。早期的应用可能仅仅集中在流动性援助上，后期将会扩展到涉及人体功能各方面，老龄化社会提供了一个此类机器人技术需要迫切开发的环境。

启示4：强烈预期，机器人技术的应用将使国内机械市场未来十年加速发展，应用的低成本和技术的可靠性是其主要驱动因素。机器人技术也将进入其他可应用的市场，如在娱乐和教育中的发展应用，机器人手臂和半自主残疾轮椅辅助机器人已经存在于市场中，可以预见，机器人技术的应用会越来越广泛。

案例5：家用电器机器人主要通过处理日常琐事来节省人的时间。为了达到有效目的，这些机械装置必须功能可靠，一旦兴起将加速电器市场的发展，并且这些功能将被人们更为频繁地使用。在教育中，应用机器人帮助孩子们学习科学技术已经很常见，并且有可能扩展到其他方面，如机器人有可能成为体育教练等。同时，应用机器人来监测和协助空巢老人，对于应对老龄化社会有很大作用[6]。

启示5：在某些领域，应用机器人技术可以解决很多方面的社会挑战，如：不同人口结构的变化、健康和福祉、食品生产、运输和安全等领域。在每一个挑战中，机器人都有机会发展其技术能力。因此，家用机器人将在方便人们生活和促进社会进步方面发挥不可替代的作用，机器人技术将会走入寻常生活之中。

6 结论和讨论

欧盟“SPARC”机器人研发计划的实施对世界机器人市场有重要的引导作用。机器人技术将应用在各行各业之中，这些应用对于建立机器人行业的信心具有积极的影响，虽然这些影响现在还难以预测，但到2020 年机器人应用前景的趋势是可以预见的。机器人技术在医疗保健、物流、农业和小规模生产中对于效率和服务收益的提高是明显的，欧盟“SPARC”机器人研发计划取得成功，将会推进机器人技术的发展和普及。

在世界机器人发展日益迅猛的背景下，我国机器人技术也取得很大进展，但还存在一些问题[4]。目前，虽然我国机器人领域的从业人员付出了很多努力，但整个国家的机器人技术和产业现状并不乐观，针对当今机器人市场发展的大趋势，我国也应该采取相应的发展策略。

在国家组织管理层面，要有长期稳定的投入和行业的加强管理，推动官、产、学、研、用等多方的合作和沟通，推进我国机器人产业有序健康发展。工信部曾专门发文（《工业和信息化部关于推进工业机器人产业发展的指导意见》）对我国工业机器人产业发展进行规划，管理部门还需要进一步结合我国国情进行顶层设计。

在国内技术突破层面，需开展机器人系统本体及其关键器件的设计分析、制造工艺、试验检测、标准规范等核心技术研究，攻克伺服电机、精密减速器、伺服驱动器、末端执行器、传感器、人机界面等关键单元技术；此外，需要加强机器人领域微纳米制造、人工智能、网络控制、人机融合等前沿技术的梳理和预先研究，实施技术成熟度管理，增加自主技术储备；研发工作可以借鉴欧盟机器人产业发展的公私合营模式，缩短资金、技术和市场三者之间的距离。

在国内产业发展方面，充分发挥现已成立的机器人产业技术创新战略联盟的作用，减少低水平重复和盲目投资，集中优势研究力量实现核心部件国产化、自主化，实现龙头企业规模化、配套企业集群化，大幅度减低成本和价格。

在国际竞争层面，国内机器人领域内的主要研究机构和企业需要主动走出国门，加强与相关国外企业或机构的联系，以合作、投资、控股并购或收购等方式利用国外的已有技术和市场，带动自身的发展。

[1] Uwe H.€2.8 billion to strengthen EU lead in robotics [OL],[2014-05-28]. http∶//www.eu-robotics.net/cms/upload/PPP/28_05_2014_SPARC_Press_Release_English.pdf.

[2] Uwe H. Advancing robotics in Europe∶ the role of innovation management[OL].[2014-06-11].http∶//www.roboned.nl/sites/roboned.nl/files/Eindhoven Innovation V2.pdf .

[3] Uwe H. SPARC∶ The European robotics initiative[OL]. [2014-10-10]. http∶//ec.europa.eu/digital-agenda/events/cf/ictpd14/document.cfm?doc_id=30469 .

[4] Gao Y, Liu J G. China's robotics successes abound[J]. Science, 2014, 345(6196)∶523.

[5] Renaud C. The public private partnership in robotics[OL]. [2014-06-11]. http∶//www.eu-japan.eu/sites/eu-japan.eu/files/SPARC.pdf.

[6] Renaud C.The European strategic research agenda for robotics[OL]. [2014-10-29]. http∶//www.gdr-rob2014.org/view.php/20141028- SPARC.pdf

[7] euRobotics AISBL. Strategic research agenda for robotics in Europe 2014-2020[DB/OL]. [2013-10-11].http∶//www.eu-robotics.net/cms/upload/PDF/SRA2020_ 0v42b_Prinable.pdf.

[8] euRobotics AISBL. Promoting excellence in European robotics. [DB/OL]. euRobotics AISBL.(2010-01-01)[2015-03-31]. http∶//www.eurobotics-project.eu .