探究智能机器人未来动向

□文/高 峰、郭为忠、何俊

探究智能机器人未来动向

□文/高 峰、郭为忠、何俊

人类社会始终朝着自动化和智能化方向发展，机器人研发、制造和应用将成为衡量国家科技创新和高端制造业水平的重要标志，是国家科技发展的战略需求。智能机器人的下一步发展将体现在作业能力、人机交互、安全性等诸多方面的提升和改进上。我国在智能机器人核心技术方面还存在较大瓶颈，但同时也具备天然优势，应抓紧利用产业浪潮加速发展，实现反超。

自1959年世界上第一台工业机器人问世以来，“机器人学”已取得重大成就，并开始在制造业、服务业、医疗保健/医疗、国防、太空等各个领域广泛应用。2013年，麦肯锡全球研究所发布了《引领全球经济变革的颠覆性技术》报告，将先进机器人列入12项技术之中。“机器人革命”有望成为“第三次工业革命”的一个切入点和重要增长点，将影响全球制造业战略格局。

四点动力推动产业发展

第一，制造业劳动力价格越来越高，而产品价格却越来越低，企业需要利用机器人改变传统制造业依赖密集型廉价劳动力的生产模式；

第二，人类寿命和生活质量越来越高而能够提供老龄化服务的人力资源却越来越少，人类需要利用智能化机器设备提供优质服务；

第三，自然和人为灾害以及战争仍频繁发生而人类难以适应此类环境，人类需要机器人代替人来执行任务；

第四，人类探索深海、太空等极端环境的活动越来越频繁，而人类在此类环境中的生存能力低且代价高，需要利用机器人实现远程交互作业。

机械的使用放大并延伸了人的四肢能力，计算机的使用提升了人脑的功能，机器人的使用将大大拓展人类的综合能力，机器人时代即将到来。

传统与现代需求迥异

传统的工业机器人适用于结构化环境，完成重复性作业任务，而现代机器人则希望同人类一起在相同的非结构化空间和环境中协同作业，实时在线完成非确定性的任务；传统机器人属于多输入和单末端输出系统，而现代机器人则属于多输入和多末端输出系统；传统机器人在灵巧作业、在线感知、对人的行为和抽象命令的理解、认知与决策能力等诸多方面远逊于人，无法与人实现高效的沟通和交流。由于目前的机器人示教和规划困难，且缺乏有效的安全机制，因此，现代机器人将面临如何与人互助作业、如何服务人类生活、如何实现人机交互与自律协同的控制等一系列技术挑战。

国际发展态势迅猛

2013年，美国发表了《从互联网到机器人——美国机器人发展路线图》，预测机器人是一种能像网络技术一样对人类的未来产生革命性影响的新技术，拥有改变未来的巨大潜力，有望像计算机设备一样在未来几十年内遍布世界的各个角落。机器人将成为人类的重要帮手，在解决人类面临的可持续制造、社会老龄化、医疗/健康服务、极端环境服役等众多挑战中发挥至关重要的作用。

工业机器人在美国出现之前，受当时计算机、控制器、驱动与传动等单元配套技术发展水平的制约，机器人处于低潮期，进步缓慢。上世纪60年代后期，工业机器人被日本引进后得到了快速发展。在劳动力短缺、产业升级、政策支持等形势下，日本机器人产业在20世纪70-90年代出现了爆发式增长，造就了日本工业机器人产业发展的黄金20年，并反超美国成为世界第一机器人强国，支撑日本成为世界制造强国。

21世纪以来，世界各工业强国均将机器人列入优先发展行业。

2011年，美国开始推行“先进制造业伙伴计划”，旨在通过发展工业机器人重振美国制造业，并投资28亿美元开发基于移动互联技术的新一代智能机器人；2012年，为配合“制造业回归”和“再工业化国家战略”，美国国家科学基金会提出“国家机器人技术计划”，发展能与人类合作的新一代机器人。

2012年10月，韩国发布了“机器人未来战略展望2022”，支持扩大韩国机器人产业并推动机器人企业进军海外市场。

2013年，德国提出“工业4.0”计划，支持基于机器人技术的“虚实合一”的制造系统发展规划。

高 峰 上海交通大学 智能步行机器人研究中心 教授

郭为忠 上海交通大学 智能步行机器人研究中心 教授

何 俊 上海交通大学 智能步行机器人研究中心 讲师

2014年6月，欧盟启动全球最大的民用机器人研发计划（“火花”计划），2020年前投入28亿欧元研发民用机器人，增强欧洲工业竞争力。

日本制定了机器人技术长期发展战略，将机器人产业列入“新产业发展战略”中7大重点扶持性产业。2014年9月，日本政府召开“机器人革命实现会议”，着力推进医疗、看护、农业及建筑工地等领域的机器人发展，5年内力争实现机器人普及、提高生产效率、解决劳动力短缺等问题。2020年使制造业领域的机器人市场规模翻番，非制造业领域扩大至20倍。

我国台湾地区提出机器人技术发展三步走战略，短期重点聚焦制造业机器人、促进制造业产业升级；中期侧重环保节能理念，重点发展LED与PV（太阳能光电）等新兴绿色产业用机器人。长期侧重人性需求，重点发展医疗与观光服务业机器人。

图1 智能机器人系统组成

我国正迎头追赶

我国工业机器人起步于上世纪70年代初，但因劳动力资源丰富、技术落后等原因使其发展十分缓慢。上世纪80年代中期，随着我国改革开放逐步深入，开始大力发展机器人。“七五”计划中，机器人被列为国家重点科研规划，“863”计划启动时便设立了“智能机器人主题”。近二十年来，我国机器人技术取得了显著进步，1000米水下机器人、6000米水下机器人、高压水切割机器人、机器人自动化汽车冲压线、激光加工机器人、手术机器人、重载锻造操作机器人、多足步行机器人、人形机器人等相继问世。我国机器人应用领域也不断扩大，已从汽车、电子等制造行业，逐步向食品、医疗、服务和国防等领域扩展。进入新世纪以来，随着劳动力成本的大幅上涨，我国制造业对机器人的需求不断加大，未来我国的产业转型升级、社会老龄化应对、国防装备升级均需要大量的机器人。我国机器人产业已取得了一定程度的进步，在机器人整机设计与制造方面积累了一定经验，形成了一支较为庞大的基础研发队伍。我国工业机器人本体制造技术较为成熟，但与庞大的市场需求形成鲜明对比的是，我国机器人技术总体发展仍相对落后，国内机器人市场绝大部分为国外公司所占据，仅瑞士ABB、日本发那科及安川电机、德国KUKA四家公司就已占据国内市场大部分份额。目前，国内机器人核心技术缺失，减速器、驱动与控制等核心部件主要依赖外购。机器人自主设计与创新能力不足是我国机器人产业发展的瓶颈。

一般来说，智能机器人包括机构、结构本体、驱动传动、能源动力、感知等系统。机器人核心部件包括伺服电机、减速器及控制器、驱动器及传感器。

图2 谐波减速器

谐波减速器一般用于轻型机器人或机器人腕部关节，由波发生器、柔轮和钢轮组成，具有减速比大、齿隙小、精度高，零部件少、安装方便及体积小、重量轻等优点。目前，国际上谐波减速器市场几乎被日本Harmonic公司垄断，因此该公司具有定价权。国内谐波减速器研究起步较早，如北京谐波传动技术研究所早在上世纪六、七十年代便开始了谐波减速器的研究。由于市场问题，该项研究进展较慢，但积累了较多的研发经验。近年来，国产谐波减速器开始迅速发展，国产谐波减速器开始在国产机器人产品上得到越来越多的应用。

RV减速器一般用于机器人的肩关节，用于传递较大的扭矩。目前，该领域的国际市场也被日本的Nabtesco公司所垄断。国内在RV减速器制造的一些关键技术上还有待提高，比如，针孔壳要求确保数十个半圆孔的圆度及同心度。工业机器人的控制系统一般包括伺服层、主控层及操作层，其中伺服层包括伺服电机、驱动器等，主控层包括控制器、编码器、力传感器等。目前，国内机器人在伺服层和主控层的核心技术上均存在一定程度的制约。

控制系统方面，欧系机器人一般采用伦茨、博世力士乐等控制系统，其具有过载能力强、动态响应好、驱动器开放性强等优点；但价格昂贵，日系机器人一般采用安川、松下、三菱等品牌的控制系统，相对欧系控制系统来说动态性能偏弱，但具有价格优势。近年，一些国产控制系统中也逐渐开始在工业机器人产品上得到应用。

图3 机器人控制系统组成

总体来说，机器人理论及关键技术研究是我国工程领域长期面临的科学挑战，需要解决机器人与作业任务和环境的适应性、人机交互与自律协同控制、信息采集与传输机制等科学问题，突破减速器、感知驱动与控制等关键技术及核心部件等技术瓶颈，确保我国在下一轮机器人发展大潮中处于不败之地，机器人理论与关键技术研究是国家的重大战略需求。

智能机器人技术走向何方

机器人技术涉及众多领域，具有多学科交叉和融合等特点。机器人正在逐步发展成为具有感知、认知和自主行动能力的智能化装备，是数学、力学、机构学、材料科学、自动控制、计算机、人工智能、光电、通讯、传感、仿生学等多学科和技术综合的成果，其发展水平体现了国家高技术领域的综合实力。我国现阶段机器人的发展需要智能和自主作业能力的提升、人机交互能力的改善、安全性能的提高，解决制约“人-机交互”、“人-机合作”、“人-机融合”的瓶颈，突破三维环境感知、规划和导航、类人的灵巧操作、直观的人机交互、行为安全等关键技术。

智能机器人技术发展的三个目标：

第一，加强工业机器人整机设计理论与方法研究，寻求新思维，突破驱动、传动、感知与控制等核心基础部件的技术瓶颈，提升机器人操作的灵活性、在线的感知能力；

第二，加强服务机器人的研究，提升机器人理解人的行为和抽象指令、人机沟通与协调合作能力，建立机器人安全机制；

第三，针对在核辐射、军事战场、自然和人为灾害等危险甚至不可达区域执行任务的需要，开展特种机器人的研究，解决在线实时人机交互、动态未知环境中自主作业等问题，实现机器人与人共处同一环境空间互助作业，为开发国家亟需的现代机器人提供科学理论和关键性技术支撑。

为了实现上述发展目标，我国智能机器人技术发展需要针对现代机器人出现的“人-机交互”、“人-机合作”、“人-机融合”等发展趋势，解决三个主要科学问题。

第一，揭示机器人与非结构化环境、不确定性作业任务的适应性规律，为现代机器人创新与设计提供理论基础；第二，揭示机器人理解人的行为和抽象指令的机理，为智能机器人构建人机沟通及安全机制提供理论依据；第三，揭示人机交互与自律协同控制原理，为机器人人机协调合作提供技术支撑。

此外，一些有较强应用前景的新型特种机器人设计技术也值得关注，如：海底管道安装、检修与维护机器人；海底石油管道泄漏抢险机器人；海底打捞与作业机器人；地震搜救与作业机器人；井喷救灾机器人；核电维护和退役与救灾机器人；消防救援机器人；外星探测与作业机器人；山地运载机器人；自主步行作战机器人；移动式制造机器人系统；多指多臂多智能体制造机器人系统；康复、健身、医疗、家庭护理机器人；别墅区安保机器人；人机合作建筑作业机器人等。

未来充满希望

机器人已从早期的工业机器人发展为种类繁多的现代工业机器人、特种机器人和服务机器人。虽然工业机器人已广泛应用于各大门类工业领域，但主要在结构化环境中执行各类确定性任务，面临操作灵活性不足、在线感知实时作业弱等问题；服务机器人是应对未来全球人口老龄化趋势加剧的核心手段，存在无法接受抽象指令、难与人有效沟通、人机协调合作能力不足、安全机制欠缺等问题；特种机器人是代替人类在极地、深海、外星、核辐射、军事战场、自然和人为灾害等危险甚至不可达区域执行任务的重要手段，存在依赖离线编程、在动态未知环境中依赖人类远程操作等问题。机器人在智能和自主方面与人存在巨大差距，机器人的进一步发展必然要寻求作业能力的提升、人机交互能力的改善、安全性能的提高。当前，机器人正在从“传统机器人”走向“现代机器人”，呈现出“人-机”交互、“人-机”合作、“人-机”融合等明显的技术特征。现代机器人需要在三维环境中感知、规划和导航、类人的灵巧操作、直观的人机交互、行为安全等理论与技术方面突破与发展。

表1 三大问题包含的技术发展方向

我国机器人市场容量巨大、多样，这是国外机器人产业发展不具备的独特优势，正如我国消费电子、互联网行业的国产品牌正不断实现对国外行业巨头的超越，我国机器人行业也会在不久的将来创造新的奇迹。