与人共融——机器人技术发展的新趋势

□文/何玉庆、赵忆文、韩建达、于海斌、王越超、王天然

与人共融
——机器人技术发展的新趋势

□文/何玉庆、赵忆文、韩建达、于海斌、王越超、王天然

经过半个多世纪的发展，机器人技术已经对人类的生产和生活方式产生了深远影响，并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。当前，国际机器人技术新的发展趋势是什么？与人共融机器人的基本概念及内涵是什么？我国机器人技术发展又面临哪些机遇与挑战？这些问题亟待我们思考和解决。

自上世纪中叶起，机器人技术经历了半个多世纪的发展，已经深入到人类生产、生活的各个方面，给人类社会发展带来重大变革。进入二十一世纪后，在科技水平的快速发展以及人们日益增长的需求的共同作用下，机器人技术得到了空前的关注，被认为是新技术革命的核心。

“制造出像人一样的机器”几千年前就已经是人类的伟大愿望，但目前，人和机器人仍然是一种使用和被使用，替代和被替代的关系，机器人更多的作为一种功能替代工具出现。

新的社会发展趋势表明：未来新一代机器人系统将从更多的方面模仿人，尤其是，机器人与人之间应更多地表现出一种和谐共存、优势互补的合作伙伴关系，即：与人共融是新一代机器人系统的最本质特征。

2013年，麦肯锡全球研究所发布的《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，并预计2025年潜在年度市场影响力约1.7万亿美元~4.5万亿美元。正是看到了机器人对经济、社会发展的重大推动作用，近年来，机器人技术的发展得到了全世界的空前关注，世界发达国家纷纷将机器人作为国家计划进行了细致的梳理和规划。

2013年出版的美国机器人发展路线图，将机器人列为继互联网之后可能对人类社会产生深远影响的技术。而欧盟早在2006年就成立专门机构，对欧洲机器人技术的发展进行了长期、细致的研究，并于2014年1月颁布了机器人发展路线图，用以指导欧洲各国机器人技术与产业的发展。

机器人技术发展的国际新趋势

美国于2011年启动了先进制造伙伴计划（the Advanced Manufacturing Partnership，AMP）。其中明确指出：“下一代机器人将与人类操作者紧密合作，为产业工人、健康服务者、士兵、手术医生以及宇航员等完成复杂任务提供新的能力”，这是迄今为止国家级计划中，对下一代机器人功能内涵的最清晰描述。

欧盟于2006-2008年制定的CARE计划（Coordination Action for Robotics in Europe）结合6个方面应用，对机器人技术的发展给出了较清晰的路线图。以此为基础，欧盟第七框架计划（2007-2013）归纳出下一代机器人的核心特征：安全、自主的“人—机器人—物理世界”的交互，并给出了其所包含的7方面共性关键技术：柔顺机电系统设计、实时认知、交互式控制、人类行为的学习与理解、反应式行为产生、适应人的任务规划、安全技术。在2013年4月德国推出的工业4.0计划中指出：智能工厂、智能生产是第四次工业革命的主题（图1），而这种“智能”的物理实体就是机器人，通过智能机器人、机器设备以及人之间的相互合作，提高生产过程的智能性。

图1 历史上的四次工业革命

日本机械学会将机器人作为其十个重点发展方向之一。把机器人的智能划分为五个等级。级别1为非自主运动；级别2为弱自主运动；级别3为部分自主运动；级别4为半自主运动；级别5为完全自主运动。1990年以前的机器人处于级别1，只是简单的“示教再现”，几乎没有智能；1990-2000年，机器人的进步主要体现在开始使用视觉传感器以及离线示教技术，其智能水平处于级别2~3；2000-2010年，随着视觉技术的进一步发展以及部分环境认知技术的采用，机器人智能开始突破第3级；2010-2020年，机器人将有望完全突破并进入第4级范畴，即：认知能力与灵活的物体操作、与人的合作交互以及弱化机器人的定位需求，并减少示教时间；在2020-2030年，要重点突破无示教作业、完全环境认知，推进机器人突破级别4。

图2 美国通用汽车公司（GM）的自主机器人与人合作发展预测

除了上述国家级的规划，作为传统工业机器人的使用大户、也是使用期最长的用户，美国通用汽车公司（GM）给出了下一代机器人的发展期望（图2）。机器人的前50年（上世纪五十年代中期到2008年）只是个开端，后续的发展包括：灵活的感知（二岁儿童的目标认知能力）、人与机器人之间的主动交互（四岁儿童的语言理解能力）、通过触觉和力觉反馈实现灵巧/细致的操作（六岁儿童的灵巧操作能力）、与人的安全交互以及理解知识（八岁儿童的社会理解能力）、人-机器人和谐工作。GM明确指出，下一代制造业的使能技术是具有人的能力的机器人。

“替代某些人类功能”还远远不够

从上一节关于机器人的国际发展趋势的分析不难看出，各国纷纷将机器人的发展趋势与人与机器人之间的关系建立了紧密联系。为此，我们有必要重新梳理一下，在机器人发展的历史中，人与机器人之间的关系如何？

机器人诞生于上世纪中期，经历了半个多世纪的发展，截至目前，大部分机器人系统遵循一个基本的设计宗旨：在人类不可达、以及不适合于人类生产生活的环境中，代替人高效率、高精度、高可靠地完成使命。传统的工业机器人，以及以空间、深海探测为代表的专业服务机器人，很好地贯彻了上述宗旨。工业机器人在汽车生产线上的大规模应用，极大地提升了生产效率，降低了成本，为缔造以汽车为代表的当代物质文明作出了重大贡献；机器人代替人登上了火星、月球，深入万米的海底，为人类探索不可到达的未知世界，发挥了不可替代的作用。到目前为止，机器人的设计更多地是代替人完成某种类人的功能。然而，进入二十一世纪，环境、资源、老龄化等关乎人类可持续发展的重大问题，正在迫使人们重新思考机器人在人类生产、生活中的地位。

过去的五十年中，大规模消耗资源、粗放式的生产、消费模式，给人类社会的发展带来了巨大动力，但随之而来的资源匮乏、环境污染等问题，对整个世界的发展也带来了极大挑战。在此背景下，绿色制造、再制造、柔性制造、个性化制造等新的制造模式正在成为制造业的发展方向。在刚性生产线上高速、高精度地完成重复性使命的传统工业机器人难以满足这些新制造模式对自动化、智能化装备的需求，研制新一代工业机器人理所当然就成为传统制造业强国要保持其地位的迫切需求。

同时，除制造业以外，各发达经济体、以及像中国这样依赖相对廉价劳动力快速发展的新兴经济体，其人口老龄化引发的社会服务及民生问题迫在眉睫。截至2013年，我国有逾8000万的残障人士和超过2亿的老龄人口，如何提升残障人士的生活质量、解决未来劳动力短缺和老人护理等问题，已经成为我国经济持续发展所面临的巨大挑战。研制新一代家庭服务机器人，被认为是解决此类问题的一个主要手段之一。为此，人类需要一种智能化的装备，不仅能够更大程度、更广泛地代替人类从事生产劳作，而且能够直接服务老年人、辅助残疾人。

然而，尽管机器人技术已有近60年的发展，但其一直未能脱离自动化机器的范畴；人和机器人仍然被定义为使用和被使用，替代和被替代的关系；机器人在设计过程中很少考虑与人在同一空间的紧密协调合作，使得如本质安全、人机协同认知和行为互助等基本问题，没有得到很好地解决。综上分析，现有机器人技术与新需求之间的差距如下表1所述。

表1 机器人技术新需求

从上表可看出：目前被广泛使用的机器人，是一种与人隔离的、几乎不具备人的智能能力的自动化机器；而下一代机器人将是可以融入人的正常生产生活环境、可以与人合作交互、具备人的灵巧作业以及智能决策能力的智能化机器。要想满足社会发展的新需求，未来新一代机器人，必须从根本上反思现有的设计理念；机器人与人之间的关系应该摆脱使用与被使用、替代与被替代的禁锢；应从机器人融入人的生产、生活环境，与人优势互补、合作互助的角度，重新审视其核心技术的发展理念，研究、发展新的机器人理论与技术，即：与人共融机器人。

与人共融机器人的四大挑战

传统机器人的能力特征，可以归纳为：人机物理空间隔离、机器人与人非接触、预编程自主能力、示教盒/遥控器交互。与之相比较，“与人共融”机器人的核心特征是：人机同一自然空间、机器人与人自然交互、配合人的需求、学习人的技能、与人协调互补、确保人机物安全。

在人与机器人的关系上，人的优势是智能，包括思维与逻辑推理、学习与技能增长、经验与快速决策等；而机器人的优势是作业能力，包括速度、精度、负重、重复一致性、耐疲劳、连续作业等。要使二者协调形成优势互补，亟需机器人在能力上突破四个方面的挑战。

图3 德国KUKA新一代工业机器人

其一是环境挑战。传统机器人只能在人工布局及可控的、预先已知的环境中工作，具有静态、结构化、已知、确定性等特点。而新领域要求机器人在自然（非人工）、不可预知动态、复杂的环境中完成使命，对机器人的感知、认知、决策能力提出了更高要求。

其二是任务挑战。传统机器人只能完成固定时序、重复性工作，以高速、高精度为主要指标，自主性，适应性，学习性差。新一代机器人任务目标及指标更加多样、操作灵活性要求更高、任务变化更频繁、人机合作程度加深、任务过程更复杂多变。机器人在控制、认知、自主学习等方面，面临挑战。

其三是行为及安全挑战。传统机器人在物理空间上基本与人隔离，但随着机器人进入人类社会，与人之间的物理界限逐步消失，安全成为必须考虑的问题。人和机器人将频繁接触，机器人在行为过程中要求确保人-机-物的安全，而机器人故障、人类误操作、其它设备故障不可避免，如何保障这种行为的安全性，对机器人机构、控制、感知等技术提出挑战。

其四是交互挑战。目前，机器人作为专用的生产设备，由培训良好的技术人员操作，其人机友好性低、鲁棒性差、智能程度低、真实感弱。一旦机器人成为非(机器人)专业人员的助手、甚至进入普通人的生活，对人机交互即提出更高要求，包括：以人为中心，提高宜人化水平；提供语音、手势、表情等多交互手段；具有人类意图理解的能力；通过虚拟现实等手段增强操控过程的临场感；以网络为媒介实现更广泛的信息交互等。

图4 达芬奇微创手术机器人

与人共融机器人的三个内涵

上述四方面挑战，是机器人与人融合中亟待突破的瓶颈问题，也是目前国际机器人学领域研究的重点。“与人共融”是新一代机器人最本质的能力特征，是解决工业、民生、特种服务等领域对机器人技术新需求的核心。所谓与人共融机器人，是人与机器人关系的一种抽象凝练，它包括以下三方面内涵。

其一为智能融合。通过人与机器人在感知、认知、决策等不同层面上的互补，提升人机共融系统的智能水平；其二为行为协调。在紧密接触的情况下，人与机器人在行为上一致、协调、互助；其三为任务合作。在人机共享动态环境下，人与机器人相互配合共同完成一个指定的任务。

例如，在工业领域，新型的“与人共融”工业机器人，应该能够融入“有人的生产线”，配合产业工人共同完成动态生产任务，即任务合作；在民生服务领域，新型的“与人共融”服务机器人，应该能够融入普通人（老人、残疾人、家庭主妇等）的工作和生活，为其提供必要的行为辅助，即行为协调；对于特殊服役环境下的作业，新型的“与人共融”特种机器人，应该能够融合人的智能，降低对人在回路遥操作的依赖，提升完成使命的效率，即智能融合。

美、欧、日等国家和地区，已经开始重视新一代与人共融机器人系统的研究，并研制出一些新一代机器人样机雏形。在工业领域，研制出具有柔顺机械臂及多指灵巧手的机器人、与人近距离工作确保安全性的机器人（图3）；在医疗领域，机器人直接操作的对象是人体组织器官，完成更小（微创）手术切口、甚至自然腔道介入的手术作业（图4）；在康复领域，研制出可以穿戴的、与人体直接耦合在一起的康复以及行为辅助机器人（图5）；在特种应用领域，研制出可在地面、空中、水下作业的多种类型的国防机器人、以及在人类不可达区域（特殊服役环境）移动作业的机器人（图6）。

图5 上、下肢助力机器人

图6 美国研制的空间站作业机器人

与人共融机器人研究中的关键技术

如前所述，为了使人-机器人二者协调、能力互补，突破现有机器人在环境适应性、任务适应性、安全性、交互能力等四方面的挑战，研究新一代与人共融机器人已刻不容缓，而这方面的研究面临的技术瓶颈，主要包括如下五个方面。

其一是行为合作的机器人机构与本体技术。传统机器人的关节，一般为刚性机构，由这种刚性传动构成的机器人系统在与人合作时存在严重的安全隐患，因此，研发具有本质安全性的柔性机构是保证人-机器人合作首先需考虑的问题；同时，利用新的轻型材料代替现有的机器人钢铁结构，也是提升机器人本体性能和与人共融时安全性的关键技术。此外，现有机器人系统的驱动方式，多采用电机、液压等方式，驱动效率低，这就需要探索全新的驱动机理，发展高效安全的驱动装置。该部分的具体技术瓶颈包括：灵活操作机构与控制、新型类肌肉驱动与本体材料、柔性驱动与控制、新传感机理与器件等。

其二是机器人对环境、以及人行为的感知与理解技术。机器人理解环境、理解合作者意图与需要，支撑安全、协同、互助工作。为了实现机器人与人在同一物理空间安全共存、紧密合作，机器人需要具备对人机共享环境、以及合作者需求的实时/准确感知、建模与理解的能力，从而为协同行为与决策提供依据。这其中，标识物辅助的人的行为判断、非结构/动态环境的数学描述与理解、多感知信息的融合理解、仿生视觉感知与认知等均是其面临的挑战性技术。

其三是人机互助优化决策与自主学习技术。突破机器人只能在人为设定任务框架下进行决策的局限，实现机器人知识经验的积累、智能发育。这方面的研究，包括三方面技术难题：基于人脑智力形成及发育机理的类人智能行为建模；知识的获取、表示与抽象方法，以及可实现知识存储、更新及在线检索的智能发育模型及自主学习技术；面向与人共融机器人平台的自主知识获取，及人机智能行为协同与决策等实用化技术。

其四是行为方式与安全机制技术。解决机器人在人机共享环境下的安全自主行为方式问题。与人共融的新一代机器人，需要工作在日常的、非结构化的、动态的环境中，此时机器人自主行为能力低下的问题日益突出。因此，基于对合作者需求、操作对象、所处环境的态势认知，研究包括安全行为的实时（重）规划、确保人机物安全的刚-柔智能切换控制等自主行为技术，构建人机协同时的安全机制，对于发展新一代与人共融机器人的行为能力和安全性具有重要的作用。

其五是人机自然交互技术。研究多模态人-机自然交互方法与技术，突破机器人只能利用专用设备进行人机交互的局限。具体包括：非编程的、人-机器人直接示教技术，基于语音指令集及机器人自主识别的语音交互技术，基于手势/姿态指令集及机器人自主识别的视觉交互技术，生-机-电融合交互技术，以及人机多层次指令融合技术。

我国在国家863计划、自然科学基金等支持下，也开展了新一代机器人技术与样机的研发工作，包括仿人机器人、四足仿生机器人、微创手术辅助机器人、康复机器人等。但与美、欧、日相比，我国的相关研究处于分散、非系统的状态，缺乏有针对性的总体规划与系统布局，缺乏专项的重点、持续支持；这导致我国下一代机器人技术水平处于相对落后（与国际顶尖水平相比）的状态，特别是在技术验证与示范应用阶段。因此，我国需要加强对下一代机器人技术与系统研发的专项支持，确立我国在技术源头上的领先地位，支撑后续产品化、产业化的良性发展，占领国际制高点。

何玉庆 中国科学院沈阳自动化研究所 研究员

赵忆文 中国科学院沈阳自动化研究所 研究员

韩建达 中国科学院沈阳自动化研究所 研究员

于海斌 中国科学院沈阳自动化研究所 研究员

王越超 中国科学院沈阳自动化研究所 研究员

王天然 中国工程院院士 中国科学院沈阳自动化研究所 研究员