共融机器人的基础理论和关键技术

□文/丁汉

共融机器人的基础理论和关键技术

□文/丁汉

未来机器人将有3个特征：1.机器人与环境的共融；2.机器人与人之间的协同；3.机器人与机器人之间的共融。将来，机器人可能具有多模态传感，能够更加理解人类的需求。未来机器人的发展具有非常广阔的前景，尤其是随着人工智能技术、新材料技术以及各方面应用技术的快速发展，机器人的明天会更加美好。

丁汉 中科院院士、机械电子工程专家，现任华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室主任，主要从事机器人与智能制造研究, 研究成果在航天、能源和汽车领域得到重要应用。

现在，制造业处于非常关键的转型阶段。这个阶段的挑战性会更大，面临的问题也会更多。我国制造业经历了从无到有、从小到大的过程，但是的如何解决从大到强这个使命，还是非常艰巨的，并且花费的时间也会比较漫长，所以，我们需要以平和的心态去面对。

产品创新是第一要素

目前，我国制造业发展参差不齐，表现为同一时期规模化、数字化，智能化并行。有些企业的产业水平较高一点，可能已经达到了部分数字化和智能化的要求，但是大部分制造企业还处于一个低水平阶段、人工作业的阶段。

在这个过程中我们如何能够创新驱动发展呢？我认为解决好产品创新是关键。因为，产品创新是引领制造，包括机器人技术的一个保障。所以产品创新应该是一个行业前进的命脉，一个产品可以带动一个行业的发展，同时，产品模式的创新也是很重要的。

但是，我国制造业整体的创新能力和关键技术与发达国家还有较大差距。近年来，我国开始高度重视创新能力的建设。2015年，国务院颁布了《中国制造2025》规划纲要，把中国制造提到国家战略高度，制造业转型升级与制造强国建设是我国未来立足于世界的必然选择。

《中国制造2025》核心是以智能制造为主攻方向。所谓工业智能化，发展起来可能会更加漫长一点，而且智能化跟传感技术、信息技术、人工智能技术、大数据技术等密切相关，所以智能化技术面临的挑战也会更多。每个企业的特点不一样，不是每一家企业都必须实现智能化。我觉得实现什么化并不重要，重要的是如何提高产品质量，提升工作效率，赢得市场。

一个企业首先得在市场上站稳脚跟，这点非常重要。基于有些企业所在行业的特点具有非常快速的变化周期，所以必须要驱动创新。通过现在的信息化手段，加强装备的性能和适应能力，同时使它在工艺知识上不断的积累。这是因为制造业很重要的一个特点就是要长期进行知识积累，而并不是购买了几台机器人就可以称之为智能化。

智能制造的发展应该具有一定的积累，智能制造最早得益于数字化，数字化是发展智能化的坚实基础，离开数字化来谈智能化就是空话。

随着互联网的出现，资源可以动态地存储，慢慢地通过一些方法，就能够实现智能化。智能化的体现可能在产品设计里更加重要，因为设计是灵魂，设计可以带动产业向前发展。从制造层面上来说，设计包括两方面——智能设计和制造过程。其中，制造过程是对状态进行感知、分析、决策，最后到执行。因此，智能制造不是一蹴而就的，也是分几个阶段进行，从最早的互联网资源共享到人工智能的出现，慢慢才走向智能化。所以，智能制造是个长远的坚持不懈的追求目标，而现在它还处在一个概念阶段。

智能制造有几个核心特征，我觉得最主要的就是通过数字化、智能化手段把客户的需求反馈到产品的开发、生产、服务中去，形成一个闭环的反馈，把每个步骤都串成一条整线。另外还有很重要的一条线，就是在内部设计、生产、物流到营销上也形成一条整线，实现智能制造就是要将这两条线集成起来。第一，客户到产品服务这条线要贯穿；第二，从设计到生产再到物流要贯穿。这个集成过程将是一个很大的范畴，每个人和每个企业只能做其中的一部分，所以希望企业都能参与进来，行动起来，共同推动智能制造的发展。

无论如何，这两条线里最为关键的核心还是产品的智能化。人们都知道智能的产品能给社会带来很大变化，就像人们常提到的大疆无人机。几年前，几个青年在深圳的小办公室里捣鼓无人机，并创立了大疆品牌。而今天，大疆已经发展成为市值六七十亿元的公司。目前，我国很多中低端产品过剩，但中高端产品却供不应求。所以好的设计能改变生活。我个人认为，智能制造很重要的特点就是产品的智能化。由于人们对产品的要求不断提高，企业的产品增加了智能的设备后，竞争力立刻会有所提升，所以，产品创新是重中之重。

离开了产品创新，单独谈智能制造，纯粹是概念炒作。

产品创新是必要的，也是一个过程。所以，人们应该思考智能制造该如何进行创新的过程，使它缩短周期，使创新更加方便。有的产品创新，无非就是设备外加传感器，而且还可以实现个性化定制生产。不过，还能做到更好。除了加传感器外，还可以输入一些算法，使其具有一定的自主性，跟人实现交互。虽然能够与人交互的机器人已经诞生了，不过这些产品还不够成熟。现在，大家都是在市场中摸索前行，寻找一条正确的产品创新道路。

当然，在智能制造的创新上的高校也做了较多的装备智能化。众所周知，装备加工过程中有很多状态，需要大量地积累，所以这是一个长时期的过程。很多国外的中小企业在装备领域做得很好，这是为什么？因为他们几十年、数百年就专注只做一件事。装备的智能化也是同样的道理，只有把装备做到极好，每个细节做到极致，中国的装备在国际高端市场才能有出路。

这样广阔的市场，也不是一蹴而就的。需要大量的融合，大量的实验，大量的抗干扰能力测试，把装备实验慢慢地做起来。装备的智能化道路对我国来说，还是条艰苦漫长的道路。

现在，车间智能化的建设可谓是蒸蒸日上。在数字化车间的建设上，很多企业做得非常好。数字化车间就是对每个状态信息进行采集，实时监测这个车间的需求，这对中小企业来讲，只是一个工作量的问题。但是，大型企业工厂的智能化做得相当不错。越大反而越好做，越小反而比较难。就像加工一个复杂零件，一个平面点要做到光滑可能花费十年时间都很难做成功，而数字化车间可能两年就做出来了。所以说，在制造过程中，有时很小的一件事情或许要花很长的时间才能得到解决。

智能制造核心技术在哪里

智能制造最核心的几个技术中，一个是数字制造技术，一个是传感技术。

先来说数字制造技术。数字化制造要求制造过程要有模型，还要有方针，包括产品的设计、创新设计以及数控技术，还有产品管理，企业协同技术等等，这些都是数字化制造的基础。离开了数字化就根本谈不上智能化。

第二个技术是传感技术。各式各样的传感器在企业里用得越多，企业掌握的信息也就越多。这些信息可能有嵌入的，有绝对的，有相对的，有静止的，有动态的，这些传感器是支撑我们获取信息的重要手段。它们可以灵活配置，非常方便，不像机床那样“傻大笨粗。”这些技术都很关键，都是智能制造非常重要的组成部分，并且快速推动着机器人的发展。

自1959年第一台机器人诞生以来，机器人在服务业、制造业方面发挥了极其重要的作用。工业机器人的最大应用在汽车领域，汽车制造用的机器人个头最大。现在慢慢扩大到老人护理、安保，太空勘探等领域，在各行各业发挥着不可替代的作用。

但是，目前机器人各方面感知能力都很差，只能在结构化的环境中工作。人机合作也都是进行简单的工作，特种机器人很多的交互过程是远远不能满足人们要求的。今天的机器人，它的功能和实用性与人类的愿望有很大差距，需要我们几代人为之努力工作，并且还要伴随着其他学科的进步共同推动机器人的发展，所以，大家对机器人的期望值不能太高。今年的世界达沃斯论坛谈到，机器人将是一场新的工业革命，将会成为经济领域新的增长点，并且会带来万亿美元的产值。

机器人的先进性是可以看出来的。世界各国都在制订机器人的计划，其实全球最大的机器人市场是在中国。随着《中国制造2025》的实施，我国在机器人应用发展上正在迎来新的机遇。机器人的发展历程，最早是模拟生命体简单的应用，慢慢地模拟生命体的智能自主决策，到现在机器人做得比较多的是模拟智能，模拟整个群体智能。

未来的机器人怎么发展，可能将会由现在的简单交互，发展到与环境、人的交互，机器人发展一定会呈现出这样的变化趋势。有两点可以肯定，无论机器人怎么发展，高速、重载，安全性是必须的。不管什么学科，例如机器人动力学、机器人传感、机器人结构、并联机构等，未来机器人的特点，一个是效率可靠、安全、力气大和灵活。另一个特点可能就是人与机器人怎样共融。机器人和人类共同把一件事情做好，而不是机器人代替人做好，人发挥人的优势，机器人发挥机器人的优势，两者相铺相成。未来的机器人要能够与人共融，实现自然交互，也能够适应复杂的环境，实现与环境的交互。

共融，一定是机器人未来的发展趋势

还有一个很重要的问题，就是机器人和机器人之间要相互了解。一方面，牵扯到个体的自主，能够独立地判断。另一方面，群体之间，有感知、认知博弈。当然，不管与人还是与群体之间的交互都很重要。将来，人可以通过和机器人舒服地接触来增强人体的感触，并且机器人能够精确理解人的问题，所思即所答。这是未来机器人主要的发展方向，也就是人们所说的融合。

呼吁一下，我国的机器人发展一定要深深地扎根在技术理论上。离开了技术研究，离开了基本问题的研究，机器人的发展就会缺乏后续动力。因此，机器人发展的动力一定来源于科学的发展。把科学发展的问题解决了，机器人的技术才会更进一步。

机器人将来的核心问题可能在三个方面。一个是机构，需要有这样的顺应性。另一个是外感知、多模态，机器人要对环境有所认知。还有一个是分布协调控制。这些都是支持我们改变机器人发展必不可少的一部分。所以，大家拼命做机器人产业的同时，也要建立机器人科学中心、机器人研发基地。离开了这样的科学中心，后续的发展就会缺乏动力。有了这些研究机构的支撑，我们才能在机器人的竞争过程中不会落后。

制造业的思考

制造技术的发展体现在很多方面，值得一提的是德国弗劳恩霍夫研究所，它的每个部门都只专注研究一个关键技术，然后把这个技术做透，能够在企业里应用，成熟度可以做到九成，这种模式非常好。就算得到政府长期的支持，但政府也只能提供研发经费的三分之一。所以，我有一点思考，因为自己做过一些国家支持的科研项目，但是有些技术为什么走不到市场上去，这里可能有两个问题。一个是，高校老师太关注论文；另一个是，企业关注的只是成套的彻底性解决方案。所以在这个过程当中，我们的后备力量不足。实验室的技术成果虽有很小的误差，但这个技术就是走不出实验室。在这样的思考下，我们在江苏也成立了无锡研究院，目的是和德国弗劳恩霍夫研究所对标。同时，我们也跟企业的联系非常密切，感觉到企业对智能制造的需求量是很大的。所以，这样的机会很难得。一些高校博士、研究生毕业之后进入到研究院，然后我们一起花时间研究这个领域的技术，让它在未来更加的可靠。截止到目前，无锡研究院已经发展到有100多名专职人员，这些人都是推动技术发展的中坚力量。那么，我们主要做三个技术：数字化技术，智能化技术，还有智能化车间技术。

大型风电叶片生产项目是我们做过的较满意的项目。叶片生产现场环境恶劣，工人十分辛苦，所以机器人要尽快进入这个行业，通过6~7台机器人并行加工的方式就能够对叶片进行高效率加工。将来一定会出现一些“能工巧匠”的机器人，但是“能工巧匠”的机器人在机构、控制、测量上都有一些新的挑战。机器人代替工人加工是大势所趋，这是一个很好的方向。我们可以充分发挥机器人的优点，同时弥补数控机床加工一些大型零件的不足。

将来，制造技术的发展可能不单单是一个经验的传承，更多则是一个学科的交叉。尤其是和信息、材料、力学、物理的交叉，通过学科交叉慢慢走向智能化。总而言之，智能制造追求的一定是适应性以及自律性，同时也面向我国的高端装备的重大需求，一旦离开了国家的需求，可能会很难有所发展。还要加强基础研究，拓展学科新的增长点，培养高水平、高素质的人才，同时在国际舞台上加强合作等等。能够真正实现我国的制造业从数字化走向智能化，从而为国家迈向制造强国贡献力量。

（根据作者近期演讲整理，未经本人确认。）