我國智能機器人技術發展的三個目標
2015-10-13 9:25:03 點擊：
人類社會始終朝著自動化和智能化方向發展，機器人研發、制造和應用將成為衡量國家科技創新和高端制造業水平的重要標志，是國家科技發展的戰略需求。智能機器人的下一步發展將體現在作業能力、人機交互、安全性等諸多方面的提升和改進上。我國在智能機器人核心技術方面還存在較大瓶頸，但同時也具備天然優勢，應抓緊利用產業浪潮加速發展，實現反超。
自1959年世界上第一臺工業機器人問世以來，“機器人學”已取得重大成就，并開始在制造業、服務業、醫療保健/醫療、國防、太空等各個領域廣泛應用。2013年，麥肯錫全球研究所發布了《引領全球經濟變革的顛覆性技術》報告，將先進機器人列入12項技術之中。“機器人革命”有望成為“第三次工業革命”的一個切入點和重要增長點，將影響全球制造業戰略格局。
四點動力推動產業發展
第一，制造業勞動力價格越來越高，而產品價格卻越來越低，企業需要利用機器人改變傳統制造業依賴密集型廉價勞動力的生產模式；
第二，人類壽命和生活質量越來越高而能夠提供老齡化服務的人力資源卻越來越少，人類需要利用智能化機器設備提供優質服務；
第三，自然和人為災害以及戰爭仍頻繁發生而人類難以適應此類環境，人類需要機器人代替人來執行任務；
第四，人類探索深海、太空等極端環境的活動越來越頻繁，而人類在此類環境中的生存能力低且代價高，需要利用機器人實現遠程交互作業。
機械的使用放大并延伸了人的四肢能力，計算機的使用提升了人腦的功能，機器人的使用將大大拓展人類的綜合能力，機器人時代即將到來。
傳統與現代需求迥異
傳統的工業機器人適用于結構化環境，完成重復性作業任務，而現代機器人則希望同人類一起在相同的非結構化空間和環境中協同作業，實時在線完成非確定性的任務；傳統機器人屬于多輸入和單末端輸出系統，而現代機器人則屬于多輸入和多末端輸出系統；傳統機器人在靈巧作業、在線感知、對人的行為和抽象命令的理解、認知與決策能力等諸多方面遠遜于人，無法與人實現高效的溝通和交流。由于目前的機器人示教和規劃困難，且缺乏有效的安全機制，因此，現代機器人將面臨如何與人互助作業、如何服務人類生活、如何實現人機交互與自律協同的控制等一系列技術挑戰。
工業強國優先發展機器人產業
2013年，美國發表了《從互聯網到機器人——美國機器人發展路線圖》，預測機器人是一種能像網絡技術一樣對人類的未來產生革命性影響的新技術，擁有改變未來的巨大潛力，有望像計算機設備一樣在未來幾十年內遍布世界的各個角落。機器人將成為人類的重要幫手，在解決人類面臨的可持續制造、社會老齡化、醫療/健康服務、極端環境服役等眾多挑戰中發揮至關重要的作用。
工業機器人在美國出現之前，受當時計算機、控制器、驅動與傳動等單元配套技術發展水平的制約，機器人處于低潮期，進步緩慢。上世紀60年代后期，工業機器人被日本引進后得到了快速發展。在勞動力短缺、產業升級、政策支持等形勢下，日本機器人產業在20世紀70-90年代出現了爆發式增長，造就了日本工業機器人產業發展的黃金20年，并反超美國成為世界第一機器人強國，支撐日本成為世界制造強國。
21世紀以來，世界各工業強國均將機器人列入優先發展行業。
2011年，美國開始推行“先進制造業伙伴計劃”，旨在通過發展工業機器人重振美國制造業，并投資28億美元開發基于移動互聯技術的新一代智能機器人；2012年，為配合“制造業回歸”和“再工業化國家戰略”，美國國家科學基金會提出“國家機器人技術計劃”，發展能與人類合作的新一代機器人。
2012年10月，韓國發布了“機器人未來戰略展望2022”，支持擴大韓國機器人產業并推動機器人企業進軍海外市場。
2013年，德國提出“工業4.0”計劃，支持基于機器人技術的“虛實合一”的制造系統發展規劃。
2014年6月，歐盟啟動全球最大的民用機器人研發計劃(“火花”計劃)，2020年前投入28億歐元研發民用機器人，增強歐洲工業競爭力。
日本制定了機器人技術長期發展戰略，將機器人產業列入“新產業發展戰略”中7大重點扶持性產業。2014年9月，日本政府召開“機器人革命實現會議”，著力推進醫療、看護、農業及建筑工地等領域的機器人發展，5年內力爭實現機器人普及、提高生產效率、解決勞動力短缺等問題。2020年使制造業領域的機器人市場規模翻番，非制造業領域擴大至20倍。
我國臺灣地區提出機器人技術發展三步走戰略，短期重點聚焦制造業機器人、促進制造業產業升級；中期側重環保節能理念，重點發展LED與PV(太陽能光電)等新興綠色產業用機器人。長期側重人性需求，重點發展醫療與觀光服務業機器人。
我國國防裝備升級需要大量的機器人
我國工業機器人起步于上世紀70年代初，但因勞動力資源豐富、技術落后等原因使其發展十分緩慢。上世紀80年代中期，隨著我國改革開放逐步深入，開始大力發展機器人。“七五”計劃中，機器人被列為國家重點科研規劃，“863”計劃啟動時便設立了“智能機器人主題”。近二十年來，我國機器人技術取得了顯著進步，1000米水下機器人、6000米水下機器人、高壓水切割機器人、機器人自動化汽車沖壓線、激光加工機器人、手術機器人、重載鍛造操作機器人、多足步行機器人、人形機器人等相繼問世。我國機器人應用領域也不斷擴大，已從汽車、電子等制造行業，逐步向食品、醫療、服務和國防等領域擴展。“進入新世紀以來，隨著勞動力成本的大幅上漲，我國制造業對機器人的需求不斷加大，未來我國的產業轉型升級、社會老齡化應對、國防裝備升級均需要大量的機器人。”機器人產業研究專家羅百輝表示，我國機器人產業已取得了一定程度的進步，在機器人整機設計與制造方面積累了一定經驗，形成了一支較為龐大的基礎研發隊伍。我國工業機器人本體制造技術較為成熟，但與龐大的市場需求形成鮮明對比的是，我國機器人技術總體發展仍相對落后，國內機器人市場絕大部分為國外公司所占據，僅瑞士ABB、日本發那科及安川電機、德國KUKA四家公司就已占據國內市場大部分份額。目前，國內機器人核心技術缺失，減速器、驅動與控制等核心部件主要依賴外購。機器人自主設計與創新能力不足是我國機器人產業發展的瓶頸。
一般來說，智能機器人包括機構、結構本體、驅動傳動、能源動力、感知等系統。機器人核心部件包括伺服電機、減速器及控制器、驅動器及傳感器。
諧波減速器一般用于輕型機器人或機器人腕部關節，由波發生器、柔輪和鋼輪組成，具有減速比大、齒隙小、精度高，零部件少、安裝方便及體積小、重量輕等優點。目前，國際上諧波減速器市場幾乎被日本Harmonic公司壟斷，因此該公司具有定價權。國內諧波減速器研究起步較早，如北京諧波傳動技術研究所早在上世紀六、七十年代便開始了諧波減速器的研究。由于市場問題，該項研究進展較慢，但積累了較多的研發經驗。近年來，國產諧波減速器開始迅速發展，國產諧波減速器開始在國產機器人產品上得到越來越多的應用。
RV減速器一般用于機器人的肩關節，用于傳遞較大的扭矩。目前，該領域的國際市場也被日本的Nabtesco公司所壟斷。國內在RV減速器制造的一些關鍵技術上還有待提高，比如，針孔殼要求確保數十個半圓孔的圓度及同心度。工業機器人的控制系統一般包括伺服層、主控層及操作層，其中伺服層包括伺服電機、驅動器等，主控層包括控制器、編碼器、力傳感器等。目前，國內機器人在伺服層和主控層的核心技術上均存在一定程度的制約。
控制系統方面，歐系機器人一般采用倫茨、博世力士樂等控制系統，其具有過載能力強、動態響應好、驅動器開放性強等優點；但價格昂貴，日系機器人一般采用安川、松下、三菱等品牌的控制系統，相對歐系控制系統來說動態性能偏弱，但具有價格優勢。近年，一些國產控制系統中也逐漸開始在工業機器人產品上得到應用。
羅百輝說，機器人理論及關鍵技術研究是我國工程領域長期面臨的科學挑戰，需要解決機器人與作業任務和環境的適應性、人機交互與自律協同控制、信息采集與傳輸機制等科學問題，突破減速器、感知驅動與控制等關鍵技術及核心部件等技術瓶頸，確保我國在下一輪機器人發展大潮中處于不敗之地，機器人理論與關鍵技術研究是國家的重大戰略需求。
智能機器人技術走向何方
機器人技術涉及眾多領域，具有多學科交叉和融合等特點。機器人正在逐步發展成為具有感知、認知和自主行動能力的智能化裝備，是數學、力學、機構學、材料科學、自動控制、計算機、人工智能、光電、通訊、傳感、仿生學等多學科和技術綜合的成果，其發展水平體現了國家高技術領域的綜合實力。我國現階段機器人的發展需要智能和自主作業能力的提升、人機交互能力的改善、安全性能的提高，解決制約“人-機交互”、“人-機合作”、“人-機融合”的瓶頸，突破三維環境感知、規劃和導航、類人的靈巧操作、直觀的人機交互、行為安全等關鍵技術。
智能機器人技術發展的三個目標：
第一，加強工業機器人整機設計理論與方法研究，尋求新思維，突破驅動、傳動、感知與控制等核心基礎部件的技術瓶頸，提升機器人操作的靈活性、在線的感知能力；
第二，加強服務機器人的研究，提升機器人理解人的行為和抽象指令、人機溝通與協調合作能力，建立機器人安全機制；
第三，針對在核輻射、軍事戰場、自然和人為災害等危險甚至不可達區域執行任務的需要，開展特種機器人的研究，解決在線實時人機交互、動態未知環境中自主作業等問題，實現機器人與人共處同一環境空間互助作業，為開發國家亟需的現代機器人提供科學理論和關鍵性技術支撐。
為了實現上述發展目標，我國智能機器人技術發展需要針對現代機器人出現的“人-機交互”、“人-機合作”、“人-機融合”等發展趨勢，解決三個主要科學問題。
第一，揭示機器人與非結構化環境、不確定性作業任務的適應性規律，為現代機器人創新與設計提供理論基礎；第二，揭示機器人理解人的行為和抽象指令的機理，為智能機器人構建人機溝通及安全機制提供理論依據；第三，揭示人機交互與自律協同控制原理，為機器人人機協調合作提供技術支撐。
此外，一些有較強應用前景的新型特種機器人設計技術也值得關注，如：海底管道安裝、檢修與維護機器人；海底石油管道泄漏搶險機器人；海底打撈與作業機器人；地震搜救與作業機器人；井噴救災機器人；核電維護和退役與救災機器人；消防救援機器人；外星探測與作業機器人；山地運載機器人；自主步行作戰機器人；移動式制造機器人系統；多指多臂多智能體制造機器人系統；康復、健身、醫療、家庭護理機器人；別墅區安保機器人；人機合作建筑作業機器人等。
未來充滿希望
機器人已從早期的工業機器人發展為種類繁多的現代工業機器人、特種機器人和服務機器人。雖然工業機器人已廣泛應用于各大門類工業領域，但主要在結構化環境中執行各類確定性任務，面臨操作靈活性不足、在線感知實時作業弱等問題；服務機器人是應對未來全球人口老齡化趨勢加劇的核心手段，存在無法接受抽象指令、難與人有效溝通、人機協調合作能力不足、安全機制欠缺等問題；特種機器人是代替人類在極地、深海、外星、核輻射、軍事戰場、自然和人為災害等危險甚至不可達區域執行任務的重要手段，存在依賴離線編程、在動態未知環境中依賴人類遠程操作等問題。機器人在智能和自主方面與人存在巨大差距，機器人的進一步發展必然要尋求作業能力的提升、人機交互能力的改善、安全性能的提高。當前，機器人正在從“傳統機器人”走向“現代機器人”，呈現出“人-機”交互、“人-機”合作、“人-機”融合等明顯的技術特征。現代機器人需要在三維環境中感知、規劃和導航、類人的靈巧操作、直觀的人機交互、行為安全等理論與技術方面突破與發展。
我國機器人市場容量巨大、多樣，這是國外機器人產業發展不具備的獨特優勢，正如我國消費電子、互聯網行業的國產品牌正不斷實現對國外行業巨頭的超越，我國機器人行業也會在不久的將來創造新的奇跡。
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