56年了，智能機(jī)器人都發(fā)展得怎么樣了？

【編者按】機(jī)器人發(fā)展五十多年來，智能機(jī)器人都發(fā)展得怎么樣了？未來又有會(huì)取得哪些領(lǐng)域的突破？本文對(duì)機(jī)器人行業(yè)進(jìn)行了梳理，系統(tǒng)地回答了這些問題。雷鋒網(wǎng)相信，這篇文章對(duì)于機(jī)器人行業(yè)從業(yè)者來說必會(huì)有所裨益。

自1959年世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問世以來，“機(jī)器人學(xué)”已取得重大成就，并開始在制造業(yè)、服務(wù)業(yè)、醫(yī)療保健/醫(yī)療、國(guó)防、太空等各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

2013年，麥肯錫全球研究所發(fā)布了《引領(lǐng)全球經(jīng)濟(jì)變革的顛覆性技術(shù)》報(bào)告，將先進(jìn)機(jī)器人列入12項(xiàng)技術(shù)之中。“機(jī)器人革命”有望成為“第三次工業(yè)革命”的一個(gè)切入點(diǎn)和重要增長(zhǎng)點(diǎn)，將影響全球制造業(yè)戰(zhàn)略格局。

四點(diǎn)動(dòng)力推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

第一，制造業(yè)勞動(dòng)力價(jià)格越來越高，而產(chǎn)品價(jià)格卻越來越低，企業(yè)需要利用機(jī)器人改變傳統(tǒng)制造業(yè)依賴密集型廉價(jià)勞動(dòng)力的生產(chǎn)模式；

第二，人類壽命和生活質(zhì)量越來越高而能夠提供老齡化服務(wù)的人力資源卻越來越少，人類需要利用智能化機(jī)器設(shè)備提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)；

第三，自然和人為災(zāi)害以及戰(zhàn)爭(zhēng)仍頻繁發(fā)生而人類難以適應(yīng)此類環(huán)境，人類需要機(jī)器人代替人來執(zhí)行任務(wù)；

第四，人類探索深海、太空等極端環(huán)境的活動(dòng)越來越頻繁，而人類在此類環(huán)境中的生存能力低且代價(jià)高，需要利用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程交互作業(yè)。

機(jī)械的使用放大并延伸了人的四肢能力，計(jì)算機(jī)的使用提升了人腦的功能，機(jī)器人的使用將大大拓展人類的綜合能力，機(jī)器人時(shí)代即將到來。

傳統(tǒng)與現(xiàn)代需求迥異

 傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人適用于結(jié)構(gòu)化環(huán)境，完成重復(fù)性作業(yè)任務(wù)，而現(xiàn)代機(jī)器人則希望同人類一起在相同的非結(jié)構(gòu)化空間和環(huán)境中協(xié)同作業(yè)，實(shí)時(shí)在線完成非確定性的任務(wù)；傳統(tǒng)機(jī)器人屬于多輸入和單末端輸出系統(tǒng)，而現(xiàn)代機(jī)器人則屬于多輸入和多末端輸出系統(tǒng);傳統(tǒng)機(jī)器人在靈巧作業(yè)、在線感知、對(duì)人的行為和抽象命令的理解、認(rèn)知與決策能力等諸多方面遠(yuǎn)遜于人，無法與人實(shí)現(xiàn)高效的溝通和交流。由于目前的機(jī)器人示教和規(guī)劃困難，且缺乏有效的安全機(jī)制，因此，現(xiàn)代機(jī)器人將面臨如何與人互助作業(yè)、如何服務(wù)人類生活、如何實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互與自律協(xié)同的控制等一系列技術(shù)挑戰(zhàn)。

國(guó)際發(fā)展態(tài)勢(shì)如何？

2013年，美國(guó)發(fā)表了《從互聯(lián)網(wǎng)到機(jī)器人——美國(guó)機(jī)器人發(fā)展路線圖》，預(yù)測(cè)機(jī)器人是一種能像網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣對(duì)人類的未來產(chǎn)生革命性影響的新技術(shù)，擁有改變未來的巨大潛力，有望像計(jì)算機(jī)設(shè)備一樣在未來幾十年內(nèi)遍布世界的各個(gè)角落。機(jī)器人將成為人類的重要幫手，在解決人類面臨的可持續(xù)制造、社會(huì)老齡化、醫(yī)療/健康服務(wù)、極端環(huán)境服役等眾多挑戰(zhàn)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

工業(yè)機(jī)器人在美國(guó)出現(xiàn)之前，受當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)、控制器、驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)等單元配套技術(shù)發(fā)展水平的制約，機(jī)器人處于低潮期，進(jìn)步緩慢。上世紀(jì)60年代后期，工業(yè)機(jī)器人被日本引進(jìn)后得到了快速發(fā)展。在勞動(dòng)力短缺、產(chǎn)業(yè)升級(jí)、政策支持等形勢(shì)下，日本機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在20世紀(jì)70-90年代出現(xiàn)了爆發(fā)式增長(zhǎng)，造就了日本工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的黃金20年，并反超美國(guó)成為世界第一機(jī)器人強(qiáng)國(guó)，支撐日本成為世界制造強(qiáng)國(guó)。

21世紀(jì)以來，世界各工業(yè)強(qiáng)國(guó)均將機(jī)器人列入優(yōu)先發(fā)展行業(yè)。

2011年，美國(guó)開始推行“先進(jìn)制造業(yè)伙伴計(jì)劃”，旨在通過發(fā)展工業(yè)機(jī)器人重振美國(guó)制造業(yè)，并投資28億美元開發(fā)基于移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)的新一代智能機(jī)器人；2012年，為配合“制造業(yè)回歸”和“再工業(yè)化國(guó)家戰(zhàn)略”，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)提出“國(guó)家機(jī)器人技術(shù)計(jì)劃”，發(fā)展能與人類合作的新一代機(jī)器人。

2012年10月，韓國(guó)發(fā)布了“機(jī)器人未來戰(zhàn)略展望2022”，支持?jǐn)U大韓國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)并推動(dòng)機(jī)器人企業(yè)進(jìn)軍海外市場(chǎng)。

2013年，德國(guó)提出“工業(yè)4.0”計(jì)劃，支持基于機(jī)器人技術(shù)的“虛實(shí)合一”的制造系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃。

2014年6月，歐盟啟動(dòng)全球最大的民用機(jī)器人研發(fā)計(jì)劃(“火花”計(jì)劃)，2020年前投入28億歐元研發(fā)民用機(jī)器人，增強(qiáng)歐洲工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

日本制定了機(jī)器人技術(shù)長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略，將機(jī)器人產(chǎn)業(yè)列入“新產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略”中7大重點(diǎn)扶持性產(chǎn)業(yè)。2014年9月，日本政府召開“機(jī)器人革命實(shí)現(xiàn)會(huì)議”，著力推進(jìn)醫(yī)療、看護(hù)、農(nóng)業(yè)及建筑工地等領(lǐng)域的機(jī)器人發(fā)展，5年內(nèi)力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人普及、提高生產(chǎn)效率、解決勞動(dòng)力短缺等問題。2020年使制造業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模翻番，非制造業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)大至20倍。

我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)提出機(jī)器人技術(shù)發(fā)展三步走戰(zhàn)略，短期重點(diǎn)聚焦制造業(yè)機(jī)器人、促進(jìn)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí);中期側(cè)重環(huán)保節(jié)能理念，重點(diǎn)發(fā)展LED與PV(太陽能光電)等新興綠色產(chǎn)業(yè)用機(jī)器人。長(zhǎng)期側(cè)重人性需求，重點(diǎn)發(fā)展醫(yī)療與觀光服務(wù)業(yè)機(jī)器人。

我國(guó)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展如何？

我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步于上世紀(jì)70年代初，但因勞動(dòng)力資源豐富、技術(shù)落后等原因使其發(fā)展十分緩慢。上世紀(jì)80年代中期，隨著我國(guó)改革開放逐步深入，開始大力發(fā)展機(jī)器人。“七五”計(jì)劃中，機(jī)器人被列為國(guó)家重點(diǎn)科研規(guī)劃，“863”計(jì)劃啟動(dòng)時(shí)便設(shè)立了“智能機(jī)器人主題”。

近二十年來，我國(guó)機(jī)器人技術(shù)取得了顯著進(jìn)步，1000米水下機(jī)器人、6000米水下機(jī)器人、高壓水切割機(jī)器人、機(jī)器人自動(dòng)化汽車沖壓線、激光加工機(jī)器人、手術(shù)機(jī)器人、重載鍛造操作機(jī)器人、多足步行機(jī)器人、人形機(jī)器人等相繼問世。我國(guó)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，已從汽車、電子等制造行業(yè)，逐步向食品、醫(yī)療、服務(wù)和國(guó)防等領(lǐng)域擴(kuò)展。

進(jìn)入新世紀(jì)以來，隨著勞動(dòng)力成本的大幅上漲，我國(guó)制造業(yè)對(duì)機(jī)器人的需求不斷加大，未來我國(guó)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、社會(huì)老齡化應(yīng)對(duì)、國(guó)防裝備升級(jí)均需要大量的機(jī)器人。我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已取得了一定程度的進(jìn)步，在機(jī)器人整機(jī)設(shè)計(jì)與制造方面積累了一定經(jīng)驗(yàn)，形成了一支較為龐大的基礎(chǔ)研發(fā)隊(duì)伍。

我國(guó)工業(yè)機(jī)器人本體制造技術(shù)較為成熟，但與龐大的市場(chǎng)需求形成鮮明對(duì)比的是，我國(guó)機(jī)器人技術(shù)總體發(fā)展仍相對(duì)落后，國(guó)內(nèi)機(jī)器人市場(chǎng)絕大部分為國(guó)外公司所占據(jù)，僅瑞士ABB、日本發(fā)那科及安川電機(jī)、德國(guó)KUKA四家公司就已占據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)大部分份額。目前，國(guó)內(nèi)機(jī)器人核心技術(shù)缺失，減速器、驅(qū)動(dòng)與控制等核心部件主要依賴外購(gòu)。機(jī)器人自主設(shè)計(jì)與創(chuàng)新能力不足是我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。

一般來說，智能機(jī)器人包括機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)本體、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)、能源動(dòng)力、感知等系統(tǒng)。

機(jī)器人核心部件包括伺服電機(jī)、減速器及控制器、驅(qū)動(dòng)器及傳感器。

諧波減速器一般用于輕型機(jī)器人或機(jī)器人腕部關(guān)節(jié)。

由波發(fā)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(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)際上諧波減速器市場(chǎng)幾乎被日本Harmonic公司壟斷，因此該公司具有定價(jià)權(quán)。

國(guó)內(nèi)諧波減速器研究起步較早，如北京諧波傳動(dòng)技術(shù)研究所早在上世紀(jì)六、七十年代便開始了諧波減速器的研究。由于市場(chǎng)問題，該項(xiàng)研究進(jìn)展較慢，但積累了較多的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。近年來，國(guó)產(chǎn)諧波減速器開始迅速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)諧波減速器開始在國(guó)產(chǎn)機(jī)器人產(chǎn)品上得到越來越多的應(yīng)用。

RV減速器一般用于機(jī)器人的肩關(guān)節(jié)，用于傳遞較大的扭矩。

目前，該領(lǐng)域的國(guó)際市場(chǎng)也被日本的Nabtesco公司所壟斷。國(guó)內(nèi)在RV減速器制造的一些關(guān)鍵技術(shù)上還有待提高，比如，針孔殼要求確保數(shù)十個(gè)半圓孔的圓度及同心度。工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)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(jī)、驅(qū)動(dòng)器等，主控層包括控制器、編碼器、力傳感器等。目前，國(guó)內(nèi)機(jī)器人在伺服層和主控層的核心技術(shù)上均存在一定程度的制約。

控制系統(tǒng)方面，歐系機(jī)器人一般采用倫茨、博世力士樂等控制系統(tǒng)。

其具有過載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、驅(qū)動(dòng)器開放性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；但價(jià)格昂貴，日系機(jī)器人一般采用安川、松下、三菱等品牌的控制系統(tǒng)，相對(duì)歐系控制系統(tǒng)來說動(dòng)態(tài)性能偏弱，但具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。近年，一些國(guó)產(chǎn)控制系統(tǒng)中也逐漸開始在工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品上得到應(yīng)用。

總體來說，機(jī)器人理論及關(guān)鍵技術(shù)研究是我國(guó)工程領(lǐng)域長(zhǎng)期面臨的科學(xué)挑戰(zhàn)，需要解決機(jī)器人與作業(yè)任務(wù)和環(huán)境的適應(yīng)性、人機(jī)交互與自律協(xié)同控制、信息采集與傳輸機(jī)制等科學(xué)問題，突破減速器、感知驅(qū)動(dòng)與控制等關(guān)鍵技術(shù)及核心部件等技術(shù)瓶頸，確保我國(guó)在下一輪機(jī)器人發(fā)展大潮中處于不敗之地，機(jī)器人理論與關(guān)鍵技術(shù)研究是國(guó)家的重大戰(zhàn)略需求。

智能機(jī)器人技術(shù)將走向何方？

機(jī)器人技術(shù)涉及眾多領(lǐng)域，具有多學(xué)科交叉和融合等特點(diǎn)。

機(jī)器人正在逐步發(fā)展成為具有感知、認(rèn)知和自主行動(dòng)能力的智能化裝備，是數(shù)學(xué)、力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、材料科學(xué)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、光電、通訊、傳感、仿生學(xué)等多學(xué)科和技術(shù)綜合的成果，其發(fā)展水平體現(xiàn)了國(guó)家高技術(shù)領(lǐng)域的綜合實(shí)力。我國(guó)現(xiàn)階段機(jī)器人的發(fā)展需要智能和自主作業(yè)能力的提升、人機(jī)交互能力的改善、安全性能的提高，解決制約“人-機(jī)交互”、“人-機(jī)合作”、“人-機(jī)融合”的瓶頸，突破三維環(huán)境感知、規(guī)劃和導(dǎo)航、類人的靈巧操作、直觀的人機(jī)交互、行為安全等關(guān)鍵技術(shù)。

智能機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的三個(gè)目標(biāo)：

第一，加強(qiáng)工業(yè)機(jī)器人整機(jī)設(shè)計(jì)理論與方法研究，尋求新思維，突破驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、感知與控制等核心基礎(chǔ)部件的技術(shù)瓶頸，提升機(jī)器人操作的靈活性、在線的感知能力；

第二，加強(qiáng)服務(wù)機(jī)器人的研究，提升機(jī)器人理解人的行為和抽象指令、人機(jī)溝通與協(xié)調(diào)合作能力，建立機(jī)器人安全機(jī)制；

第三，針對(duì)在核輻射、軍事戰(zhàn)場(chǎng)、自然和人為災(zāi)害等危險(xiǎn)甚至不可達(dá)區(qū)域執(zhí)行任務(wù)的需要，開展特種機(jī)器人的研究，解決在線實(shí)時(shí)人機(jī)交互、動(dòng)態(tài)未知環(huán)境中自主作業(yè)等問題，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與人共處同一環(huán)境空間互助作業(yè)，為開發(fā)國(guó)家亟需的現(xiàn)代機(jī)器人提供科學(xué)理論和關(guān)鍵性技術(shù)支撐。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)展目標(biāo)，我國(guó)智能機(jī)器人技術(shù)發(fā)展需要針對(duì)現(xiàn)代機(jī)器人出現(xiàn)的“人-機(jī)交互”、“人-機(jī)合作”、“人-機(jī)融合”等發(fā)展趨勢(shì)，解決三個(gè)主要科學(xué)問題。

第一，揭示機(jī)器人與非結(jié)構(gòu)化環(huán)境、不確定性作業(yè)任務(wù)的適應(yīng)性規(guī)律，為現(xiàn)代機(jī)器人創(chuàng)新與設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)；

第二，揭示機(jī)器人理解人的行為和抽象指令的機(jī)理，為智能機(jī)器人構(gòu)建人機(jī)溝通及安全機(jī)制提供理論依據(jù)；

第三，揭示人機(jī)交互與自律協(xié)同控制原理，為機(jī)器人人機(jī)協(xié)調(diào)合作提供技術(shù)支撐。

此外，一些有較強(qiáng)應(yīng)用前景的新型特種機(jī)器人設(shè)計(jì)技術(shù)也值得關(guān)注，如：

海底管道安裝、檢修與維護(hù)機(jī)器人;海底石油管道泄漏搶險(xiǎn)機(jī)器人；海底打撈與作業(yè)機(jī)器人；地震搜救與作業(yè)機(jī)器人；井噴救災(zāi)機(jī)器人；核電維護(hù)和退役與救災(zāi)機(jī)器人;消防救援機(jī)器人;外星探測(cè)與作業(yè)機(jī)器人；山地運(yùn)載機(jī)器人；自主步行作戰(zhàn)機(jī)器人；移動(dòng)式制造機(jī)器人系統(tǒng)；多指多臂多智能體制造機(jī)器人系統(tǒng);康復(fù)、健身、醫(yī)療、家庭護(hù)理機(jī)器人；別墅區(qū)安保機(jī)器人；人機(jī)合作建筑作業(yè)機(jī)器人等。

未來充滿希望

機(jī)器人已從早期的工業(yè)機(jī)器人發(fā)展為種類繁多的現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人。

雖然工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于各大門類工業(yè)領(lǐng)域，但主要在結(jié)構(gòu)化環(huán)境中執(zhí)行各類確定性任務(wù)，面臨操作靈活性不足、在線感知實(shí)時(shí)作業(yè)弱等問題；服務(wù)機(jī)器人是應(yīng)對(duì)未來全球人口老齡化趨勢(shì)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(jī)協(xié)調(diào)合作能力不足、安全機(jī)制欠缺等問題;特種機(jī)器人是代替人類在極地、深海、外星、核輻射、軍事戰(zhàn)場(chǎng)、自然和人為災(zāi)害等危險(xiǎn)甚至不可達(dá)區(qū)域執(zhí)行任務(wù)的重要手段，存在依賴離線編程、在動(dòng)態(tài)未知環(huán)境中依賴人類遠(yuǎn)程操作等問題。

機(jī)器人在智能和自主方面與人存在巨大差距，機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展必然要尋求作業(yè)能力的提升、人機(jī)交互能力的改善、安全性能的提高。

當(dāng)前，機(jī)器人正在從“傳統(tǒng)機(jī)器人”走向“現(xiàn)代機(jī)器人”，呈現(xiàn)出“人-機(jī)”交互、“人-機(jī)”合作、“人-機(jī)”融合等明顯的技術(shù)特征。現(xiàn)代機(jī)器人需要在三維環(huán)境中感知、規(guī)劃和導(dǎo)航、類人的靈巧操作、直觀的人機(jī)交互、行為安全等理論與技術(shù)方面突破與發(fā)展。

 我國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)容量巨大、多樣，這是國(guó)外機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展不具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，正如我國(guó)消費(fèi)電子、互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的國(guó)產(chǎn)品牌正不斷實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)外行業(yè)巨頭的超越，我國(guó)機(jī)器人行業(yè)也會(huì)在不久的將來創(chuàng)造新的奇跡。

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