為什么要發(fā)展機(jī)器人？

   人類(lèi)社會(huì)已進(jìn)入信息化時(shí)代，機(jī)器人在信息化時(shí)代發(fā)揮著重要作用�；仡櫃C(jī)器人的發(fā)展歷程，最早可以追溯到中國(guó)東漢時(shí)期的指南車(chē)。1978年工業(yè)機(jī)器人就已廣泛應(yīng)用于電子和汽車(chē)生產(chǎn)線，這也是工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的開(kāi)始。

   近幾年，機(jī)器人在各大領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，成為高端裝備、智能制造的核心重要工具。同時(shí)，機(jī)器人在重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)維方面也發(fā)揮著不可替代的重要作用。

   為什么要發(fā)展機(jī)器人？近年來(lái)，制造業(yè)面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)，人類(lèi)社會(huì)老齡化趨勢(shì)加深，在勞動(dòng)力短缺和制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的雙重壓力下，機(jī)器人的應(yīng)用需求愈發(fā)迫切。

   近幾年，世界各國(guó)對(duì)于發(fā)展機(jī)器人非常重視，紛紛出臺(tái)機(jī)器人戰(zhàn)略規(guī)劃，其中又以美國(guó)、德國(guó)、中國(guó)、日本等國(guó)推動(dòng)機(jī)器人發(fā)展最為迅速。

   美國(guó)發(fā)布國(guó)家機(jī)器人計(jì)劃，發(fā)展多機(jī)器人協(xié)作等技術(shù)，包括人機(jī)協(xié)同，期望將協(xié)作機(jī)器人無(wú)縫集成到人類(lèi)社會(huì)；德國(guó)是工業(yè)制造大國(guó)，希望通過(guò)大力發(fā)展智能工廠、智能生產(chǎn)和智能物流機(jī)器人，提升德國(guó)工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力；日本是機(jī)器人發(fā)展比較成熟的國(guó)家，提出最多的就是發(fā)展服務(wù)機(jī)器人和醫(yī)療機(jī)器人；歐盟對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展非常重視，提出通過(guò)機(jī)器人推動(dòng)農(nóng)業(yè)發(fā)展；中國(guó)圍繞機(jī)器人技術(shù)發(fā)展也出臺(tái)了一系列政策，希望通過(guò)機(jī)器人推動(dòng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。機(jī)器人是最有活力、最有潛力的產(chǎn)業(yè)，也是未來(lái)推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的引擎。

   簡(jiǎn)單定義機(jī)器人，其就是一種機(jī)械自動(dòng)化裝置，具有感知、規(guī)劃、決策、控制等功能，能夠協(xié)助或替代人類(lèi)完成部分工作。機(jī)器人按用途分類(lèi)，可分為工業(yè)機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人等；按結(jié)構(gòu)劃分，包括仿人機(jī)器人、模塊化機(jī)器人、串聯(lián)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人等；從空間角度劃分，分為面向地面的、空中的、水下的機(jī)器人等。

   不管機(jī)器人如何復(fù)雜，有四個(gè)核心關(guān)鍵技術(shù)需要掌握：機(jī)器人的本體機(jī)構(gòu)、感知系統(tǒng)、決策規(guī)劃調(diào)度系統(tǒng)以及執(zhí)行系統(tǒng)。所以，機(jī)器人是一個(gè)典型的閉環(huán)反饋?zhàn)詣?dòng)化控制系統(tǒng)。機(jī)器人技術(shù)涵蓋多學(xué)科領(lǐng)域，涉及人工智能、機(jī)械工程、控制論、計(jì)算機(jī)、電子、材料等多學(xué)科交叉融合。

   通過(guò)工業(yè)機(jī)器人、飛行機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、海洋機(jī)器人、空間機(jī)器人等平臺(tái)載體，機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，其中最有活力的就是智能制造、智能物流和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等。此外，在特殊行業(yè)如搶險(xiǎn)救災(zāi)中，機(jī)器人也發(fā)揮了重要作用。新冠肺炎疫情期間就涌現(xiàn)出一大批防疫機(jī)器人，它們的出現(xiàn)降低了醫(yī)務(wù)人員的工作強(qiáng)度，減少了交叉感染風(fēng)險(xiǎn)，起到了重要作用。

   2019年，發(fā)表于Science Robotic的文章指出，近幾年全世界機(jī)器人的發(fā)展面臨十大挑戰(zhàn)，其中智能機(jī)器人、新材料、仿生、機(jī)器人的能源動(dòng)力、腦機(jī)接口、醫(yī)療機(jī)器人、機(jī)器人的倫理和安全都是未來(lái)機(jī)器人發(fā)展和挑戰(zhàn)的方向，這意味著未來(lái)機(jī)器人一定會(huì)朝著更強(qiáng)的自主性、更好的自主學(xué)習(xí)能力以及多機(jī)協(xié)作的方向發(fā)展。

智能機(jī)器人感知與控制關(guān)鍵技術(shù)

   研制一臺(tái)完整的機(jī)器人需要開(kāi)發(fā)五大功能模塊——感知能力、運(yùn)動(dòng)能力、規(guī)劃能力、學(xué)習(xí)能力和決策控制能力。機(jī)器人是一個(gè)閉環(huán)反饋的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，其中三個(gè)關(guān)鍵核心技術(shù)起到支撐作用——環(huán)境感知、規(guī)劃決策和協(xié)同控制。

   第一個(gè)是機(jī)器人感知技術(shù)。機(jī)器人視覺(jué)感知系統(tǒng)的重點(diǎn)在于視覺(jué)傳感器和成像系統(tǒng)研制、視覺(jué)信息處理、視覺(jué)的硬件和軟件嵌入式系統(tǒng)、感知軟硬件測(cè)試與評(píng)估四個(gè)方面。通過(guò)打造高速高精的視覺(jué)傳感器，可以給機(jī)器人配上一雙明亮的“眼睛”。在感知方面，近幾年研究較多的是自適應(yīng)光學(xué)成像，可實(shí)現(xiàn)高實(shí)時(shí)、高可靠、高性能的視覺(jué)感知；高分辨率視覺(jué)感知，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜場(chǎng)景中的微小物體清晰成像；三維視覺(jué)識(shí)別定位，能解決高端制造異形無(wú)序工件的識(shí)別定位與引導(dǎo)抓取作業(yè)。

   第二個(gè)是機(jī)器人控制技術(shù)。機(jī)器人感知環(huán)境信息后，需要依托感知到的環(huán)境信息控制機(jī)器人的操作。目前機(jī)器人的控制系統(tǒng)發(fā)展非常迅速，大致分為柔順控制、視覺(jué)伺服控制、學(xué)習(xí)智能控制以及多機(jī)協(xié)同控制四個(gè)方面。

   對(duì)于學(xué)習(xí)控制，機(jī)器人的學(xué)習(xí)過(guò)程十分漫長(zhǎng)，通過(guò)不斷學(xué)習(xí)可以讓機(jī)器人擁有感知決策的能力，而控制器可以通過(guò)硬件固化，在機(jī)器人大腦實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)控制與系統(tǒng)控制。近幾年發(fā)展非常迅速的強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制器就是典型代表。比如，加工一個(gè)大型復(fù)雜構(gòu)件、完成一個(gè)醫(yī)療手術(shù)，需要的是深度迭代的運(yùn)動(dòng)控制學(xué)習(xí)，通過(guò)設(shè)計(jì)好的反饋控制不斷迭代、不斷訓(xùn)練，讓機(jī)器人能夠完成復(fù)雜的作業(yè)。又如，在一個(gè)非常復(fù)雜且雜亂無(wú)序的零部件場(chǎng)景中，怎樣有效抓取、有效識(shí)別、有效裝配，這需要將視覺(jué)感知、視覺(jué)伺服和精準(zhǔn)控制三個(gè)方面的工作有機(jī)結(jié)合起來(lái)，真正形成一個(gè)基于三維深度學(xué)習(xí)感知的學(xué)習(xí)控制器。

   第三個(gè)是多機(jī)器人協(xié)同控制，主要解決三個(gè)關(guān)鍵性的核心問(wèn)題：多傳感器信息融合、協(xié)同感知、協(xié)同規(guī)劃和控制。解決好這三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，就能夠加工一個(gè)大型復(fù)雜部件。在多機(jī)系統(tǒng)控制中，網(wǎng)絡(luò)控制也非常重要，網(wǎng)絡(luò)一旦遭受攻擊該怎樣解決？首先是發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攻擊，剔除攻擊網(wǎng)絡(luò)的病毒，最后是重組，這些就是分布式彈性控制需要解決的問(wèn)題。

   基于上述控制外，機(jī)器人還有一個(gè)最核心的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，要讓機(jī)器人精準(zhǔn)的操作、精準(zhǔn)的完成任務(wù)、精準(zhǔn)的手術(shù)，還需要研制精準(zhǔn)靈巧控制，這里涵蓋了光機(jī)電一體化控制。

   此外，機(jī)器人集成創(chuàng)新技術(shù)非常重要，可以歸結(jié)為機(jī)器人的第五大技術(shù)，這五大技術(shù)可廣泛應(yīng)用到不同的領(lǐng)域和需求。

   例如，我們團(tuán)隊(duì)近年來(lái)基于這五大技術(shù)做成了幾個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景：研制了高速飲料自動(dòng)化生產(chǎn)線智能檢測(cè)分揀機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了飲料行業(yè)關(guān)鍵崗位換人；研制的醫(yī)藥和疫苗制造機(jī)器人做到了高速無(wú)菌化、無(wú)人化生產(chǎn)，并與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)配合推動(dòng)了高端疫苗的生產(chǎn)自動(dòng)化；通過(guò)視覺(jué)引導(dǎo)技術(shù)研制出了輪胎裝配機(jī)器人，應(yīng)用于汽車(chē)制造自動(dòng)化生產(chǎn)線；研制的機(jī)器人機(jī)械加工、激光焊接控制系統(tǒng)，可完成超大型構(gòu)件的焊接與加工。

   除了工業(yè)領(lǐng)域，我們團(tuán)隊(duì)還面向特種重大工程應(yīng)用，研發(fā)了一系列特種服務(wù)機(jī)器人。2008年南方冰災(zāi)期間，我們研發(fā)了一系列電力作業(yè)機(jī)器人，應(yīng)用于國(guó)家電網(wǎng)等30余家企業(yè)，使其發(fā)展成為了一個(gè)產(chǎn)業(yè)。2020年初研發(fā)了一系列防疫機(jī)器人，已推廣應(yīng)用于各大醫(yī)院。

智能機(jī)器人的未來(lái)

   最初的機(jī)器人主要包括控制器、減速器、伺服器，加上完備的人機(jī)界面，就是自動(dòng)化的機(jī)器人1.0時(shí)代。

   在機(jī)器人2.0時(shí)代，機(jī)器人進(jìn)入數(shù)字化階段，加入了視覺(jué)感知、軌跡規(guī)劃、示教引導(dǎo)等�，F(xiàn)在學(xué)術(shù)界、工業(yè)界以及產(chǎn)業(yè)界需要的是智能服務(wù)機(jī)器人，即向機(jī)器人3.0也就是協(xié)作機(jī)器人發(fā)展，讓機(jī)器人具備認(rèn)知學(xué)習(xí)、人機(jī)交互、語(yǔ)義分析等更多功能。

   將來(lái)，機(jī)器人4.0還要具備更強(qiáng)的自主能力，這就需要更多的技術(shù)突破。機(jī)器人的發(fā)展過(guò)程是技術(shù)不斷迭代的過(guò)程，由此讓機(jī)器人變得更加聰明、更加有效、更加可靠，從而能夠?yàn)槿祟?lèi)帶來(lái)更好的服務(wù)。

   人工智能技術(shù)決定了未來(lái)機(jī)器人的發(fā)展，例如聯(lián)想記憶技術(shù)、環(huán)境感知技術(shù)、行動(dòng)規(guī)劃、機(jī)器深度學(xué)習(xí)等。未來(lái)需開(kāi)發(fā)具有智能化、自主化、網(wǎng)絡(luò)化的類(lèi)腦控制系統(tǒng)，提高機(jī)器人的智能化。

   未來(lái)的機(jī)器人要像人類(lèi)一樣能夠看懂說(shuō)明書(shū)，進(jìn)行自動(dòng)裝配。要完成這項(xiàng)任務(wù)，機(jī)器人需要通過(guò)視覺(jué)傳感器感知并分析判斷理解說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容。從感知智能到認(rèn)知智能再到行為智能的轉(zhuǎn)變，這些都需要人工智能技術(shù)的賦能。同樣，未來(lái)智能工廠的發(fā)展方向也體現(xiàn)了人工智能的作用，如網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造需要完成小批量、定制化、多品種、柔性化智能化生產(chǎn)，這需要更加智能的機(jī)器人。

   未來(lái)，機(jī)器人也將廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，例如無(wú)人戰(zhàn)車(chē)、無(wú)人駕駛飛機(jī)、無(wú)人潛航器等無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)。這就需要研發(fā)面向陸海空天自主無(wú)人系統(tǒng)的協(xié)同感控算法與類(lèi)腦芯片、自主集群交互系統(tǒng)以及無(wú)人集群協(xié)同作戰(zhàn)智能算法，這些都需要人工智能技術(shù)賦能無(wú)人系統(tǒng)。

   未來(lái)機(jī)器人將朝著網(wǎng)絡(luò)化、自主化、協(xié)同化、靈巧化、智能化方向發(fā)展。而要想推動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，一定要研究制定好機(jī)器人的發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃，建立一個(gè)良好的協(xié)同創(chuàng)新環(huán)境，制定好機(jī)器人下一代研發(fā)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，最為關(guān)鍵的是要培養(yǎng)一大批創(chuàng)新人才。■

（作者系中國(guó)工程院院士，記者高雅麗整理）