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【深度】智能機器人學科發展報告來了!
作者:佚名 | 來源:cechina
2018-11-16
在智能機器人蓬勃發展的同時,我們應針對當前智能機器人發展現狀與趨勢,分析機器人技術與應用前景,明確機器人基礎領域未來發展需求與面臨的關鍵技術挑戰,尋求解決這些技術挑戰所需要的技術路徑與手段。

 

一、引言

機器人系統以功能及系統實現為載體,通過自主或半自主的感知、移動、操作或人機交互,體現類似于人或是生物的智能水平;它能夠擴展人在尺度、時間、空間、環境、情感、智能以及精度、速度、動力等方面所受到的約束和限制,并為人服務。

中國作為世界最大的機器人消費國,除了工業機器人連續 5 年成為世界最大的市場外,服務機器人的需求也增長顯著。各種各樣為了滿足不同需求的特種機器人、康復與助老助殘機器人、醫療輔助機器人等服務機器人,正在成為推動機器人產業發展的新動力。

二、主要成果

1. 仿人機器人技術不斷突破,進入了國際領先行列

仿人機器人技術是智能機器人研究的熱點,也是一個國家機器人研究水平的標志。20 世紀90年代初到2000年,我國先后研制出多指關節靈巧手、雙足步行機器人和仿人機器人“先行者”,逐漸縮小了我國仿人機器人研究與世界先進水平的差距。“十五”期間, 我國自主開發了仿人機器人“匯童”,標志著我國成為繼日本之后第二個掌握集機構、控制、傳感器、電源等于一體的仿人機器人技術的國家。“十一五”期間,我國研制出國際 領先水平的五指靈巧手,實現了對多種形狀物體的識別、抓取和自主操作;攻克了仿生機器人動力學穩定控制、高性能手臂一體化部件設計制造、自主實時控制操作系統研發、高速視覺識別算法等核心技術,實現了具有高度感知與運動控制能力的仿人機器人乒乓球對抗,保持了國際領先地位。

2. 從6000米無纜自治機器人到7000米載人深潛器,水下機器人取得重大成就

海洋資源勘探和開發是國際激烈競爭的焦點問題之一,水下機器人是海洋資源勘探和開發的重要工具。20 多年來,我國水下機器人不斷發展,從 1000 米無纜自治機器人到 6000 米無纜自治機器人,再到 7000 米載人深潛器,水下機器人取得了重大成就。我國成功地研制出首臺6000 米無纜自治機器人“探索號”,并在太平洋深水處進行了大洋探測實驗。深海試驗表明,“探索號”主要技術指標達到國際領先水平,標志著我國成為繼美、俄、法、英、日之后,擁有整套深潛探測技術能力的少數國家之一。2002年,我國啟動了7000 米載人深潛器“蛟龍號”的研制工作,其工作范圍可以覆蓋全球海洋區域的99.8%。2012 年,蛟龍號圓滿完成 7062 米的下潛任務,標志著我國在深海高技術領域達到了領先國際的先進水平。

3. 智能化工程機械從單機產品到機群作業和遠程維護,引領了工程機械行業技術升級

開發以機器人技術為核心的智能化工程機械,是促進工程機械產品更新換代的重要手段。在國家重大科技專項和“863”計劃等的支持下,工程機械行業骨干企業包括徐工、三一、中聯、山河、柳工、廈工、天工等重點研發了一批單機智能化、機群智能化工程機械產品,建立了工程機械遠程智能維護系統,為引領工程機械產品技術升級和提升工程機械行業競爭力做出了重要貢獻。

4. 開發出工業機器人系列產品,推動了工業機器人示范應用和產業化

工業機器人作為制造業的重要基礎裝備,“九五”期間,我國掌握了工業機器人的設計和集成技術,研制出弧焊機器人、點焊機器人、切割機器人、仿型噴涂機器人、平面關節型裝配機器人、直角坐標型裝配機器人、移動搬運機器人、移動包裝機器人等一批國產工業機器人系列產品。“十一五”期間,研制出 30 臺 165 kg 和 2 臺 210 kg 點焊機器人產品并成功應用于奇瑞汽車焊裝自動化生產線,國產弧焊機器人、移動搬運機器人、包裝搬運機器人等達到國外同類產品的先進水平。2010 年,國產工業機器人市場銷售幾百臺套,帶動幾百億元的國產機器人自動化成套生產線銷售額,走出了工業機器人產業化的第一步。

5. 特種機器人從無到有,特種機器人品種和應用不斷壯大

特種機器人通常指工作在非結構環境下作業的機器人,始終是智能機器人技術研究的重點。我國特種機器人從無到有、品種不斷豐富、應用領域不斷拓展,奠定了特種機器人產業化的基礎。20 多年來,我國先后研制出一大批特種機器人,并投入使用,如輔助骨外科手術機器人和腦外科機器人成功用于臨床手術,低空飛行機器人在南極科考中得到應用,微小型探雷掃雷機器人參加了國際維和掃雷行動,空中搜索探測機器人、廢墟搜救機器人等地震搜救機器人成功問世,細胞注射微操作機器人已應用于動物克隆實驗,國內首臺腹腔微創外科手術機器人進行了動物試驗并通過了鑒定,反恐排爆機器人已經批量裝備公安和武警部隊等。

三、國內外發展比較與趨勢

(一)國內外發展比較

1. 工業機器人

中國已經成為全球第一大工業機器人市場,但是從國內外產品的產業結構、應用領域、應用行業、應用類型等方面細致比較,當前國內外的機器人產品存在顯著差異,國外機器人在高端應用領域占據著絕對優勢。在核心零部件生產方面,目前全球機器人行業,75% 的精密減速機被日本的 Nabtesco 和 Harmonic Drive 兩家公司壟斷;而交流伺服電機及控制器基本被日本、德國、美國壟斷,我國機器人關鍵部件不具備競爭力。 從機器人使用密度上來看,我國目前工業機器人使用密度仍然遠遠低于全球平均水平,離日本、韓國、德國等發達國家更是有很大差距。

2. 特種機器人

旋翼飛行機器人(無人機)作為一種具有代表性的特種機器,一直備受關注。在民用領域,與美國相比中國的無人機企業數多于美國,中國無人機企業以研發制造為主,而美國無人機企業主要進行創新服務;在軍用領域,歐美無人機系統及技術的研究具有代表性。2016 年國家地區或軍方新發布的四個具有代表性的無人機發展戰略或路線圖分別為:丹麥的國家無人機發展戰略、歐洲通用無人機項目——“歐洲中空長航時無人機系統”(MALE RPAS)項目定義研究、美國空軍《小型無人機系統飛行計劃:2016 — 2036 年》以及美國海軍無人系統路線圖。

水下機器人方面,據不完全統計,到 2009 年年底,大約有 461 個型號近 6000 臺遙控水下機器人在運行,全球有超過 300 家專業從事遙控水下機器人研制、生產和售后服務的企業。我國在 6000 米無纜自治機器人、7000 米載人深潛器水下機器人研究方面比肩美國、日本、法國等國家,達到國際領先水平;我國水下滑翔機創造的 91 天續航時間和 1884 千米續航距離,使我國成為繼美國之后第二個具有跨季度的自主移動海洋觀測能力的國家。

3. 服務機器人

在康復機器人方面,國際上具有代表性的研究機構及成果包括法國 KINETEC 公司推出的 Maestra 便攜式手指康復機器人、冰島的 Ossur 公司研發的多種假肢、比利時布魯塞爾大學的踝關節假肢 AMP-Foot、英國的 i-Limb 靈巧手、日本 Nabco 公司的 NI-C411 假肢腿、意大利巴勒莫大學的 SmartLeg 智能假肢腿等。在家政服務機器人方面,美國雖然對服務機器人的研究投入沒有日本多,但產業化和公司運作做得很成功,在產品定位與開拓方面做得比日本和韓國出色,培育了像 iRrobot 和 WOWWEE 這些專門做機器人的公司。而日本 NEC 公司開發的伴侶機器人 PaPeRo、ZMP 公司設計生產的 Nuvo 管家機器人、日本 NEC 公司開發了伴侶機器人 PaPeRo 都具有代表性。

中國服務機器人市場規模不斷擴大,服務機器人相關專利申請數量持續高速增長,但個人 / 家庭類相關專利較少。我國目前在服務機器人領域的相關技術還有待成熟,在關鍵零部件和機器單體方面和國外還存在較大差距。雖然在服務機器人領域的研究我國起步晚,但是在 2015 年提出的《中國制造 2025》規劃綱要中,已經明確將服務機器人列為十大重點發展領域之一。

(二)智能機器人發展趨勢

1. 傳感技術發展迅速

作為機器人基礎的傳感技術有了新的發展,各種新型傳感器不斷出現,例如:超聲波觸覺傳感器、靜電電容式距離傳感器、基于光纖陀螺慣性測量的三維運動傳感器,以及具有工件檢測、識別和定位功能的視覺系統等。多傳感器集成與融合技術在智能機器人上獲得應用。單一傳感信號難以保證輸入信息的準確性和可靠性,不能滿足智能機器人系統獲取全面、準確環境信息以提升決策能力的要求。采用多傳感器集成和融合技術,可利用傳感信息,獲得對環境的正確理解,使機器人系統具有容錯性,保證系統信息處理的快速性和正確性。

2. 運用模塊化設計技術

智能機器人和高級工業機器人的結構要力求簡單緊湊,其高性能部件,甚至全部機構的設計已向模塊化方向發展;其驅動采用交流伺服電機,向小型和高輸出方向發展;其控制裝置向小型化和智能化發展,采用高速CPU和32 位芯片、多處理器和多功能操作系統, 提高機器人的實時和快速響應能力。機器人軟件的模塊化簡化了編程,發展了離線編程技術,提高了機器人控制系統的適應性。

在生產工程系統中應用機器人,使自動化發展為綜合柔性自動化,實現生產過程的智能化和機器人化。近年來,機器人生產工程系統獲得不斷發展。汽車工業、工程機械、建筑、電子和電機工業以及家電行業在開發新產品時,引入高級機器人技術,采用柔性自動化和智能化設備,改造原有生產手段,使機器人及其生產系統的發展呈上升趨勢。

3. 微型機器人開發有突破

微型機器和微型機器人為 21 世紀的尖端技術之一。我國已經開發出手指大小的微型移動機器人,可用于進入小型管道進行檢查作業。預計將生產出毫米級大小的微型移動機器人和直徑為幾百微米的醫療機器人,可讓它們直接進入人體器官,進行各種疾病的診斷和治療,而不傷害人的健康。微型驅動器是開發微型機器人的基礎和關鍵技術之一。它將對精密機械加工、現代光學儀器、超大規模集成電路、現代生物工程、遺傳工程和醫學工程產生重要影響。微型機器人在上述工程中將大有用武之地。

4. 新型機器人開發有突破

顯遠或遙現(telepresence或telexistance),被稱為臨場感。這種技術能夠測量和估計人對預測目標的擬人運動和生物學狀態,顯示現場信息,用于設計和控制擬人機構的運動。

虛擬現實(virtual reality,VR)技術是新近研究的智能技術,它是一種對事件的現實性從時間和空間上進行分解后重新組合的技術。這一技術包括三維計算機圖形學技術、多傳感器的交互接口技術以及高清晰度的顯示技術。虛擬現實技術可應用于遙控機器人和臨場感通信等領域。例如,可從地球上對火星探測機器人進行遙控操作,以采集火星表面上的土壤。

形狀記憶合金(SMA)被譽稱為智能材料。SMA 的電阻隨溫度的變化而改變,導致合金變形,可用來執行驅動動作,完成傳感和驅動功能。可逆形狀記憶合金(RSMA)也在微型機器人上得到了應用。

多自主機器人系統(MARS)是近年來開始探索的又一項智能技術,它是在單體智能 機器發展到需要協調作業的條件下產生的。多個機器人具有共同的目標,完成相互關聯的動作或作業。MARS 的作業目標一致,信息資源共享,各個局部(分散)動作的主體在全局環境下感知、行動、受控和協調,是群控機器人系統的發展。在諸多新型智能技術中, 基于人工神經網絡的識別、檢測、控制和規劃方法的開發和應用占有重要的地位。基于專家系統的機器人規劃獲得新的發展,除了用于任務規劃、裝配規劃、搬運規劃和路徑規劃外,還用于自動抓取方面。

5. 移動機器人自主性逐步提高

近年來,對移動機器人的研究受到重視,自主式移動機器人是研究最多的一種。自主機器人能夠按照預先給出的任務指令,根據已知的地圖信息做出全局路徑規劃,并在行進過程中,不斷感知周圍局部環境信息,自主地做出決策,引導自身繞開障礙物,安全行駛到達指定目標,并執行要求的動作與操作。移動機器人在工業和國防上具有廣泛的應用前景,如清洗機器人、服務機器人、巡邏機器人、防化偵察機器人、水下自主作業機器人、飛行機器人等。

四、需求與展望

(一)智能機器人發展的重點方向

首先,針對工業機器人系統,重點發展面向裝備制造業的 6 類機器人系統,包括新一代與人合作型機器人系統、自動導引機器人系統、焊接機器人系統、激光加工機器人系統、真空機器人系統、潔凈機器人系統等的研發。

其次,在特種機器人類別中,優先發展旋翼飛行機器人、水下機器人、空間機器人等幾種具有先發優勢的特種機器人。

再次,在服務機器人類別中,優先發展面向醫療的脊柱微創手術機器人系統、面向康復的手部康復及行為輔助機器人系統、面向助殘的智能假肢機器人系統以及面向老年維護的家政服務機器人系統等 4 種機器人。

最后,面向工業 4.0 新型制造體系的需求,研發智能化設備與裝置、全覆蓋管控一體化網絡、新型數據采集與監控系統、分布式智能控制系統、智能決策與管理系統、支撐制造產品全生命周期管理的信息服務平臺,研發面向航空、軍工、汽車、自動化儀表、高端電子等典型行業的基于機器人的智能化柔性裝配和制造生產系統。

具體的機器人系統與相關應用行業及技術的關系如圖 1 所示。

(二)智能機器人產業發展的關鍵核心技術

與各類機器人系統相對應,我國發展智能機器人產業的關鍵核心技術包括:

1. 機器人本體及關鍵零部件技術

面向未來智能機器人技術的發展需求,研究開發伺服電機技術和減速機技術,研究開發新型材料(形狀記憶合金、化合物等)技術、視覺和激光等新型感知技術,為智能機器人能力的進一步提升提供原動力。

2. 工業機器人技術

面向新工業革命的需求,研發下一代工業機器人及機器人操作系統,在柔順機電設計技術、非結構環境理解、實時認知技術、人機協同任務規劃技術、自適應與可重構裝配技術、安全性技術等方面進行技術變革,通過大數據、云計算為代表的信息技術與機器人技術的融合,促進機器人綜合能力的提升,實現與人的緊密協作,提升制造系統的智能化, 滿足新工業革命對個性化制造模式的要求,其核心技術路線圖如表 1 所示。

3. 特種機器人技術

發展具有自主知識產權的海洋探測技術,研發面向資源勘探、捕撈救援、環境監測等需求的系列化海洋裝備,推動產業化進程,提供我國在深遠海國際競爭中的技術支撐與能力保障;研發國防建設急需的無人化機器人裝備,包括面向海陸空單一環境和多棲環境的無人偵查及作戰機器人系統、增強單兵能力的助力機器人、智能光電系統等;研發面向極地科考、核電站巡檢、空間科學實驗等需求的特種機器人系統,其核心技術路線圖如表 2 所示。

4. 服務機器人技術

研究開發可在特定環境下(如家庭、醫院、賓館等)為非專業人員提供服務的智能機器人技術。針對醫療服務機器人,為了豐富傳統醫療康復手段、提升醫療康復水平,研究高靈巧度的操作手臂、基于醫學影像引導的手術操作系統、基于傳感器的健康數據自動采集系統、定量診斷和評估系統、機器人行為的安全保障系統,研制專科型手術機器人、康復機器人、穿戴式智能假肢機器人系統、特殊需求人群的個性化護理機器人、人體腔道介入機器人等,其核心技術路線圖如圖 4 所示。

此外,與機器人相關的技術培訓、基礎教育等相關內容也是未來機器人技術發展的重要內容。

5. 共融機器人技術

近幾年來,隨著世界發達國家紛紛將機器人作為國家計劃進行了細致的梳理和規劃, 對于智能機器人技術發展趨勢的分析與預測在全世界得到了熱烈討論。美國于 2011年啟動的先進制造伙伴計劃(the Advanced Manufacturing Partnership,AMP)中明確指出:“下一代機器人將與人類操作者緊密合作,為產業工人、健康服務者、士兵、手術醫生以及宇航員等完成復雜任務提供新的能力”,這是迄今為止國家級計劃中對下一代機器人功能內涵的最清晰描述。歐盟在第七框架計劃(2007 — 2013)中歸納出下一代機器人的核心特征:安全、自主的“人—機器人—物理世界”的交互,并給出了其所包含的 7 方面共性關鍵技術。在 2013 年 4 月德國推出的工業 4.0 計劃中也明確指出,智能工廠、智能生產是第四次工業革命的主題;而這種“智能”的物理實體就是機器人,通過智能機器人、機器設備以及人之間的相互合作,提高生產過程的智能性。

除了上述國家級的規劃,作為傳統工業機器人的使用大戶、也是使用期最長的用戶, 美國通用汽車公司(GM)給出了下一代機器人的發展期望。GM 明確指出,下一代制造業的使能技術是具有人的能力的機器人。

2008 年起,中國科學院開始組織全院力量論證新一代機器人技術的發展方向,經過五年的調研、討論與總結,提出未來的新一代智能機器人系統應該從更多方面模仿人,尤其是,機器人與人之間應該更多地表現出一種和諧共存、優勢互補的合作伙伴關系,即與人共融是新一代機器人系統的最本質特征。2016 年,國家自然科學基金委發布了“共融機器人基礎理論與關鍵技術研究”重大研究計劃,旨在推動相關領域的基礎研究和應用研究。

五、結束語

信息技術的快速發展,促使工業機器人必須提高運動能力和快速編程能力,實現快速高精度的三點定位;人工智能和互聯網技術的發展,為機器人提供強大的“后腦”,促進其智能水平的提高;材料科學的發展,使機器人使用人造肌肉成為可能,制成所謂“軟件機器人”,帶來機器人領域的革命;與腦科學的結合,可以使機器人的一些行為直接受控于人;與生命科學的結合,將產生類生命機器人。隨著人工智能、大數據和機器學習等技術的涌現,能夠與作業環境、人和其他機器人自然交互、自主適應復雜動態環境并協同作業的機器人,即共融機器人的概念被提出。未來,智能機器人必將朝著共融機器人的方向發展,能與人合作的機器人將是理想的作業裝備,而與人共融的程度,將是機器人發展的一個重要坐標。

在智能機器人蓬勃發展的同時,我們應針對當前智能機器人發展現狀與趨勢,分析機器人技術與應用前景,明確機器人基礎領域未來發展需求與面臨的關鍵技術挑戰,尋求解決這些技術挑戰所需要的技術路徑與手段;橫向對比國外的相關發展戰略,結合我國社會發展現狀,制定符合我國國情的智能機器人發展路線圖,為后續智能機器人研究提供系統、明確的發展目標,為相關科技政策的制定提供政策建議,為相關項目的布局和規劃提供依據。

責任編輯:焦旭

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