我國智能機器人技術(shù)發(fā)展的三個目標(biāo)
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(fā)展，機器人研發(fā)、制造和應(yīng)用將成為衡量國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志，是國家科技發(fā)展的戰(zhàn)略需求。智能機器人的下一步發(fā)展將體現(xiàn)在作業(yè)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(shù)方面還存在較大瓶頸，但同時也具備天然優(yōu)勢，應(yīng)抓緊利用產(chǎn)業(yè)浪潮加速發(fā)展，實現(xiàn)反超。
自1959年世界上第一臺工業(yè)機器人問世以來，“機器人學(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、國防、太空等各個領(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)濟變革的顛覆性技術(shù)》報告，將先進機器人列入12項技術(shù)之中。“機器人革命”有望成為“第三次工業(yè)革命”的一個切入點和重要增長點，將影響全球制造業(yè)戰(zhàn)略格局。
四點動力推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展
第一，制造業(yè)勞動力價格越來越高，而產(chǎn)品價格卻越來越低，企業(yè)需要利用機器人改變傳統(tǒng)制造業(yè)依賴密集型廉價勞動力的生產(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)爭仍頻繁發(fā)生而人類難以適應(yīng)此類環(huán)境，人類需要機器人代替人來執(zhí)行任務(wù)；
第四，人類探索深海、太空等極端環(huán)境的活動越來越頻繁，而人類在此類環(huán)境中的生存能力低且代價高，需要利用機器人實現(xiàn)遠程交互作業(yè)。
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(tǒng)與現(xiàn)代需求迥異
傳統(tǒng)的工業(yè)機器人適用于結(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)，實時在線完成非確定性的任務(wù)；傳統(tǒng)機器人屬于多輸入和單末端輸出系統(tǒng)，而現(xiàn)代機器人則屬于多輸入和多末端輸出系統(tǒng)；傳統(tǒng)機器人在靈巧作業(yè)、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(xiàn)高效的溝通和交流。由于目前的機器人示教和規(guī)劃困難，且缺乏有效的安全機制，因此，現(xiàn)代機器人將面臨如何與人互助作業(yè)、如何服務(wù)人類生活、如何實現(xiàn)人機交互與自律協(xié)同的控制等一系列技術(shù)挑戰(zhàn)。
工業(yè)強國優(yōu)先發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)
2013年，美國發(fā)表了《從互聯(lián)網(wǎng)到機器人——美國機器人發(fā)展路線圖》，預(yù)測機器人是一種能像網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣對人類的未來產(chǎn)生革命性影響的新技術(shù)，擁有改變未來的巨大潛力，有望像計算機設(shè)備一樣在未來幾十年內(nèi)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(xù)制造、社會老齡化、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)機器人在美國出現(xiàn)之前，受當(dāng)時計算機、控制器、驅(qū)動與傳動等單元配套技術(shù)發(fā)展水平的制約，機器人處于低潮期，進步緩慢。上世紀(jì)60年代后期，工業(yè)機器人被日本引進后得到了快速發(fā)展。在勞動力短缺、產(chǎn)業(yè)升級、政策支持等形勢下，日本機器人產(chǎn)業(yè)在20世紀(jì)70-90年代出現(xiàn)了爆發(fā)式增長，造就了日本工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)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(jì)以來，世界各工業(yè)強國均將機器人列入優(yōu)先發(fā)展行業(yè)。
2011年，美國開始推行“先進制造業(yè)伙伴計劃”，旨在通過發(fā)展工業(yè)機器人重振美國制造業(yè)，并投資28億美元開發(fā)基于移動互聯(lián)技術(shù)的新一代智能機器人；2012年，為配合“制造業(yè)回歸”和“再工業(yè)化國家戰(zhàn)略”，美國國家科學(xué)基金會提出“國家機器人技術(shù)計劃”，發(fā)展能與人類合作的新一代機器人。
2012年10月，韓國發(fā)布了“機器人未來戰(zhàn)略展望2022”，支持擴大韓國機器人產(chǎn)業(yè)并推動機器人企業(yè)進軍海外市場。
2013年，德國提出“工業(yè)4.0”計劃，支持基于機器人技術(shù)的“虛實合一”的制造系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃。
2014年6月，歐盟啟動全球最大的民用機器人研發(fā)計劃(“火花”計劃)，2020年前投入28億歐元研發(fā)民用機器人，增強歐洲工業(yè)競爭力。
日本制定了機器人技術(shù)長期發(fā)展戰(zhàn)略，將機器人產(chǎn)業(yè)列入“新產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略”中7大重點扶持性產(chǎn)業(yè)。2014年9月，日本政府召開“機器人革命實現(xiàn)會議”，著力推進醫(yī)療、看護、農(nóng)業(yè)及建筑工地等領(lǐng)域的機器人發(fā)展，5年內(nèi)力爭實現(xiàn)機器人普及、提高生產(chǎn)效率、解決勞動力短缺等問題。2020年使制造業(yè)領(lǐng)域的機器人市場規(guī)模翻番，非制造業(yè)領(lǐng)域擴大至20倍。
我國臺灣地區(qū)提出機器人技術(shù)發(fā)展三步走戰(zhàn)略，短期重點聚焦制造業(yè)機器人、促進制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級；中期側(cè)重環(huán)保節(jié)能理念，重點發(fā)展LED與PV(太陽能光電)等新興綠色產(chǎn)業(yè)用機器人。長期側(cè)重人性需求，重點發(fā)展醫(yī)療與觀光服務(wù)業(yè)機器人。
我國國防裝備升級需要大量的機器人
我國工業(yè)機器人起步于上世紀(jì)70年代初，但因勞動力資源豐富、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，隨著我國改革開放逐步深入，開始大力發(fā)展機器人。“七五”計劃中，機器人被列為國家重點科研規(guī)劃，“863”計劃啟動時便設(shè)立了“智能機器人主題”。近二十年來，我國機器人技術(shù)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(shù)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(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大，已從汽車、電子等制造行業(yè)，逐步向食品、醫(yī)療、服務(wù)和國防等領(lǐng)域擴展。“進入新世紀(jì)以來，隨著勞動力成本的大幅上漲，我國制造業(yè)對機器人的需求不斷加大，未來我國的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、社會老齡化應(yīng)對、國防裝備升級均需要大量的機器人。”機器人產(chǎn)業(yè)研究專家羅百輝表示，我國機器人產(chǎn)業(yè)已取得了一定程度的進步，在機器人整機設(shè)計與制造方面積累了一定經(jīng)驗，形成了一支較為龐大的基礎(chǔ)研發(fā)隊伍。我國工業(yè)機器人本體制造技術(shù)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(shù)總體發(fā)展仍相對落后，國內(nèi)機器人市場絕大部分為國外公司所占據(jù)，僅瑞士ABB、日本發(fā)那科及安川電機、德國KUKA四家公司就已占據(jù)國內(nèi)市場大部分份額。目前，國內(nèi)機器人核心技術(shù)缺失，減速器、驅(qū)動與控制等核心部件主要依賴外購。機器人自主設(shè)計與創(chuàng)新能力不足是我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。
一般來說，智能機器人包括機構(gòu)、結(jié)構(gòu)本體、驅(qū)動傳動、能源動力、感知等系統(tǒng)。機器人核心部件包括伺服電機、減速器及控制器、驅(qū)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(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。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(quán)。國內(nèi)諧波減速器研究起步較早，如北京諧波傳動技術(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。由于市場問題，該項研究進展較慢，但積累了較多的研發(fā)經(jīng)驗。近年來，國產(chǎn)諧波減速器開始迅速發(fā)展，國產(chǎn)諧波減速器開始在國產(chǎn)機器人產(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)域的國際市場也被日本的Nabtesco公司所壟斷。國內(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)十個半圓孔的圓度及同心度。工業(yè)機器人的控制系統(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、驅(qū)動器等，主控層包括控制器、編碼器、力傳感器等。目前，國內(nèi)機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、動態(tài)響應(yīng)好、驅(qū)動器開放性強等優(yōu)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(tǒng)，相對歐系控制系統(tǒng)來說動態(tài)性能偏弱，但具有價格優(yōu)勢。近年，一些國產(chǎn)控制系統(tǒng)中也逐漸開始在工業(yè)機器人產(chǎn)品上得到應(yīng)用。
羅百輝說，機器人理論及關(guān)鍵技術(shù)研究是我國工程領(lǐng)域長期面臨的科學(xué)挑戰(zhàn)，需要解決機器人與作業(yè)任務(wù)和環(huán)境的適應(yīng)性、人機交互與自律協(xié)同控制、信息采集與傳輸機制等科學(xué)問題，突破減速器、感知驅(qū)動與控制等關(guān)鍵技術(shù)及核心部件等技術(shù)瓶頸，確保我國在下一輪機器人發(fā)展大潮中處于不敗之地，機器人理論與關(guān)鍵技術(shù)研究是國家的重大戰(zhàn)略需求。
智能機器人技術(shù)走向何方
機器人技術(shù)涉及眾多領(lǐng)域，具有多學(xué)科交叉和融合等特點。機器人正在逐步發(fā)展成為具有感知、認知和自主行動能力的智能化裝備，是數(shù)學(xué)、力學(xué)、機構(gòu)學(xué)、材料科學(xué)、自動控制、計算機、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)了國家高技術(shù)領(lǐng)域的綜合實力。我國現(xiàn)階段機器人的發(fā)展需要智能和自主作業(yè)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(huán)境感知、規(guī)劃和導(dǎo)航、類人的靈巧操作、直觀的人機交互、行為安全等關(guān)鍵技術(shù)。
智能機器人技術(shù)發(fā)展的三個目標(biāo)：
第一，加強工業(yè)機器人整機設(shè)計理論與方法研究，尋求新思維，突破驅(qū)動、傳動、感知與控制等核心基礎(chǔ)部件的技術(shù)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(wù)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(xié)調(diào)合作能力，建立機器人安全機制；
第三，針對在核輻射、軍事戰(zhàn)場、自然和人為災(zāi)害等危險甚至不可達區(qū)域執(zhí)行任務(wù)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(tài)未知環(huán)境中自主作業(yè)等問題，實現(xiàn)機器人與人共處同一環(huán)境空間互助作業(yè)，為開發(fā)國家亟需的現(xiàn)代機器人提供科學(xué)理論和關(guān)鍵性技術(shù)支撐。
為了實現(xiàn)上述發(fā)展目標(biāo)，我國智能機器人技術(shù)發(fā)展需要針對現(xiàn)代機器人出現(xiàn)的“人-機交互”、“人-機合作”、“人-機融合”等發(fā)展趨勢，解決三個主要科學(xué)問題。
第一，揭示機器人與非結(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)代機器人創(chuàng)新與設(shè)計提供理論基礎(chǔ)；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(gòu)建人機溝通及安全機制提供理論依據(jù)；第三，揭示人機交互與自律協(xié)同控制原理，為機器人人機協(xié)調(diào)合作提供技術(shù)支撐。
此外，一些有較強應(yīng)用前景的新型特種機器人設(shè)計技術(shù)也值得關(guān)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(yè)機器人；地震搜救與作業(yè)機器人；井噴救災(zāi)機器人；核電維護和退役與救災(zāi)機器人；消防救援機器人；外星探測與作業(yè)機器人；山地運載機器人；自主步行作戰(zhàn)機器人；移動式制造機器人系統(tǒng)；多指多臂多智能體制造機器人系統(tǒng)；康復(fù)、健身、醫(yī)療、家庭護理機器人；別墅區(qū)安保機器人；人機合作建筑作業(yè)機器人等。
未來充滿希望
機器人已從早期的工業(yè)機器人發(fā)展為種類繁多的現(xiàn)代工業(yè)機器人、特種機器人和服務(wù)機器人。雖然工業(yè)機器人已廣泛應(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、在線感知實時作業(yè)弱等問題；服務(wù)機器人是應(yīng)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(xié)調(diào)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(zhàn)場、自然和人為災(zāi)害等危險甚至不可達區(qū)域執(zhí)行任務(wù)的重要手段，存在依賴離線編程、在動態(tài)未知環(huán)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(fā)展必然要尋求作業(yè)能力的提升、人機交互能力的改善、安全性能的提高。當(dāng)前，機器人正在從“傳統(tǒng)機器人”走向“現(xiàn)代機器人”，呈現(xiàn)出“人-機”交互、“人-機”合作、“人-機”融合等明顯的技術(shù)特征。現(xiàn)代機器人需要在三維環(huán)境中感知、規(guī)劃和導(dǎo)航、類人的靈巧操作、直觀的人機交互、行為安全等理論與技術(shù)方面突破與發(fā)展。
我國機器人市場容量巨大、多樣，這是國外機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展不具備的獨特優(yōu)勢，正如我國消費電子、互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的國產(chǎn)品牌正不斷實現(xiàn)對國外行業(yè)巨頭的超越，我國機器人行業(yè)也會在不久的將來創(chuàng)造新的奇跡。
- 上一篇：中國制造業(yè)拉響危機警報 2015/10/16
- 下一篇：公司新版網(wǎng)站正式上線 2013/9/22