為什么要發(fā)展機器人？
人類社會已進入信息化時代，機器人在信息化時代發(fā)揮著重要作用。回顧機器人的發(fā)展歷程，最早可以追溯到中國東漢時期的指南車。1978年工業(yè)機器人就已廣泛應用于電子和汽車生產(chǎn)線，這也是工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)應用的開始。
近幾年，機器人在各大領域發(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，機器人在重大基礎設施建設和運維方面也發(fā)揮著不可替代的重要作用。
為什么要發(fā)展機器人？近年來，制造業(yè)面臨轉型升級，人類社會老齡化趨勢加深，在勞動力短缺和制造業(yè)轉型升級的雙重壓力下，機器人的應用需求愈發(fā)迫切。
近幾年，世界各國對于發(fā)展機器人非常重視，紛紛出臺機器人戰(zhàn)略規(guī)劃，其中又以美國、德國、中國、日本等國推動機器人發(fā)展最為迅速。
美國發(fā)布國家機器人計劃，發(fā)展多機器人協(xié)作等技術，包括人機協(xié)同，期望將協(xié)作機器人無縫集成到人類社會；德國是工業(yè)制造大國，希望通過大力發(fā)展智能工廠、智能生產(chǎn)和智能物流機器人，提升德國工業(yè)競爭力；日本是機器人發(fā)展比較成熟的國家，提出最多的就是發(fā)展服務機器人和醫(yī)療機器人；歐盟對農(nóng)業(yè)發(fā)展非常重視，提出通過機器人推動農(nóng)業(yè)發(fā)展；中國圍繞機器人技術發(fā)展也出臺了一系列政策，希望通過機器人推動制造業(yè)轉型升級。機器人是最有活力、最有潛力的產(chǎn)業(yè)，也是未來推動數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的引擎。
簡單定義機器人，其就是一種機械自動化裝置，具有感知、規(guī)劃、決策、控制等功能，能夠協(xié)助或替代人類完成部分工作。機器人按用途分類，可分為工業(yè)機器人、農(nóng)業(yè)機器人、醫(yī)療機器人等；按結構劃分，包括仿人機器人、模塊化機器人、串聯(lián)機器人、并聯(lián)機器人等；從空間角度劃分，分為面向地面的、空中的、水下的機器人等。
不管機器人如何復雜，有四個核心關鍵技術需要掌握：機器人的本體機構、感知系統(tǒng)、決策規(guī)劃調度系統(tǒng)以及執(zhí)行系統(tǒng)。所以，機器人是一個典型的閉環(huán)反饋自動化控制系統(tǒng)。機器人技術涵蓋多學科領域，涉及人工智能、機械工程、控制論、計算機、電子、材料等多學科交叉融合。
通過工業(yè)機器人、飛行機器人、移動機器人、醫(yī)療機器人、海洋機器人、空間機器人等平臺載體，機器人已廣泛應用于多個領域，其中最有活力的就是智能制造、智能物流和精準農(nóng)業(yè)等。此外，在特殊行業(yè)如搶險救災中，機器人也發(fā)揮了重要作用。新冠肺炎疫情期間就涌現(xiàn)出一大批防疫機器人，它們的出現(xiàn)降低了醫(yī)務人員的工作強度，減少了交叉感染風險，起到了重要作用。
2019年，發(fā)表于Science Robotic的文章指出，近幾年全世界機器人的發(fā)展面臨十大挑戰(zhàn)，其中智能機器人、新材料、仿生、機器人的能源動力、腦機接口、醫(yī)療機器人、機器人的倫理和安全都是未來機器人發(fā)展和挑戰(zhàn)的方向，這意味著未來機器人一定會朝著更強的自主性、更好的自主學習能力以及多機協(xié)作的方向發(fā)展。
智能機器人感知與控制關鍵技術
研制一臺完整的機器人需要開發(fā)五大功能模塊——感知能力、運動能力、規(guī)劃能力、學習能力和決策控制能力。機器人是一個閉環(huán)反饋的自動化控制系統(tǒng)，其中三個關鍵核心技術起到支撐作用——環(huán)境感知、規(guī)劃決策和協(xié)同控制。
第一個是機器人感知技術。機器人視覺感知系統(tǒng)的重點在于視覺傳感器和成像系統(tǒng)研制、視覺信息處理、視覺的硬件和軟件嵌入式系統(tǒng)、感知軟硬件測試與評估四個方面。通過打造高速高精的視覺傳感器，可以給機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光學成像，可實現(xiàn)高實時、高可靠、高性能的視覺感知；高分辨率視覺感知，可實現(xiàn)復雜場景中的微小物體清晰成像；三維視覺識別定位，能解決高端制造異形無序工件的識別定位與引導抓取作業(yè)。
第二個是機器人控制技術。機器人感知環(huán)境信息后，需要依托感知到的環(huán)境信息控制機器人的操作。目前機器人的控制系統(tǒng)發(fā)展非常迅速，大致分為柔順控制、視覺伺服控制、學習智能控制以及多機協(xié)同控制四個方面。
對于學習控制，機器人的學習過程十分漫長，通過不斷學習可以讓機器人擁有感知決策的能力，而控制器可以通過硬件固化，在機器人大腦實現(xiàn)關節(jié)控制與系統(tǒng)控制。近幾年發(fā)展非常迅速的強化學習控制器就是典型代表。比如，加工一個大型復雜構件、完成一個醫(yī)療手術，需要的是深度迭代的運動控制學習，通過設計好的反饋控制不斷迭代、不斷訓練，讓機器人能夠完成復雜的作業(yè)。又如，在一個非常復雜且雜亂無序的零部件場景中，怎樣有效抓取、有效識別、有效裝配，這需要將視覺感知、視覺伺服和精準控制三個方面的工作有機結合起來，真正形成一個基于三維深度學習感知的學習控制器。
第三個是多機器人協(xié)同控制，主要解決三個關鍵性的核心問題：多傳感器信息融合、協(xié)同感知、協(xié)同規(guī)劃和控制。解決好這三個關鍵技術，就能夠加工一個大型復雜部件。在多機系統(tǒng)控制中，網(wǎng)絡控制也非常重要，網(wǎng)絡一旦遭受攻擊該怎樣解決？首先是發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡攻擊，剔除攻擊網(wǎng)絡的病毒，最后是重組，這些就是分布式彈性控制需要解決的問題。
基于上述控制外，機器人還有一個最核心的末端執(zhí)行機構，要讓機器人精準的操作、精準的完成任務、精準的手術，還需要研制精準靈巧控制，這里涵蓋了光機電一體化控制。
此外，機器人集成創(chuàng)新技術非常重要，可以歸結為機器人的第五大技術，這五大技術可廣泛應用到不同的領域和需求。
例如，我們團隊近年來基于這五大技術做成了幾個典型應用場景：研制了高速飲料自動化生產(chǎn)線智能檢測分揀機器人，實現(xiàn)了飲料行業(yè)關鍵崗位換人；研制的醫(yī)藥和疫苗制造機器人做到了高速無菌化、無人化生產(chǎn)，并與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡配合推動了高端疫苗的生產(chǎn)自動化；通過視覺引導技術研制出了輪胎裝配機器人，應用于汽車制造自動化生產(chǎn)線；研制的機器人機械加工、激光焊接控制系統(tǒng)，可完成超大型構件的焊接與加工。
除了工業(yè)領域，我們團隊還面向特種重大工程應用，研發(fā)了一系列特種服務機器人。2008年南方冰災期間，我們研發(fā)了一系列電力作業(yè)機器人，應用于國家電網(wǎng)等30余家企業(yè)，使其發(fā)展成為了一個產(chǎn)業(yè)。2020年初研發(fā)了一系列防疫機器人，已推廣應用于各大醫(yī)院。
智能機器人的未來
最初的機器人主要包括控制器、減速器、伺服器，加上完備的人機界面，就是自動化的機器人1.0時代。
在機器人2.0時代，機器人進入數(shù)字化階段，加入了視覺感知、軌跡規(guī)劃、示教引導等。現(xiàn)在學術界、工業(yè)界以及產(chǎn)業(yè)界需要的是智能服務機器人，即向機器人3.0也就是協(xié)作機器人發(fā)展，讓機器人具備認知學習、人機交互、語義分析等更多功能。
將來，機器人4.0還要具備更強的自主能力，這就需要更多的技術突破。機器人的發(fā)展過程是技術不斷迭代的過程，由此讓機器人變得更加聰明、更加有效、更加可靠，從而能夠為人類帶來更好的服務。
人工智能技術決定了未來機器人的發(fā)展，例如聯(lián)想記憶技術、環(huán)境感知技術、行動規(guī)劃、機器深度學習等。未來需開發(fā)具有智能化、自主化、網(wǎng)絡化的類腦控制系統(tǒng)，提高機器人的智能化。
未來的機器人要像人類一樣能夠看懂說明書，進行自動裝配。要完成這項任務，機器人需要通過視覺傳感器感知并分析判斷理解說明書的內容。從感知智能到認知智能再到行為智能的轉變，這些都需要人工智能技術的賦能。同樣，未來智能工廠的發(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器人。
未來，機器人也將廣泛應用于軍事領域，例如無人戰(zhàn)車、無人駕駛飛機、無人潛航器等無人作戰(zhàn)系統(tǒng)。這就需要研發(fā)面向陸�？仗熳灾鳠o人系統(tǒng)的協(xié)同感控算法與類腦芯片、自主集群交互系統(tǒng)以及無人集群協(xié)同作戰(zhàn)智能算法，這些都需要人工智能技術賦能無人系統(tǒng)。
未來機器人將朝著網(wǎng)絡化、自主化、協(xié)同化、靈巧化、智能化方向發(fā)展。而要想推動機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，一定要研究制定好機器人的發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃，建立一個良好的協(xié)同創(chuàng)新環(huán)境，制定好機器人下一代研發(fā)的技術標準，最為關鍵的是要培養(yǎng)一大批創(chuàng)新人才。■
（作者系中國工程院院士，記者高雅麗整理）