2017年初，美國創(chuàng)立先進(jìn)機(jī)器人制造（ARM）創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，這是美國基于制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)（NNMI）計(jì)劃建成的第14個(gè)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，ARM與美國制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)中的其他機(jī)構(gòu)一起，致力于振興美國制造業(yè)，并鼓勵(lì)企業(yè)在美國進(jìn)行新技術(shù)研發(fā)投資。

一、制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)（NNMI）助推美國制造業(yè)創(chuàng)新

為了促進(jìn)科技創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化，美國政府啟動(dòng)了國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，即NNMI計(jì)劃。NNMI計(jì)劃旨在創(chuàng)造一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)性的、有效的和可持續(xù)發(fā)展的科研到制造體系，任務(wù)是連接人、概念和技術(shù)，解決行業(yè)內(nèi)的先進(jìn)制造業(yè)挑戰(zhàn)，從而提高產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，并加強(qiáng)國家安全。其四層戰(zhàn)略目標(biāo)是：1.提升制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。加大政府投入、增強(qiáng)智力創(chuàng)新、支持更多本土制造和創(chuàng)新研究；2.促進(jìn)研究成果與制造能力的轉(zhuǎn)化。扭轉(zhuǎn)基礎(chǔ)研究難以轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實(shí)制造業(yè)生產(chǎn)力的不利局面，加快技術(shù)轉(zhuǎn)化速度；3.促進(jìn)先進(jìn)制造業(yè)勞動(dòng)力發(fā)展。加大人力資源開發(fā)，培育制造業(yè)各領(lǐng)域所需“下一代”人才；4.支持“制造業(yè)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)”穩(wěn)定持久發(fā)展。通過商業(yè)模式運(yùn)用，打造“制造業(yè)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)”的“生態(tài)系統(tǒng)”。NNMI計(jì)劃通過政府引導(dǎo)方式的來推動(dòng)創(chuàng)新，進(jìn)一步鞏固美國制造業(yè)在全球的領(lǐng)導(dǎo)地位。美國政府承諾為整個(gè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)投資超過10億美元，并且匹配超過20億美元的非聯(lián)邦投資。NNMI計(jì)劃現(xiàn)已建成包括ARM在內(nèi)的14家制造業(yè)創(chuàng)新中心（見表1），在推動(dòng)人工智能、生物技術(shù)、自動(dòng)化、輕量化制造、機(jī)器人和材料工藝等18個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域（見表2）的制造工藝、技術(shù)、產(chǎn)品的研發(fā)和創(chuàng)新方面取得了重要進(jìn)展。

表1NNMI計(jì)劃已建成的先進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)

表2技術(shù)領(lǐng)域分布圖

二、先進(jìn)機(jī)器人制造（ARM）整合美國機(jī)器人制造技術(shù)

ARM的全稱是“AdvancedRoboticsManufacturing”，即“高等機(jī)器人制造”,機(jī)構(gòu)總部設(shè)在賓夕法尼亞州的匹茲堡，共獲得美國國防部8000萬美元的聯(lián)邦資金，以及來自各州、地方政府、工業(yè)界、大學(xué)、社區(qū)學(xué)院和非營(yíng)利組織組成的機(jī)構(gòu)成員提供的1.73億美元的配套資金。高額的配套資金反映出先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)在美國制造業(yè)創(chuàng)新領(lǐng)域的重要性以及其對(duì)美國商業(yè)、學(xué)術(shù)界和地方政府的價(jià)值。ARM旨在通過跨學(xué)科集成各種工業(yè)界實(shí)踐和學(xué)術(shù)界知識(shí)，創(chuàng)建并應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)，開發(fā)一系列機(jī)器人技術(shù)并應(yīng)用于航空航天、汽車、電子和紡織等行業(yè)，形成制造創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)。ARM的四項(xiàng)使命是加強(qiáng)美國勞動(dòng)力、創(chuàng)造并維持就業(yè)、樹立機(jī)器人領(lǐng)導(dǎo)地位和促進(jìn)中小企業(yè)的制造發(fā)展。

三、ARM確定的美國先進(jìn)機(jī)器人制造未來發(fā)展方向

ARM將跨多個(gè)學(xué)科（傳感器技術(shù)、末端執(zhí)行器技術(shù)的開發(fā)、軟件開發(fā)和人工智能、材料科學(xué)、人機(jī)行為建模和質(zhì)量保證），整合各種制造行業(yè)的實(shí)踐，形成強(qiáng)大的制造創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)。為此，ARM研究院的技術(shù)焦點(diǎn)至少包括六個(gè)主要領(lǐng)域：

1.協(xié)作機(jī)器人（總體設(shè)計(jì)）

協(xié)作機(jī)器人是下一代機(jī)器人發(fā)展的重要方向，其主要特點(diǎn)是能像工友一樣與其他機(jī)器人或人類一起工作，無需隔離防護(hù)。在協(xié)作環(huán)境中與人類和其他機(jī)器發(fā)生接觸是難免的，因此機(jī)器人設(shè)計(jì)必須以安全為根本，具備識(shí)別潛在物理接觸及計(jì)劃規(guī)避行動(dòng)的能力。

（1）面向協(xié)作機(jī)器人的設(shè)計(jì)。隨著拓?fù)鋬?yōu)化和材料技術(shù)的發(fā)展，未來的機(jī)器人設(shè)計(jì)可以集成軟控制技術(shù)、新型高性能驅(qū)動(dòng)裝置以及先進(jìn)材料，讓機(jī)器人能夠與人類進(jìn)行物理接觸，并且在執(zhí)行一系列任務(wù)時(shí)保持穩(wěn)定操作。

（2）人－機(jī)／機(jī)－機(jī)交互。除了物理上的安全交互，機(jī)器人還需要通過直觀界面與人類進(jìn)行有效溝通，比如通過語音（通用自然語言）或非語音（圖像、手勢(shì)）接收人類指令，識(shí)別人類活動(dòng)以保持與其同步，并且把自己的意圖清晰傳達(dá)給人類。

（3）監(jiān)督下的運(yùn)行保證。為機(jī)器人運(yùn)行提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和校正協(xié)作環(huán)境的手段，保證機(jī)器人的安全和性能。運(yùn)行保證能力應(yīng)該提供實(shí)時(shí)狀態(tài)感知、安保（包括賽博安全）、安全策略監(jiān)測(cè)、調(diào)試、故障防護(hù)，以及系統(tǒng)行為驗(yàn)證與確認(rèn)（V&V;），獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)可儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中用于分析。

2.機(jī)器人控制（學(xué)習(xí)、適應(yīng)和改變用途）

下一代機(jī)器人可通過觀察演示來學(xué)習(xí)、調(diào)整其功能，敏捷變換用途。任務(wù)適應(yīng)性的提升將使航空航天等行業(yè)擁有安全有效和高生產(chǎn)率的機(jī)器人系統(tǒng)，應(yīng)對(duì)多品種、小批量生產(chǎn)。先進(jìn)的自適應(yīng)控制和人工智能是支撐這一領(lǐng)域發(fā)展的使能技術(shù)，此外還需一個(gè)具備綜合模塊化架構(gòu)的開放式通用框架。

（1）學(xué)習(xí)與決策。使用案例學(xué)習(xí)技術(shù)，讓協(xié)作機(jī)器人觀察人類或其它機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)，并能在若干安全和性能限制下重復(fù)這些行為。為檢查任務(wù)執(zhí)行的效果，可將高層級(jí)決策中的決策技術(shù)（最終將是成熟的推理技術(shù)）與低層級(jí)控制回路耦合以開發(fā)新技能，并通過不斷觀察而實(shí)時(shí)更新。高效的實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)對(duì)于學(xué)習(xí)和推理的執(zhí)行至關(guān)重要。

（2）適應(yīng)。讓機(jī)器人更具適應(yīng)能力，如在一個(gè)機(jī)器人班組中有機(jī)器人出現(xiàn)故障時(shí)，可在它們中間重新分配任務(wù)。適應(yīng)性可包括：1）有效使用和集成開源軟件；2）快速修改預(yù)確認(rèn)的算法以及通用軟件架構(gòu)和代碼的能力；3）在機(jī)器人硬件中設(shè)計(jì)某些屬性，從物理上實(shí)現(xiàn)對(duì)制造周期中干擾和變化的自適應(yīng)響應(yīng)；4）對(duì)人類和機(jī)器人進(jìn)行協(xié)作培訓(xùn)，快速調(diào)整和適應(yīng)新軟件、硬件和生產(chǎn)協(xié)議的實(shí)施。

（3）快速改變用途。關(guān)注改變機(jī)器人用途的便利性，并提高投資回報(bào)率。快速、經(jīng)濟(jì)和安全的讓機(jī)器人平臺(tái)改變用途應(yīng)包括：1）使能手段——修改或替換機(jī)器人的物理元件，允許其執(zhí)行一系列新的人-機(jī)協(xié)作任務(wù)；2）軟件工具——快速和經(jīng)濟(jì)的重新配置機(jī)器人以執(zhí)行新任務(wù)，減少制造資產(chǎn)的空閑時(shí)間；3）安全協(xié)議——有效的人－機(jī)安全培訓(xùn)和快速改變用途的獨(dú)特協(xié)議。

3.靈巧操作

為實(shí)現(xiàn)下一代機(jī)器人對(duì)不同大小、外形及易碎物體的平穩(wěn)抓取和靈巧操作，需要為復(fù)雜末端執(zhí)行器開發(fā)觸覺陣列密度接近人類的硬件，以及面向?qū)ο蟮乃惴āＷ赃m應(yīng)學(xué)習(xí)是與這一領(lǐng)域密切相關(guān)的使能技術(shù)。針對(duì)下一代末端執(zhí)行器的開發(fā)，還需要使用虛擬仿真手段優(yōu)化設(shè)計(jì)、選擇并實(shí)施最恰當(dāng)?shù)撵`巧操作實(shí)現(xiàn)方法。

4.自主導(dǎo)航與機(jī)動(dòng)

在有人類走動(dòng)和其他機(jī)器運(yùn)行的制造環(huán)境中，下一代機(jī)器人應(yīng)該快速響應(yīng)其路徑規(guī)劃，自主移動(dòng)，并且在預(yù)定路線上能夠敏捷地規(guī)避障礙。安裝在移動(dòng)自主平臺(tái)上的靈巧機(jī)械臂可提供多用途操作能力，如噴漆、攀爬、進(jìn)入狹小空間等。

（1）導(dǎo)航、動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃、障礙察覺和規(guī)避。自主導(dǎo)航能力將需要在系統(tǒng)最穩(wěn)（如安全）和性能最優(yōu)（如速度）之間平衡，讓機(jī)器人在動(dòng)態(tài)制造環(huán)境中知曉自身的尺寸和配置，以及它必須通過的障礙。只有機(jī)器人具備良好的狀態(tài)感知能力，并且能夠?qū)鞲衅?a target="_blank">信息處理成可執(zhí)行的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃時(shí)（如導(dǎo)航和路徑規(guī)劃能力），機(jī)器人才能自主移動(dòng)。

（2）機(jī)動(dòng)性使能條件。機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性會(huì)受系統(tǒng)電力要求、電池容量和尺寸、信號(hào)／通信等因素限制，還會(huì)受通信安全以及工廠基礎(chǔ)設(shè)施變化得影像，因此未來的理想狀態(tài)是一個(gè)不被電力和通信約束限制的機(jī)器人環(huán)境。

5.洞察與感知

洞察力對(duì)下一代機(jī)器人來說是一項(xiàng)需要極大提升的關(guān)鍵能力。必須對(duì)諸如視覺、距離、觸覺、溫度、力、扭矩等感知模式進(jìn)行提高、分析和融合，以使機(jī)器人擁有恰當(dāng)?shù)臓顟B(tài)感知能力。車間中的機(jī)器人將需要集成具備洞察力的系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)它們以及周圍事物（人類、其它機(jī)器人或設(shè)備）的行進(jìn)。這些系統(tǒng)能夠檢測(cè)零部件的缺陷，估測(cè)人類維持安全和生產(chǎn)率的情緒和身體狀態(tài)，并且基于觸覺以其它反饋來執(zhí)行更多的抓取和組裝策略。為全面解釋智能狀態(tài)感知，需要傳感器之間互操作和相兼容，并且需要數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化技術(shù)和先進(jìn)分析方法。

6.測(cè)試、驗(yàn)證和確認(rèn)

輔助下一代機(jī)器人開發(fā)和分析的虛擬和物理手段與工具，包括基于實(shí)證的設(shè)計(jì)、實(shí)施和分析，以及面向所有成員的一個(gè)軟件測(cè)試臺(tái)和中央數(shù)據(jù)庫，這對(duì)于原型制造和工藝的確認(rèn)至關(guān)重要。

（1）協(xié)作環(huán)境建模與仿真工具。開發(fā)對(duì)人機(jī)協(xié)作環(huán)境進(jìn)行可預(yù)測(cè)的端到端設(shè)計(jì)所需的工具。目前針對(duì)機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)來說，在設(shè)計(jì)、安全性以及性能等方面進(jìn)行建模、分析并且驗(yàn)證還存在挑戰(zhàn)，這包括在協(xié)作環(huán)境中用模型執(zhí)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)的能力。協(xié)作環(huán)境應(yīng)由一個(gè)可靠的知識(shí)管理系統(tǒng)支撐，能夠提供經(jīng)確認(rèn)的性能數(shù)據(jù)，未來創(chuàng)新的建模與仿真工具將解決這些問題。

（2）機(jī)器人軟件測(cè)試臺(tái)。開發(fā)可訪問的協(xié)作機(jī)器人軟件測(cè)試臺(tái)，在將其集成進(jìn)最終的機(jī)器人系統(tǒng)之前測(cè)試子系統(tǒng)的行為可靠性。一個(gè)共享的測(cè)試臺(tái)應(yīng)可在原型集成到各種實(shí)際制造系統(tǒng)之前，測(cè)試并確認(rèn)原型中嵌入的軟件及其他軟件。理想狀態(tài)是擁有軟件自動(dòng)化測(cè)試工具，以及在早期和開發(fā)與集成周期中驗(yàn)證產(chǎn)品代碼的能力。