智能機(jī)器人在人工智能與機(jī)器人深度融合技術(shù)上可以歸納為感知智能、認(rèn)知智能、決策智能、控制智能。機(jī)器人未來(lái)將向網(wǎng)絡(luò)化、自主化、協(xié)作化、靈巧化方面發(fā)展。

王耀南 中國(guó)工程院院士、湖南大學(xué)教授

為什么要發(fā)展機(jī)器人

人類(lèi)已經(jīng)經(jīng)歷了第一次工業(yè)革命到第三次工業(yè)革命，從發(fā)明蒸汽機(jī)的動(dòng)力到第二次工業(yè)革命的電力，到今天信息時(shí)代計(jì)算的算力。在這樣的大背景下，智能化時(shí)代應(yīng)運(yùn)而生，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域，智能機(jī)器人都發(fā)揮著重要作用。機(jī)器人的出現(xiàn)比人工智能概念提出還要早，最早在東漢時(shí)期，中國(guó)發(fā)明的指南車(chē)就是今天的移動(dòng)機(jī)器人。應(yīng)用于工業(yè)上的機(jī)器人則是在1978年首次發(fā)明的PUMA機(jī)器人，從工業(yè)機(jī)器人到特種作業(yè)機(jī)器人，到服務(wù)機(jī)器人和無(wú)人系統(tǒng)，進(jìn)入了發(fā)展高峰期。機(jī)器人在國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)發(fā)揮著重要作用，近幾年國(guó)家在大型艦船、軌道交通設(shè)備、航空航天設(shè)備，特別是新能源汽車(chē)上，已經(jīng)廣泛應(yīng)用機(jī)器人來(lái)進(jìn)行加工、焊接、打磨、拋光、測(cè)量、噴涂等工作，機(jī)器人已經(jīng)成為制造強(qiáng)國(guó)的重要工具。

機(jī)器人在工業(yè)制造，特別是在民生類(lèi)重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以及危險(xiǎn)、惡劣的環(huán)境等都發(fā)揮著重要作用。機(jī)器人也成為工程、基礎(chǔ)設(shè)施、重大設(shè)施中不可替代的作業(yè)工具。機(jī)器人近幾年正在進(jìn)行制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，“機(jī)器換人”解決制造企業(yè)的痛點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。一是老齡化、招工難，特別是新冠肺炎疫情以后，如果工廠是自動(dòng)化復(fù)工復(fù)產(chǎn)很快，如果工廠不是自動(dòng)化就很慢。二是隨著人類(lèi)對(duì)產(chǎn)品要求越來(lái)越高，一個(gè)產(chǎn)品可能有上千道工序，很多工序如果靠人工完成，在周期短的情況下難以完成，這時(shí)機(jī)器人就得以發(fā)揮重大作用?；谝陨蠋c(diǎn)，機(jī)器人在這幾年發(fā)展迅速。

國(guó)內(nèi)外機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀

世界各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛推出機(jī)器人戰(zhàn)略，機(jī)器人成為全球智能制造的競(jìng)爭(zhēng)高地。如美國(guó)國(guó)家機(jī)器人計(jì)劃2.0，德國(guó)工業(yè)4.0戰(zhàn)略，中國(guó)智能制造發(fā)展戰(zhàn)略，日本機(jī)器人新戰(zhàn)略。美國(guó)機(jī)器人戰(zhàn)略重點(diǎn)是發(fā)展機(jī)器人的協(xié)作與交互以及發(fā)展制造業(yè)機(jī)器人和軍用機(jī)器人。德國(guó)重點(diǎn)是在智能制造，推進(jìn)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，提供更多的機(jī)器人助老助殘服務(wù)。日本的戰(zhàn)略規(guī)劃中發(fā)展工業(yè)機(jī)器人、護(hù)理機(jī)器人、醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人是他們的重點(diǎn)。歐洲是農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，焦點(diǎn)集中在農(nóng)業(yè)機(jī)器人、社會(huì)服務(wù)機(jī)器人等。中國(guó)則全方位開(kāi)發(fā)，在制造業(yè)、服務(wù)行業(yè)、特種、探險(xiǎn)、空天、無(wú)人系統(tǒng)等領(lǐng)域都在發(fā)展各種類(lèi)型的機(jī)器人。在這樣的大背景下，國(guó)家在智能制造、人工智能、機(jī)器人強(qiáng)國(guó)上都對(duì)機(jī)器人提出很高要求，機(jī)器人已經(jīng)成為應(yīng)用的載體。

開(kāi)發(fā)機(jī)器人遇到哪些關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)器人定義非常多，最早機(jī)器人就是機(jī)械化、自動(dòng)化裝置。從廣義來(lái)說(shuō)，機(jī)器人涵蓋了機(jī)械、材料、電氣、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、人工智能等，是綜合性交叉領(lǐng)域。從機(jī)器人核心技術(shù)看，機(jī)器人主要是機(jī)器人環(huán)境感知，機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)，機(jī)器人路徑規(guī)劃、優(yōu)化調(diào)度、學(xué)習(xí)和執(zhí)行任務(wù)的控制系統(tǒng)。機(jī)器人從用途角度分有工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等。從結(jié)構(gòu)上分，還可以分為人形、雙足、固定等。從空間上分，還可以分為陸地、空中等。近幾年，機(jī)器人的發(fā)展主要還是集中在工業(yè)制造。一是其中90%都在新能源汽車(chē)、傳統(tǒng)汽車(chē)制造上，例如采用無(wú)人化作業(yè)機(jī)器人，在噴涂、裝配工藝上發(fā)揮重要作用。二是水下機(jī)器人，比如潛水探測(cè)，深海探測(cè)。三是空間機(jī)器人，已經(jīng)成為探索月球、火星等外層空間的重要工具。四是陸地機(jī)器人，主要集中在特殊行業(yè)、無(wú)人駕駛等。機(jī)器人主要包括四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，一是感知系統(tǒng)；二是決策系統(tǒng)；三是執(zhí)行系統(tǒng)；四是運(yùn)動(dòng)控制。從控制角度來(lái)說(shuō)，是一個(gè)閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，從感覺(jué)識(shí)別，到?jīng)Q策規(guī)劃，到控制執(zhí)行，到人機(jī)交互等。

近幾年，機(jī)器人的發(fā)展迅速得利于多學(xué)科交叉融合。人工智能促進(jìn)了機(jī)器的發(fā)展，機(jī)器的發(fā)展促進(jìn)了人工智能的推進(jìn)。機(jī)器人平臺(tái)比較多，工業(yè)、飛行、移動(dòng)、醫(yī)療、海洋、空間等，應(yīng)用領(lǐng)域也很廣泛。在制造、物流、醫(yī)療、生活、海洋等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用并凸顯成效。機(jī)器人在航空制造和裝配上，在智慧農(nóng)業(yè)、智慧采摘、空間探測(cè)、深海探測(cè)、科學(xué)考察上都有長(zhǎng)足的發(fā)展。智能服務(wù)機(jī)器人是未來(lái)的發(fā)展方向，產(chǎn)業(yè)化非常大，無(wú)論是助老助殘、醫(yī)療、康復(fù)等都需要機(jī)器人的廣泛應(yīng)用。 近幾年發(fā)展比較好的是醫(yī)療機(jī)器人，這些機(jī)器人在微創(chuàng)手術(shù)上具有把控精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。外骨骼機(jī)器人則是助力殘疾人康復(fù)，腦機(jī)接口機(jī)器人在輔助治療腦癱及其康復(fù)上都起到了很好的作用。還有就是特種行業(yè)，比如核電、空間站的建造、特種作業(yè)機(jī)器人、防疫機(jī)器人等。 未來(lái)的機(jī)器人發(fā)展和近十年的挑戰(zhàn)，歸結(jié)起來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)是新材料、動(dòng)力。再其次是仿生機(jī)器人、模仿人群機(jī)器人、集群機(jī)器人，以及導(dǎo)航、社交、醫(yī)療等相關(guān)領(lǐng)域。不管怎么發(fā)展，機(jī)器人最終的目標(biāo)是朝著智能化、自主化、協(xié)同化方向發(fā)展。開(kāi)發(fā)一個(gè)機(jī)器人要突破哪些關(guān)鍵技術(shù)，作為機(jī)器來(lái)說(shuō)，除了本體外，一是機(jī)器人要具備感知能力，對(duì)環(huán)境的感知，對(duì)自身的感知；二是機(jī)器人是運(yùn)動(dòng)載體，結(jié)構(gòu)的控制；三是機(jī)器人工作過(guò)程中要有很好的路徑規(guī)劃，要提高智能化水平，機(jī)器人必須要有學(xué)習(xí)能力，學(xué)習(xí)是提高機(jī)器人水平的不二法門(mén)；四是機(jī)器人要做出很好的決策和控制。圍繞這幾個(gè)方面能揭示出機(jī)器人要突破四大關(guān)鍵技術(shù)，一是機(jī)器人載體，二是機(jī)器人感知，三是機(jī)器人決策規(guī)劃，四是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制。我們團(tuán)隊(duì)現(xiàn)階段研究最多的是機(jī)器人雙目視覺(jué)傳感器，通過(guò)雙目視覺(jué)傳感器學(xué)習(xí)模型，可以進(jìn)行環(huán)境估計(jì)目標(biāo)。過(guò)去用大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算、圖像處理，現(xiàn)在則使用深度學(xué)習(xí)來(lái)搭建架構(gòu)，架構(gòu)好學(xué)習(xí)模型后，就可以將很多復(fù)雜的背景、場(chǎng)景目標(biāo)收集起來(lái)，為機(jī)器人創(chuàng)建一個(gè)三維地圖。比如，讓機(jī)器人對(duì)一個(gè)雜亂無(wú)章的產(chǎn)品有效進(jìn)行挑選，首先要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行三維信息獲取，進(jìn)行特征分析、模型分析后，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行三維重構(gòu)，然后進(jìn)行執(zhí)行指令系統(tǒng)的編輯。

同時(shí)，還要為機(jī)器人生成一個(gè)完備的三維重建地圖，為其提供三維環(huán)境感知，這樣機(jī)器人就可以干活了。機(jī)器人第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是開(kāi)發(fā)感知系統(tǒng)，如何讓機(jī)器人運(yùn)動(dòng)起來(lái)。高性能控制器指令系統(tǒng)來(lái)自感知信息，像制造業(yè)里面的機(jī)器人柔順控制、機(jī)器人視覺(jué)伺服控制、機(jī)器人智能控制和多機(jī)器人協(xié)同控制等。機(jī)器人最基本的控制單元關(guān)節(jié)點(diǎn)可以采取高性能的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，電機(jī)控制好后，可以讓機(jī)器人抓取、識(shí)別東西，更精準(zhǔn)完成任務(wù)。強(qiáng)化增強(qiáng)學(xué)習(xí)解決了機(jī)器人學(xué)習(xí)決策的問(wèn)題，深度學(xué)習(xí)解決了機(jī)器人感知的問(wèn)題，所以這兩項(xiàng)技術(shù)非常重要。以前固定的加工制造業(yè)機(jī)器人只能機(jī)械地執(zhí)行指令，但強(qiáng)化學(xué)習(xí)使機(jī)器人變得聰明，讓機(jī)器人活起來(lái)、有靈魂，不僅能看懂問(wèn)題、識(shí)別信息，而且能夠提煉出一系列的復(fù)雜姿態(tài)并自行操作。機(jī)器人第三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是執(zhí)行任務(wù)。

解決機(jī)器人靈巧末端控制系統(tǒng)首先要解決兩個(gè)核心，一是運(yùn)動(dòng)學(xué)，二是動(dòng)力學(xué)。通過(guò)規(guī)劃路徑來(lái)指揮機(jī)器人行動(dòng)軌跡，完成各種復(fù)雜任務(wù)。例如，讓機(jī)器人組裝大型航空器件，通過(guò)不斷地迭代學(xué)習(xí)使機(jī)器人進(jìn)入更多場(chǎng)景讓其工作得越來(lái)越好。比如，波士頓動(dòng)力機(jī)器人，它的體系架構(gòu)是從傳統(tǒng)的機(jī)電控制系統(tǒng)到力位混合控制，把感知系統(tǒng)上升到機(jī)器學(xué)習(xí)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)后能夠很好控制步態(tài)，在各種各樣的場(chǎng)景下進(jìn)行場(chǎng)景識(shí)別。這就是基于深度學(xué)習(xí)三維感知解決復(fù)雜體的結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)。第四是控制，操作一些大型控件也可以采用這類(lèi)技術(shù)，一是做好協(xié)調(diào)規(guī)劃層，二是做好調(diào)度，三是做好運(yùn)動(dòng)控制。多機(jī)器人協(xié)作的關(guān)鍵是除環(huán)境感知以外，還要解決協(xié)同感知的問(wèn)題，以及環(huán)境認(rèn)知，使復(fù)雜的多個(gè)機(jī)器人能夠有條不紊地完成共同的任務(wù)。比如，未來(lái)的戰(zhàn)場(chǎng)集群作戰(zhàn)系統(tǒng)，要解決協(xié)同感知、協(xié)同規(guī)劃、協(xié)同控制這三個(gè)問(wèn)題。

機(jī)器人應(yīng)用最成熟的還是生產(chǎn)柔性加工制造，產(chǎn)品更新?lián)Q代就是重新組合，將軟件更新并下載到分布式控制系統(tǒng)，完成多機(jī)協(xié)同調(diào)度的生產(chǎn)線的柔性控制。一是抓本體機(jī)構(gòu)，二是抓感知智能，三是抓規(guī)劃決策智能，四是抓智能控制。同時(shí)，機(jī)器人聯(lián)網(wǎng)以后，還要發(fā)現(xiàn)病毒、剔除病毒，然后重構(gòu)控制系統(tǒng)。抓住以上幾點(diǎn)就可以解決制造問(wèn)題、航空問(wèn)題、物流問(wèn)題、醫(yī)療問(wèn)題、家政問(wèn)題等。我們團(tuán)隊(duì)在智能制造方面做了一些工作。用機(jī)器人打造智能制造，首先要建立體系架構(gòu)，離不開(kāi)上下料、焊接、拋光、檢測(cè)、搬運(yùn)等技術(shù)。我們開(kāi)發(fā)的新能源汽車(chē)焊接，艦船焊接，都是由機(jī)器人來(lái)完成。比如，醫(yī)用口罩、疫苗生產(chǎn)速度的提升，都得益于機(jī)器人。比如疫苗，一是避免感染，二是用機(jī)器人檢測(cè)，三是用機(jī)器人分解，四是機(jī)器人罐裝，五是機(jī)器人打包。還有飲料產(chǎn)業(yè)，解決了視覺(jué)檢測(cè)、人工裝配等工作，做到了“機(jī)器人換人”。

除工業(yè)制造外，機(jī)器人更多是在重大工程上發(fā)揮著重要作用。如復(fù)雜電力、重大基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)，大型隧道以及大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，包括采礦、石化、冶金等行業(yè)。近幾年有大量機(jī)器人進(jìn)入到危險(xiǎn)惡劣環(huán)境中作業(yè)。機(jī)器人在重大疫情防控上也發(fā)揮了重要作用。疫情發(fā)生以后，各大公司開(kāi)發(fā)了不同的機(jī)器人，高端手術(shù)機(jī)器人等發(fā)展迅速。另外是智能無(wú)人系統(tǒng)，如空中無(wú)人系統(tǒng)、水下無(wú)人系統(tǒng)，解決各種復(fù)雜場(chǎng)景下的應(yīng)用。包括城市作戰(zhàn)、森林作戰(zhàn)、深海作戰(zhàn)等。近幾年，各個(gè)國(guó)家都在發(fā)展無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)，如軍用系統(tǒng)，包括空天陸海協(xié)同系統(tǒng)。

機(jī)器人未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)器人近幾年發(fā)展突飛猛進(jìn)，主要提升自主性。今天的機(jī)器人依然是1.0自動(dòng)化系統(tǒng)或2.0數(shù)字化系統(tǒng)，未來(lái)要把人工智能核心技術(shù)嵌入到機(jī)器人系統(tǒng)里，也就是智能協(xié)作機(jī)器人，把人工智能技術(shù)融入到機(jī)器人里。比如，認(rèn)知智能技術(shù)、協(xié)同群體智能這兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，把機(jī)器人的記憶、感知、行動(dòng)設(shè)計(jì)成像人類(lèi)大腦一樣的智能自主網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)人型機(jī)器人的感知智能、行為智能和認(rèn)知智能，使機(jī)器人具有自主識(shí)別和操作的能力。機(jī)器人在智能制造上發(fā)揮著更大的作用，一是解決小批量、定制化；二是無(wú)人工廠的發(fā)展；三是無(wú)人駕駛；四是智能網(wǎng)聯(lián)的發(fā)展；五是人機(jī)協(xié)作的機(jī)器人。智能機(jī)器人在人工智能與機(jī)器人深度融合技術(shù)上可以歸納為幾點(diǎn)，一個(gè)是感知智能，一個(gè)是認(rèn)知智能，一個(gè)是決策智能，一個(gè)是控制智能。機(jī)器人未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)可以歸納為幾點(diǎn)，一是網(wǎng)絡(luò)化，二是自主化，三是協(xié)作化，四是靈巧化。機(jī)器人的頂層設(shè)計(jì)要做到有規(guī)劃、有標(biāo)準(zhǔn)，以及創(chuàng)建強(qiáng)大的機(jī)器人研發(fā)隊(duì)伍，這樣才能把機(jī)器人做好。編輯：黃飛