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

王耀南 中國工程院院士、湖南大學(xué)教授

為什么要發(fā)展機器人

人類已經(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)明蒸汽機的動力到第二次工業(yè)革命的電力，到今天信息時代計算的算力。在這樣的大背景下，智能化時代應(yīng)運而生，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防等各個領(lǐng)域，智能機器人都發(fā)揮著重要作用。機器人的出現(xiàn)比人工智能概念提出還要早，最早在東漢時期，中國發(fā)明的指南車就是今天的移動機器人。應(yīng)用于工業(yè)上的機器人則是在1978年首次發(fā)明的PUMA機器人，從工業(yè)機器人到特種作業(yè)機器人，到服務(wù)機器人和無人系統(tǒng)，進(jìn)入了發(fā)展高峰期。機器人在國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場發(fā)揮著重要作用，近幾年國家在大型艦船、軌道交通設(shè)備、航空航天設(shè)備，特別是新能源汽車上，已經(jīng)廣泛應(yīng)用機器人來進(jìn)行加工、焊接、打磨、拋光、測量、噴涂等工作，機器人已經(jīng)成為制造強國的重要工具。

機器人在工業(yè)制造，特別是在民生類重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以及危險、惡劣的環(huán)境等都發(fā)揮著重要作用。機器人也成為工程、基礎(chǔ)設(shè)施、重大設(shè)施中不可替代的作業(yè)工具。機器人近幾年正在進(jìn)行制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，“機器換人”解決制造企業(yè)的痛點和難點問題。一是老齡化、招工難，特別是新冠肺炎疫情以后，如果工廠是自動化復(fù)工復(fù)產(chǎn)很快，如果工廠不是自動化就很慢。二是隨著人類對產(chǎn)品要求越來越高，一個產(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，這時機器人就得以發(fā)揮重大作用?；谝陨蠋c，機器人在這幾年發(fā)展迅速。

國內(nèi)外機器人的應(yīng)用現(xiàn)狀

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

開發(fā)機器人遇到哪些關(guān)鍵技術(shù)

機器人定義非常多，最早機器人就是機械化、自動化裝置。從廣義來說，機器人涵蓋了機械、材料、電氣、自動控制、計算機、網(wǎng)絡(luò)通信、人工智能等，是綜合性交叉領(lǐng)域。從機器人核心技術(shù)看，機器人主要是機器人環(huán)境感知，機器人本體機構(gòu)，機器人路徑規(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、傳統(tǒng)汽車制造上，例如采用無人化作業(yè)機器人，在噴涂、裝配工藝上發(fā)揮重要作用。二是水下機器人，比如潛水探測，深海探測。三是空間機器人，已經(jīng)成為探索月球、火星等外層空間的重要工具。四是陸地機器人，主要集中在特殊行業(yè)、無人駕駛等。機器人主要包括四個關(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)；四是運動控制。從控制角度來說，是一個閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，從感覺識別，到?jīng)Q策規(guī)劃，到控制執(zhí)行，到人機交互等。

近幾年，機器人的發(fā)展迅速得利于多學(xué)科交叉融合。人工智能促進(jìn)了機器的發(fā)展，機器的發(fā)展促進(jìn)了人工智能的推進(jìn)。機器人平臺比較多，工業(yè)、飛行、移動、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、海洋等各個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用并凸顯成效。機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、深海探測、科學(xué)考察上都有長足的發(fā)展。智能服務(wù)機器人是未來的發(fā)展方向，產(chǎn)業(yè)化非常大，無論是助老助殘、醫(yī)療、康復(fù)等都需要機器人的廣泛應(yīng)用。 近幾年發(fā)展比較好的是醫(yī)療機器人，這些機器人在微創(chuàng)手術(shù)上具有把控精準(zhǔn)等優(yōu)點。外骨骼機器人則是助力殘疾人康復(fù)，腦機接口機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)機器人、防疫機器人等。 未來的機器人發(fā)展和近十年的挑戰(zhàn)，歸結(jié)起來發(fā)展的重點是新材料、動力。再其次是仿生機器人、模仿人群機器人、集群機器人，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。開發(fā)一個機器人要突破哪些關(guān)鍵技術(shù)，作為機器來說，除了本體外，一是機器人要具備感知能力，對環(huán)境的感知，對自身的感知；二是機器人是運動載體，結(jié)構(gòu)的控制；三是機器人工作過程中要有很好的路徑規(guī)劃，要提高智能化水平，機器人必須要有學(xué)習(xí)能力，學(xué)習(xí)是提高機器人水平的不二法門；四是機器人要做出很好的決策和控制。圍繞這幾個方面能揭示出機器人要突破四大關(guān)鍵技術(shù)，一是機器人載體，二是機器人感知，三是機器人決策規(guī)劃，四是機器人運動控制。我們團隊現(xiàn)階段研究最多的是機器人雙目視覺傳感器，通過雙目視覺傳感器學(xué)習(xí)模型，可以進(jìn)行環(huán)境估計目標(biāo)。過去用大量的數(shù)學(xué)運算、圖像處理，現(xiàn)在則使用深度學(xué)習(xí)來搭建架構(gòu)，架構(gòu)好學(xué)習(xí)模型后，就可以將很多復(fù)雜的背景、場景目標(biāo)收集起來，為機器人創(chuàng)建一個三維地圖。比如，讓機器人對一個雜亂無章的產(chǎn)品有效進(jìn)行挑選，首先要對目標(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，還要為機器人生成一個完備的三維重建地圖，為其提供三維環(huán)境感知，這樣機器人就可以干活了。機器人第二個關(guān)鍵技術(shù)是開發(fā)感知系統(tǒng)，如何讓機器人運動起來。高性能控制器指令系統(tǒng)來自感知信息，像制造業(yè)里面的機器人柔順控制、機器人視覺伺服控制、機器人智能控制和多機器人協(xié)同控制等。機器人最基本的控制單元關(guān)節(jié)點可以采取高性能的電機驅(qū)動控制，電機控制好后，可以讓機器人抓取、識別東西，更精準(zhǔn)完成任務(wù)。強化增強學(xué)習(xí)解決了機器人學(xué)習(xí)決策的問題，深度學(xué)習(xí)解決了機器人感知的問題，所以這兩項技術(shù)非常重要。以前固定的加工制造業(yè)機器人只能機械地執(zhí)行指令，但強化學(xué)習(xí)使機器人變得聰明，讓機器人活起來、有靈魂，不僅能看懂問題、識別信息，而且能夠提煉出一系列的復(fù)雜姿態(tài)并自行操作。機器人第三個關(guān)鍵技術(shù)就是執(zhí)行任務(wù)。

解決機器人靈巧末端控制系統(tǒng)首先要解決兩個核心，一是運動學(xué)，二是動力學(xué)。通過規(guī)劃路徑來指揮機器人行動軌跡，完成各種復(fù)雜任務(wù)。例如，讓機器人組裝大型航空器件，通過不斷地迭代學(xué)習(xí)使機器人進(jìn)入更多場景讓其工作得越來越好。比如，波士頓動力機器人，它的體系架構(gòu)是從傳統(tǒng)的機電控制系統(tǒng)到力位混合控制，把感知系統(tǒng)上升到機器學(xué)習(xí)，通過機器學(xué)習(xí)后能夠很好控制步態(tài)，在各種各樣的場景下進(jìn)行場景識別。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，三是做好運動控制。多機器人協(xié)作的關(guān)鍵是除環(huán)境感知以外，還要解決協(xié)同感知的問題，以及環(huán)境認(rèn)知，使復(fù)雜的多個機器人能夠有條不紊地完成共同的任務(wù)。比如，未來的戰(zhàn)場集群作戰(zhàn)系統(tǒng)，要解決協(xié)同感知、協(xié)同規(guī)劃、協(xié)同控制這三個問題。

機器人應(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)，完成多機協(xié)同調(diào)度的生產(chǎn)線的柔性控制。一是抓本體機構(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，機器人聯(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)。抓住以上幾點就可以解決制造問題、航空問題、物流問題、醫(yī)療問題、家政問題等。我們團隊在智能制造方面做了一些工作。用機器人打造智能制造，首先要建立體系架構(gòu)，離不開上下料、焊接、拋光、檢測、搬運等技術(shù)。我們開發(fā)的新能源汽車焊接，艦船焊接，都是由機器人來完成。比如，醫(yī)用口罩、疫苗生產(chǎn)速度的提升，都得益于機器人。比如疫苗，一是避免感染，二是用機器人檢測，三是用機器人分解，四是機器人罐裝，五是機器人打包。還有飲料產(chǎn)業(yè)，解決了視覺檢測、人工裝配等工作，做到了“機器人換人”。

除工業(yè)制造外，機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)。近幾年有大量機器人進(jìn)入到危險惡劣環(huán)境中作業(yè)。機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，各大公司開發(fā)了不同的機器人，高端手術(shù)機器人等發(fā)展迅速。另外是智能無人系統(tǒng)，如空中無人系統(tǒng)、水下無人系統(tǒng)，解決各種復(fù)雜場景下的應(yīng)用。包括城市作戰(zhàn)、森林作戰(zhàn)、深海作戰(zhàn)等。近幾年，各個國家都在發(fā)展無人作戰(zhàn)系統(tǒng)，如軍用系統(tǒng)，包括空天陸海協(xié)同系統(tǒng)。

機器人未來發(fā)展趨勢

機器人近幾年發(fā)展突飛猛進(jìn)，主要提升自主性。今天的機器人依然是1.0自動化系統(tǒng)或2.0數(shù)字化系統(tǒng)，未來要把人工智能核心技術(shù)嵌入到機器人系統(tǒng)里，也就是智能協(xié)作機器人，把人工智能技術(shù)融入到機器人里。比如，認(rèn)知智能技術(shù)、協(xié)同群體智能這兩個關(guān)鍵點，把機器人的記憶、感知、行動設(shè)計成像人類大腦一樣的智能自主網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，強調(diào)人型機器人的感知智能、行為智能和認(rèn)知智能，使機器人具有自主識別和操作的能力。機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；二是無人工廠的發(fā)展；三是無人駕駛；四是智能網(wǎng)聯(lián)的發(fā)展；五是人機協(xié)作的機器人。智能機器人在人工智能與機器人深度融合技術(shù)上可以歸納為幾點，一個是感知智能，一個是認(rèn)知智能，一個是決策智能，一個是控制智能。機器人未來發(fā)展趨勢可以歸納為幾點，一是網(wǎng)絡(luò)化，二是自主化，三是協(xié)作化，四是靈巧化。機器人的頂層設(shè)計要做到有規(guī)劃、有標(biāo)準(zhǔn)，以及創(chuàng)建強大的機器人研發(fā)隊伍，這樣才能把機器人做好。編輯：黃飛