“人—机”交互、合作、融合 从“传统机器人”走向“现代机器人”

佚名

自1959年世界上第一台工业机器人问世以来，“机器人学”已取得重大成就，并开始在制造业、服务业、医疗保健/医疗、国防、太空等各个领域广泛应用。

2013年，麦肯锡全球研究所发布了《引领全球经济变革的颠覆性技术》报告，将先进机器人列入12项技术之中。“机器人革命”有望成为“第三次工业革命”的一个切入点和重要增长点，将影响全球制造业战略格局。

国际发展态势

2013年，美国发表了《从互联网到机器人——美国机器人发展路线图》，预测机器人是一种能像网络技术一样对人类的未来产生革命性影响的新技术，拥有改变未来的巨大潜力，有望像计算机设备一样在未来几十年内遍布世界的各个角落。机器人将成为人类的重要帮手，在解决人类面临的可持续制造、社会老龄化、医疗/健康服务、极端环境服役等众多挑战中发挥至关重要的作用。

21世纪以来，世界各工业强国均将机器人列入优先发展行业。

2011年，美国开始推行“先进制造业伙伴计划”，旨在通过发展工业机器人重振美国制造业，并投资28亿美元开发基于移动互联技术的新一代智能机器人；2012年，为配合“制造业回归”和“再工业化国家战略”，美国国家科学基金会提出“国家机器人技术计划”，发展能与人类合作的新一代机器人。

2012年10月，韩国发布了“机器人未来战略展望2022”，支持扩大韩国机器人产业并推动机器人企业进军海外市场。2013年，德国提出“工业4.0”计划，支持基于机器人技术的“虚实合一”的制造系统发展规划。2014年6月，欧盟启动全球最大的民用机器人研发计划，2020年前将投入28亿欧元研发民用机器人，增强欧洲工业竞争力。

日本制定了机器人技术长期发展战略，将机器人产业列入“新产业发展战略”中7大重点扶持性产业。2014年9月，日本政府召开“机器人革命实现会议”，着力推进医疗、看护、农业及建筑工地等领域的机器人发展，5年内力争实现机器人普及、提高生产效率、解决劳动力短缺等问题。2020年使制造业领域的机器人市场规模翻番，非制造业领域扩大至20倍。

我国台湾地区提出机器人技术发展三步走战略，短期重点聚焦制造业机器人，促进制造业产业升级；中期侧重环保节能理念，重点发展LED与PV（太阳能光电）等新兴绿色产业用机器人。长期侧重人性需求，重点发展医疗与观光服务业机器人。

我国工业机器人发展现状

我国工业机器人起步于上世纪70年代初，但因劳动力资源丰富、技术落后等原因使其发展十分缓慢。

进入新世纪以来，随着劳动力成本的大幅上涨，我国制造业对机器人的需求不断加大，未来我国的产业转型升级、社会老龄化应对、国防装备升级均需要大量的机器人。我国机器人产业已取得了一定程度的进步，在机器人整机设计与制造方面积累了一定经验，形成了一支较为庞大的基础研发队伍。

我国工业机器人本体制造技术较为成熟，但与庞大的市场需求形成鲜明对比的是，我国机器人技术总体发展仍相对落后，国内机器人市场绝大部分为国外公司所占据。目前，国内机器人核心技术缺失，减速器、驱动与控制等核心部件主要依赖外购。机器人自主设计与创新能力不足是我国机器人产业发展的瓶颈。

一般来说，智能机器人包括机构、结构本体、驱动传动、能源动力、感知等系统。机器人核心部件包括伺服电机、减速器及控制器、驱动器及传感器。谐波减速器一般用于轻型机器人或机器人腕部关节。由波发生器、柔轮和钢轮组成，具有减速比大、齿隙小、精度高，零部件少、安装方便及体积小、重量轻等优点。

国内谐波减速器研究起步较早，如北京谐波传动技术研究所早在上世纪六七十年代便开始了谐波减速器的研究。由于市场问题，该项研究进展较慢，但积累了较多的研发经验。近年来，国产谐波减速器开始迅速发展，国产谐波减速器开始在国产机器人产品上得到越来越多的应用。

RV减速器一般用于机器人的肩关节，用于传递较大的扭矩。国内在RV减速器制造的一些关键技术上还有待提高，比如，针孔壳要求确保数十个半圆孔的圆度及同心度。工业机器人的控制系统一般包括伺服层、主控层及操作层，其中伺服层包括伺服电机、驱动器等，主控层包括控制器、编码器、力传感器等。目前，国内机器人在伺服层和主控层的核心技术上均存在一定程度的制约。

总体来说，机器人理论及关键技术研究是我国工程领域长期面临的科学挑战，需要解决机器人与作业任务和环境的适应性、人机交互与自律协同控制、信息采集与传输机制等科学问题，突破减速器、感知驱动与控制等关键技术及核心部件等技术瓶颈，确保我国在下一轮机器人发展大潮中处于不败之地，机器人理论与关键技术研究是国家的重大战略需求。

智能机器人技术将走向何方

机器人技术涉及众多领域，具有多学科交叉和融合等特点。机器人正在逐步发展成为具有感知、认知和自主行动能力的智能化装备，是数学、力学、机构学、材料科学、自动控制、计算机、人工智能、光电、通信、传感、仿生学等多学科和技术综合的成果，其发展水平体现了国家高技术领域的综合实力。我国现阶段机器人的发展需要智能和自主作业能力的提升、人机交互能力的改善、安全性能的提高，解决制约“人-机交互”、“人-机合作”、“人-机融合”的瓶颈，突破三维环境感知、规划和导航、类人的灵巧操作、直观的人机交互、行为安全等关键技术。

未来充满希望

机器人已从早期的工业机器人发展为种类繁多的现代工业机器人、特种机器人和服务机器人。

虽然工业机器人已广泛应用于各大门类工业领域，但主要在结构化环境中执行各类确定性任务，面临操作灵活性不足、在线感知实时作业弱等问题；服务机器人是应对未来全球人口老龄化趋势加剧的核心手段，存在无法接受抽象指令、难与人有效沟通、人机协调合作能力不足、安全机制欠缺等问题；特种机器人是代替人类在极地、深海、外星、核辐射、军事战场、自然和人为灾害等危险甚至不可达区域执行任务的重要手段，存在依赖离线编程、在动态未知环境中依赖人类远程操作等问题。

机器人在智能和自主方面与人存在巨大差距，机器人的进一步发展必然要寻求作业能力的提升、人机交互能力的改善、安全性能的提高。

当前，机器人正在从“传统机器人”走向“现代机器人”，呈现出“人-机”交互、“人-机”合作、“人-机”融合等明显的技术特征。现代机器人需要在三维环境中感知、规划和导航、类人的灵巧操作、直观的人机交互、行为安全等理论与技术方面突破与发展。我国机器人市场容量巨大、多样，在不久的将来会创造新的奇迹。