特種機(jī)器人的發(fā)展格局與進(jìn)程

□文/賈梓筠

特種機(jī)器人的發(fā)展格局與進(jìn)程

□文/賈梓筠

當(dāng)工業(yè)機(jī)器人為外界所關(guān)注并成為市場(chǎng)主流的時(shí)候，特種機(jī)器人市場(chǎng)也正悄悄啟動(dòng)。近年來(lái)，生產(chǎn)特種機(jī)器人的企業(yè)數(shù)量迅速增加，特種機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已在國(guó)外形成，并對(duì)社會(huì)與生產(chǎn)力的發(fā)展發(fā)揮了重大的推動(dòng)作用。

半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展可謂日新月異。從醫(yī)院的診斷治療到智能輪椅，從家庭清潔到教育、娛樂(lè)，從星球探測(cè)器到國(guó)際空間站維護(hù)，從無(wú)人駕駛汽車到災(zāi)難救援，從用于軍事偵查的機(jī)器蜜蜂到執(zhí)行排爆任務(wù)等，機(jī)器人大軍正在向人類生活邁進(jìn)，像“鋼鐵俠”、“變形金剛”與“機(jī)器管家”也已陸續(xù)走出了科幻電影，紛紛問(wèn)世。隨著全球勞動(dòng)力成本的上升，機(jī)器人除了要在工廠里取代人的工作，還將在醫(yī)療、服務(wù)、交通、太空、軍事、海洋探測(cè)、生物、農(nóng)業(yè)和娛樂(lè)等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

特種機(jī)器人產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展

特種機(jī)器人近年來(lái)的發(fā)展非常迅速，新的機(jī)型不斷問(wèn)世，整機(jī)性能也不斷提高。在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)中，美國(guó)特種機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新最為活躍。其在醫(yī)療、服務(wù)、太空和軍事應(yīng)用的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，并占有特種機(jī)器人市場(chǎng)60%的份額。日前，美國(guó)正在致力于將為軍隊(duì)傷病員開(kāi)發(fā)的機(jī)器人假肢和小型無(wú)人偵察直升機(jī)等技術(shù)轉(zhuǎn)為民用。2013年3月，美國(guó)提出了“機(jī)器人發(fā)展路線”，并給出了在未來(lái)15年美國(guó)機(jī)器人的五個(gè)重點(diǎn)研究領(lǐng)域，其中包括工業(yè)、醫(yī)療護(hù)理、服務(wù)、太空和軍事應(yīng)用。此外，日本也提出了類似的機(jī)器人研究發(fā)展路線，其中包括“新世紀(jì)工業(yè)機(jī)器人”、“服務(wù)機(jī)器人”和“特種機(jī)器人”三個(gè)方向。其計(jì)劃至2020年，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模翻番，擴(kuò)大至12萬(wàn)億日元（約合人民幣732億元），主要增量將集中在特種機(jī)器人上。其中，護(hù)理和醫(yī)用機(jī)器人領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)模也將是現(xiàn)在的20倍。最近歐盟啟動(dòng)全球最大民用機(jī)器人研發(fā)項(xiàng)目，計(jì)劃到2020年投入28億歐元研發(fā)用于醫(yī)療、護(hù)理、家務(wù)、農(nóng)業(yè)和運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的機(jī)器人。韓國(guó)機(jī)器人研究與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，提出了“829”戰(zhàn)略計(jì)劃，其中智能機(jī)器人是其提出的九項(xiàng)核心技術(shù)之一，把特種機(jī)器人技術(shù)列為未來(lái)國(guó)家發(fā)展的十大“發(fā)動(dòng)機(jī)”產(chǎn)業(yè)，并把其作為國(guó)家的一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)發(fā)展，對(duì)機(jī)器人技術(shù)給予重點(diǎn)扶持。由此可見(jiàn)，美國(guó)、歐洲、日本、韓國(guó)等國(guó)家和地區(qū)都非常重視機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，并將機(jī)器人產(chǎn)業(yè)作為該國(guó)的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。

在整個(gè)國(guó)際制造業(yè)向中國(guó)轉(zhuǎn)移的同時(shí)，我國(guó)正在經(jīng)歷產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和升級(jí)階段，即由勞動(dòng)密集型、低成本投入的模式轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)密集型、高投入高產(chǎn)出的關(guān)鍵時(shí)期。在這一過(guò)程中，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)占據(jù)著舉足輕重的地位。目前，我國(guó)已經(jīng)初步建立起了從機(jī)器人應(yīng)用基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化的研發(fā)體系。在特種機(jī)器人方面，以科沃斯、銀星等公司為代表的清潔服務(wù)機(jī)器人，已經(jīng)有近百萬(wàn)臺(tái)走進(jìn)了百姓家庭。在醫(yī)療、助老助殘等領(lǐng)域新近研發(fā)出的系列機(jī)器人樣機(jī)，也進(jìn)入了示范應(yīng)用階段。

從細(xì)分領(lǐng)域看產(chǎn)業(yè)格局

2013年美國(guó)機(jī)器人發(fā)展路線圖給出了特種機(jī)器人在未來(lái)15年內(nèi)的發(fā)展方向。特種機(jī)器人的研究工作將圍繞醫(yī)療護(hù)理、服務(wù)、太空、軍事應(yīng)用展開(kāi)。這四個(gè)方向不僅反映了當(dāng)前特種機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)格局，同時(shí)還覆蓋了機(jī)器人涉及的幾乎全部的前沿技術(shù)。

醫(yī)療護(hù)理機(jī)器人

作為一種新興的醫(yī)護(hù)手段，醫(yī)用機(jī)器人與傳統(tǒng)人工技術(shù)相比有許多技術(shù)優(yōu)勢(shì)。目前，醫(yī)用機(jī)器人已在腦神經(jīng)外科、心臟修復(fù)、膽囊摘除手術(shù)、人工關(guān)節(jié)置換、整形外科、泌尿科手術(shù)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

UCLA里根醫(yī)學(xué)中心的達(dá)芬奇機(jī)器人（左）床旁機(jī)械臂系統(tǒng)（右）外科醫(yī)生控制臺(tái)

外科手術(shù)機(jī)器人：達(dá)芬奇機(jī)器人的產(chǎn)生預(yù)示著第三代外科手術(shù)時(shí)代的來(lái)臨。達(dá)芬奇機(jī)器人由直覺(jué)外科公司（ISRG）設(shè)計(jì)制造并銷售。該系統(tǒng)以美國(guó)MIT的機(jī)器人外科手術(shù)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)使用微創(chuàng)的方法實(shí)施復(fù)雜的外科手術(shù)，改變傳統(tǒng)腹腔鏡手術(shù)的弊端。達(dá)芬奇機(jī)器人是為外科醫(yī)生手術(shù)操作中的直觀控制運(yùn)動(dòng)、精細(xì)組織操作和三維高清晰度視覺(jué)能力而設(shè)計(jì)的。它能夠模仿外科醫(yī)生的手部動(dòng)作，用于控制臺(tái)上的儀器控制，通過(guò)微小的切口控制病人體內(nèi)的微小儀器。醫(yī)生通過(guò)外科手術(shù)機(jī)器人所提供的靈巧操控、精準(zhǔn)定位以及術(shù)前規(guī)劃，可以使患者手術(shù)傷口減小、術(shù)后迅速恢復(fù)正常生活等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)性和微創(chuàng)性兩大優(yōu)點(diǎn)。作為全球領(lǐng)先的微創(chuàng)機(jī)器人輔助手術(shù)機(jī)器人公司，ISRG在2013年的經(jīng)營(yíng)收益已達(dá)到22.65億美元。截至2014年第一季度，達(dá)芬奇機(jī)器人累計(jì)銷售數(shù)量為3039臺(tái)。其中，我國(guó)大陸共安裝25臺(tái)，我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)20臺(tái)，韓國(guó)44臺(tái)，日本178臺(tái)?？梢钥闯觯_(dá)芬奇機(jī)器人在我國(guó)的普及率和使用率還十分低。

由于達(dá)芬奇機(jī)器人售價(jià)高昂，我國(guó)各大研究院所和醫(yī)院合作也在加緊研制屬于中國(guó)的手術(shù)機(jī)器人。其中，清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)和海軍總醫(yī)院聯(lián)合開(kāi)發(fā)的“黎元”機(jī)器人系統(tǒng)，是國(guó)內(nèi)第一個(gè)具有自主控制、視覺(jué)定位和遠(yuǎn)程交互功能的新一代神經(jīng)微創(chuàng)外科機(jī)器人輔助手術(shù)系統(tǒng)。目前該機(jī)器人已完成研發(fā)和臨床應(yīng)用，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操作。天津大學(xué)、南開(kāi)大學(xué)和天津總醫(yī)院共同開(kāi)發(fā)的“妙手”機(jī)器人輔助手術(shù)系統(tǒng)，主要針對(duì)腹部手術(shù)，采用主從控制方式，主操作臂有7個(gè)自由度，目前已完成動(dòng)物試驗(yàn)。此外，國(guó)內(nèi)研發(fā)的外科手術(shù)機(jī)器人還有北京航空航天大學(xué)研發(fā)的胸腹外科手術(shù)機(jī)器人、南開(kāi)大學(xué)研發(fā)的脊柱外科機(jī)器人、第三軍醫(yī)大學(xué)研發(fā)的脊柱微創(chuàng)外科機(jī)器人、天津大學(xué)研發(fā)的喉部手術(shù)機(jī)器人等。

康復(fù)機(jī)器人：作為一種自動(dòng)化的康復(fù)治療設(shè)備，可以幫助患者進(jìn)行科學(xué)有效的康復(fù)訓(xùn)練，使患者的運(yùn)動(dòng)功能得到更好的恢復(fù)。由瑞士一家醫(yī)療器械公司與瑞士蘇黎世大學(xué)醫(yī)學(xué)院康復(fù)中心合作推出的洛克馬（Lokomat）下肢康復(fù)機(jī)器人，能對(duì)脊髓損傷患者的踏車訓(xùn)練進(jìn)行自動(dòng)控制，同時(shí)配備有視覺(jué)、觸覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)反饋模式進(jìn)行跨越障礙物訓(xùn)練。病人的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)由計(jì)算機(jī)控制，并配有相應(yīng)的位置和壓力傳感器，根據(jù)病人的實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最佳的康復(fù)訓(xùn)練。

洛克馬下肢康復(fù)機(jī)器人

2013年，由上海璟和技創(chuàng)機(jī)器人有限公司推出了多體位智能康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)Flexbot。它能準(zhǔn)確模擬正常人步態(tài)，突破性提供了早期臥床步態(tài)訓(xùn)練，包含完整步態(tài)周期的閉鏈運(yùn)動(dòng)和開(kāi)鏈運(yùn)動(dòng)雙重運(yùn)動(dòng)模式，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)情景互動(dòng)技術(shù)，為患者提供量化、多體位、多種運(yùn)動(dòng)模式的步態(tài)訓(xùn)練，同時(shí)實(shí)時(shí)提供數(shù)據(jù)信息反饋。能夠有效應(yīng)用于下肢康復(fù)臨床訓(xùn)練中，提高下肢步行功能訓(xùn)練的康復(fù)效果，并可完全替代和超越國(guó)外同類功能的多關(guān)節(jié)智能化下肢機(jī)器人康復(fù)系統(tǒng)。

多體位智能康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)Flexbot

隨著康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展和相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，基于運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)理論而發(fā)展起來(lái)的下肢康復(fù)機(jī)器人也將深入到康復(fù)醫(yī)學(xué)的更多領(lǐng)域，包括在人體的四肢和功能上的重建、職業(yè)技能培訓(xùn)和康復(fù)治療等很多層面。

殘障輔助機(jī)器人：智能輪椅是殘障機(jī)器人的一種，屬于輪式移動(dòng)型機(jī)器人的研究范疇，其主要服務(wù)于脊椎受損或行動(dòng)不便的病人。智能輪椅除了輪椅的基本功能外，它的機(jī)械臂還能輔助病人完成喝水、服藥、吃飯等動(dòng)作。世界各國(guó)的研究者相繼開(kāi)發(fā)了多種智能輪椅平臺(tái)。最新的研究成果來(lái)自美國(guó)MIT計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL)。該輪椅可以在基于導(dǎo)航的情況下完全通過(guò)語(yǔ)音控制的方式在空間內(nèi)移動(dòng)，跟蹤人行走，自動(dòng)識(shí)別使用者的語(yǔ)音命令，依靠無(wú)線Wi一Fi系統(tǒng)及各節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生地圖，然后利用地圖進(jìn)行導(dǎo)航。同時(shí)，它還配備激光雷達(dá)等傳感器，用于確保在行進(jìn)過(guò)程中不會(huì)撞到人或其他障礙。該開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)采用了亞馬遜的Mechanical Turk平臺(tái)來(lái)幫助輪椅理解使用者說(shuō)出的語(yǔ)音命令，掌握更多的詞匯量。2014年起，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)始對(duì)輪椅進(jìn)行升級(jí)工作，計(jì)劃在輪椅上安裝機(jī)械臂以幫助患者更好地取放物體。

MIT計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能實(shí)驗(yàn)室研制的智能輪椅

近年來(lái)，我國(guó)也開(kāi)始逐步將智能康復(fù)醫(yī)療器材的研發(fā)納入工作日程，為進(jìn)一步改善殘障人士的生活水平做出行動(dòng)。在智能輪椅的研究方面，由上海交通大學(xué)自主機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研制的“交龍”輪椅表現(xiàn)出眾。該智能輪椅可以為試乘游客提供展館導(dǎo)游服務(wù)，能夠與游客進(jìn)行互動(dòng)交流，當(dāng)游客提出感興趣的展品后，能以最短路徑方式，引領(lǐng)游客達(dá)到展品位置，并通過(guò)語(yǔ)音和視頻等多媒體形式介紹展品內(nèi)容。然而，與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家智能輪椅逐步取代普通輪椅的狀況來(lái)比，我國(guó)的智能輪椅市場(chǎng)仍處于早期階段，部分控制器仍需進(jìn)口，缺乏智能輪椅生產(chǎn)的核心技術(shù)，無(wú)法形成智能輪椅的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，產(chǎn)品智能化的程度也較低，故而智能化輪椅產(chǎn)品的價(jià)格比較高，不容易被大眾所接受。

上海交通大學(xué)研制的“交龍”導(dǎo)游機(jī)器人

服務(wù)機(jī)器人

典型服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品(左)Roomba掃地機(jī)器人(中)Verro水池清潔機(jī)器人(右)LEGO樂(lè)高教育機(jī)器人

服務(wù)機(jī)器人是機(jī)器人家族中的一個(gè)年輕成員，其定位就是服務(wù)。當(dāng)前世界服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)化程度仍處于起步階段，但受簡(jiǎn)單勞動(dòng)力不足、人口老齡化等剛性需求驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)展很快。目前，世界上至少有48 個(gè)國(guó)家在發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，其中25個(gè)國(guó)家已涉足服務(wù)型機(jī)器人開(kāi)發(fā)。在日本、北美和歐洲，迄今已有7種類型計(jì)40余款服務(wù)型機(jī)器人進(jìn)入實(shí)驗(yàn)和半商業(yè)化應(yīng)用。在發(fā)展處于前列的國(guó)家中，西方國(guó)家以美國(guó)、德國(guó)和法國(guó)為代表，亞洲以日本和韓國(guó)為代表。

PR2機(jī)器人應(yīng)用案例 （左)從冰箱取啤酒（中）攤煎餅（右）打臺(tái)球

不同于工業(yè)機(jī)器人，服務(wù)機(jī)器人通常需要工作在充滿人的環(huán)境空間中，并且需要與人進(jìn)行直接的合作。迄今為止，個(gè)人服務(wù)機(jī)器人以家庭型掃地機(jī)器人應(yīng)用最為廣泛。龍頭企業(yè)iRobot在2014年上半年實(shí)現(xiàn)營(yíng)收2.54億美元，全球市場(chǎng)占有率超過(guò)60%，市值約10 億美元。已有超過(guò)600萬(wàn)臺(tái)的“Robot Roomba”掃地機(jī)器人售往世界各地，并以每年60%的市場(chǎng)年增長(zhǎng)率增加。

在諸多個(gè)人服務(wù)機(jī)器人中，值得一提的是由美國(guó)Willow Garage機(jī)器人公司研制的“第二代個(gè)人機(jī)器人PR2 ”。PR2被譽(yù)為全球第一個(gè)能夠完成一系列綜合性操作的智能機(jī)器人。與具有單一功能的掃地機(jī)器人等相比，可以說(shuō)PR2具有真正“為人民服務(wù)”的能力。如今，PR2已經(jīng)能夠完成自己開(kāi)門、找到插頭給自己充電、疊毛巾、打開(kāi)冰箱取啤酒、打臺(tái)球，甚至是做一頓簡(jiǎn)單的午餐等。PR2對(duì)外銷售價(jià)格為每臺(tái)40萬(wàn)美元。由于其價(jià)格過(guò)高且功能還達(dá)不到商業(yè)應(yīng)用的要求，所以其主要用于研究。據(jù)統(tǒng)計(jì)，擁有PR2的研究機(jī)構(gòu)主要分布在歐美日韓等國(guó)家和地區(qū)。其中以北美高校最為普遍，臺(tái)灣大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院等也引進(jìn)了PR2作為機(jī)器人的科研平臺(tái)。

專業(yè)服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展同樣出色。在無(wú)人駕駛汽車方面，谷歌推出了世界上第一輛完全無(wú)需人工控制的無(wú)人駕駛汽車；奧迪在國(guó)際消費(fèi)電子產(chǎn)品展會(huì)上展示了其“Audi Quattro Sport Laserlight”概念車，該車采用奧迪zFAS系統(tǒng)，配備有雷達(dá)、攝像頭、激光掃描儀等進(jìn)行環(huán)境感知；法雷奧的代表在iPhone上演示了如何讓其無(wú)人駕駛汽車自動(dòng)泊車的過(guò)程，通過(guò)12個(gè)超聲感應(yīng)器、4個(gè)攝像頭以及安裝在格柵上的一臺(tái)激光掃描儀實(shí)現(xiàn)了自助泊車功能；寶馬展示的自助式汽車可以兼容三星Galaxy Gear智能手表和無(wú)線藍(lán)牙；在第七屆廣東工業(yè)設(shè)計(jì)活動(dòng)上，廣汽集團(tuán)展出的傳祺Witstar成為我國(guó)首部國(guó)產(chǎn)無(wú)人駕駛汽車，搭載有智能駕駛系統(tǒng)，擁有由激光雷達(dá)、高速CCD相機(jī)、紅外攝像頭等組成的全方位環(huán)境感知系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)采集和處理環(huán)境信息、建立車周環(huán)境的3D映像從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的完全自動(dòng)駕駛。

然而，無(wú)人駕駛技術(shù)的實(shí)現(xiàn)并不意味著其能馬上投入使用。谷歌聯(lián)合創(chuàng)始人謝爾蓋·布林表示，無(wú)人駕駛汽車還很初級(jí)，谷歌希望它可以盡可能地適應(yīng)不同的使用場(chǎng)景，只要按一下按鈕，就能把用戶送到目的地。《麻省理工科技評(píng)論》2014年8月發(fā)布的一份報(bào)告顯示，谷歌研發(fā)的無(wú)人駕駛汽車運(yùn)行依賴地圖和詳細(xì)的數(shù)據(jù)，這一前提大大限制了他們的上路范圍。報(bào)告稱，谷歌的無(wú)人駕駛汽車無(wú)法在99%的美國(guó)公路上自動(dòng)行駛。特別是在我國(guó)，由于城市的道路路況和交通都很復(fù)雜，全面實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛需要城市基礎(chǔ)設(shè)施、相關(guān)法律法規(guī)配套等方面進(jìn)一步完善。

智能公共交通運(yùn)輸系統(tǒng)也是專業(yè)服務(wù)機(jī)器人在交通領(lǐng)域的應(yīng)用。相比具有特定機(jī)械結(jié)構(gòu)的實(shí)體機(jī)器人系統(tǒng)，智能公共交通運(yùn)輸系統(tǒng)更為抽象、動(dòng)態(tài)特性更為明顯，也更容易受到外界的干擾。該系統(tǒng)涉及的熱點(diǎn)問(wèn)題包括：緩解交通擁堵、降低交通事故率、為人們出行提供輔助導(dǎo)航等。目前，公路管理局正在嘗試在公路上安裝傳感器、攝像頭、自動(dòng)收費(fèi)讀卡器等設(shè)備來(lái)構(gòu)建“智能道路”，同時(shí)研究多種智能算法以實(shí)現(xiàn)道路建設(shè)的優(yōu)化、路況實(shí)施監(jiān)測(cè)、車輛智能疏導(dǎo)的功能。

其他一些研究和應(yīng)用都比較成熟的專業(yè)服務(wù)機(jī)器人有無(wú)人機(jī)、水下機(jī)器人、隧道機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、電網(wǎng)巡檢機(jī)器人等。其中，國(guó)外在無(wú)人機(jī)的研究方面占有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，在上述其他幾個(gè)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外的研發(fā)實(shí)力基本相當(dāng)。然而，由我國(guó)自主研發(fā)的機(jī)器人所用到的核心部件多數(shù)是國(guó)外進(jìn)口，導(dǎo)致研發(fā)成本較高，功能可拓展性較低，市場(chǎng)占有率較低。

NASA 發(fā)布的機(jī)器人宇航員R2工作照

空間/太空機(jī)器人

航天界對(duì)空間機(jī)器人的定義一般是指用于開(kāi)發(fā)太空資源、空間建設(shè)和維修、協(xié)助空間生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)、星際探索等方面的帶有一定智能的各種機(jī)械手、探測(cè)車等應(yīng)用設(shè)備?？臻g機(jī)器人所從事的工作主要涉及空間站的建設(shè)，航天器的維護(hù)和修理，空間生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)與星球探測(cè)等。

在空間機(jī)器人中，智能程度最高的屬自主型機(jī)器人。其最新成果之一來(lái)自于美國(guó)國(guó)家宇航局（NASA）與通用汽車公司、海洋工程離岸油田機(jī)器人公司聯(lián)合研制的人形機(jī)器人助手Robonaut 2號(hào)（R2）。R2是全球首位機(jī)器人宇航員，它的外皮材料具有屏蔽功能，能夠減少空間站設(shè)備和宇宙射線對(duì)它的電磁干擾。從2011年起，R2被放置于國(guó)際空間站上，用于協(xié)助宇航員完成清掃和日常維護(hù)等工作。2013年底，NASA工程師們成功地為R2進(jìn)行了升級(jí)工作，不僅包括更換新的處理器、風(fēng)扇和軟件升級(jí)，還在R2上安裝了可以靈活彎曲運(yùn)動(dòng)的下肢。據(jù)NASA發(fā)布的消息，R2的雙腿可以用于輔助機(jī)器人在無(wú)重力環(huán)境下進(jìn)行行走和攀爬運(yùn)動(dòng)，并使其一條腿的跨度可達(dá)9英尺長(zhǎng)。據(jù)美國(guó)國(guó)家宇航局稱，R2的雙腿研發(fā)消耗了6百萬(wàn)美元，后期的系統(tǒng)搭建與測(cè)試消耗了8百萬(wàn)美元。NASA表示，R2的上身部分也需要進(jìn)行升級(jí)以適應(yīng)艙外的真空環(huán)境，其電力系統(tǒng)需要改造成可攜帶電池組工作或依靠太陽(yáng)能工作。

Kirobo在國(guó)際空間站留影

“神舟十號(hào)”與“天宮一號(hào)”自動(dòng)對(duì)接計(jì)算機(jī)演示圖

日本在空間機(jī)器人的研究成果打破了國(guó)際空間站的靜寂。2013年8月4日，日本將世界首個(gè)會(huì)說(shuō)話的機(jī)器人Kirobo送上太空，其不僅可以完成多種肢體動(dòng)作，還可以用日語(yǔ)同宇航員進(jìn)行交流，幫助其工作，記錄對(duì)話內(nèi)容，并能從控制室向宇航員傳遞信息等。來(lái)自豐田汽車公司的語(yǔ)言處理技術(shù)能讓Kirobo以一種合成的聲音講話，其頭部的攝像機(jī)裝有面部識(shí)別軟件。

我國(guó)空間機(jī)器人的研究成果主要集中在空間站的建立與宇宙飛船等方面。在空間站的研究上，由中國(guó)空間技術(shù)研究院和上海航天技術(shù)研究院研制的“天宮一號(hào)”是我國(guó)首個(gè)目標(biāo)飛行器和空間實(shí)驗(yàn)室?！疤鞂m一號(hào)”的發(fā)射標(biāo)志著我國(guó)已掌握空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)及建立空間實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)，同時(shí)也意味著中國(guó)已經(jīng)擁有建立初步空間站，即短期無(wú)人照料的空間站的能力。在載人宇宙飛船的研究上，我國(guó)已達(dá)到或優(yōu)于國(guó)際第三代載人飛船技術(shù)。神舟飛船是中國(guó)自行研制、具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的飛船。與國(guó)外第三代飛船相比，具有起點(diǎn)高、具備留軌利用能力等特點(diǎn)。2013年6月13日，“神舟十號(hào)”飛船與“天宮一號(hào)”順利完成了自動(dòng)交會(huì)對(duì)接，航天員對(duì)天宮一號(hào)的地板和密封圈進(jìn)行了更換，同時(shí)實(shí)施飛船繞飛實(shí)驗(yàn)，為空間站的建造儲(chǔ)備技術(shù)奠定基礎(chǔ)。2014年2月，“天宮一號(hào)”天地通信系統(tǒng)完成兩次遠(yuǎn)程控制，使其軌道高度得到提升，完成了第一次軌道維持工作。中國(guó)載人航天工程總設(shè)計(jì)師周建平在北京表示，中國(guó)將在2015年底前后發(fā)射真正的空間實(shí)驗(yàn)室“天宮二號(hào)”，目標(biāo)是建成我國(guó)正式的空間實(shí)驗(yàn)室大系統(tǒng)?！疤鞂m二號(hào)”任務(wù)期間，中國(guó)將發(fā)射載人飛船和貨運(yùn)飛船。

著陸器和月球車互拍回傳照片（左）“嫦娥三號(hào)”著陸器（右）“玉兔號(hào)”月球車

在探索空間機(jī)器人的應(yīng)用中，雖然我國(guó)的研究起步比較晚，但是發(fā)展速度較快。2013年7月20日，我國(guó)在太原衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征四號(hào)丙運(yùn)載火箭，以“一箭三星”方式，成功將“創(chuàng)新三號(hào)”、“試驗(yàn)七號(hào)”和“實(shí)踐十五號(hào)”三顆技術(shù)科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射升空，衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定軌道。三顆衛(wèi)星主要用于開(kāi)展空間碎片觀測(cè)、空間機(jī)械臂操作等空間維護(hù)技術(shù)科學(xué)試驗(yàn)。2013年12月2日，我國(guó)從西昌發(fā)射升空的“嫦娥三號(hào)”著陸器和“玉兔號(hào)”月球車是我國(guó)首次開(kāi)展的月面軟著陸巡視探測(cè)行動(dòng)。“玉兔號(hào)”是我國(guó)自主研發(fā)的首輛無(wú)人駕駛月球車，其主要工作模式分為行走、探測(cè)和通信三類。其采用搖臂懸架構(gòu)型，輪式行走裝置，獨(dú)立驅(qū)動(dòng)；采用立體視覺(jué)完成周圍環(huán)境識(shí)別；根據(jù)環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)安全路徑規(guī)劃；利用機(jī)械臂輔助儀器實(shí)現(xiàn)就位探測(cè)；利用測(cè)月雷達(dá)探測(cè)土壤厚度和分層等信息。

2014年4月，我國(guó)載人月球車在重慶第七屆國(guó)際軍博會(huì)上首次亮相。該載人月球車由27所985重點(diǎn)高校組成的教育部深空探測(cè)聯(lián)合研究中心研發(fā)，整車可折疊，可攜帶多種設(shè)備，最多承載兩人，重慶大學(xué)承擔(dān)了主要的研發(fā)工作。設(shè)計(jì)師詹涵菁表示，目前該月球車還只是一個(gè)雛形，已經(jīng)完成了結(jié)構(gòu)和力學(xué)設(shè)計(jì)，接下來(lái)還有真空實(shí)驗(yàn)和熱控實(shí)驗(yàn)等一系列研發(fā)過(guò)程，預(yù)計(jì)在2015年年底完成概念性預(yù)研發(fā)。

軍用機(jī)器人

軍用機(jī)器人的研制涉及到國(guó)家軍事安全，屬于軍用設(shè)備的高端產(chǎn)品。同時(shí)，軍用機(jī)器人集各領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)于一身，代表著機(jī)器人技術(shù)研究的最高水準(zhǔn)。

近10年來(lái)，軍用機(jī)器人已成為國(guó)家軍事安全的重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略。各國(guó)都非常重視軍用機(jī)器人的發(fā)展并投入巨額資金用于研制更先進(jìn)的軍用裝備。以美軍為例，其“未來(lái)戰(zhàn)斗系統(tǒng)”的研究經(jīng)費(fèi)預(yù)計(jì)為250億美元。如果美國(guó)陸軍全部裝備“未來(lái)戰(zhàn)斗系統(tǒng)”，則將耗資13000億美元。然而從美國(guó)國(guó)防部的角度看，用武裝機(jī)器人代替士兵服役打仗，實(shí)現(xiàn)軍隊(duì)的機(jī)器人化，是少花錢、低風(fēng)險(xiǎn)、高效率實(shí)施未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的最佳途徑。因?yàn)槿绻押贤凼勘男劫Y、培訓(xùn)費(fèi)用、退休金、福利以及傷亡補(bǔ)貼等全部計(jì)算在內(nèi)，使用機(jī)器人士兵的成本甚至?xí)?。因此，即使在使用機(jī)器人從事軍事活動(dòng)的問(wèn)題上存在著激烈的社會(huì)爭(zhēng)議，但研制軍用機(jī)器人的進(jìn)程并未中斷，反而有加速的趨勢(shì)，可見(jiàn)機(jī)器人在未來(lái)軍事領(lǐng)域?qū)⒁缪葜匾巧?/p>

美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)對(duì)LS3的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

在軍用機(jī)器人研究中，美國(guó)無(wú)論是在基礎(chǔ)技術(shù)、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)配套方面，還是在技術(shù)轉(zhuǎn)化和實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)上都處于絕對(duì)領(lǐng)先地位。美國(guó)軍用機(jī)器人開(kāi)發(fā)與應(yīng)用涵蓋了陸、海、空、天等各個(gè)兵種，是世界上唯一具有綜合開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)和實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用能力的國(guó)家。目前，美軍已經(jīng)裝配了超過(guò)7500架無(wú)人機(jī)和1.5萬(wàn)個(gè)地面機(jī)器人，用于偵察監(jiān)視、替代士兵站崗放哨、排雷除爆等任務(wù)。美國(guó)國(guó)會(huì)曾批準(zhǔn)2015年美軍作戰(zhàn)平臺(tái)中無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)的比例達(dá)1/3的方案。為提升海陸空軍事系統(tǒng)的實(shí)力，美國(guó)國(guó)防部現(xiàn)正在研制基于先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)的集成作戰(zhàn)系統(tǒng)，其主要分成四類：

[1]

摩爾定律

由英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出。他指出，當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。

（1）用于監(jiān)視、勘察導(dǎo)彈的無(wú)人駕駛飛行器；

（2）用于深入士兵無(wú)法進(jìn)入的危險(xiǎn)領(lǐng)域獲取信息的小型無(wú)人地面車輛；

（3）用于補(bǔ)充作戰(zhàn)物資的多功能后勤保障機(jī)器人；

（4）用于運(yùn)輸復(fù)雜偵查設(shè)備的武裝機(jī)器人戰(zhàn)車。

美國(guó)波士頓動(dòng)力公司（Boston Dynamics）是全球聞名的機(jī)器人工程技術(shù)廠商，在四足全地形機(jī)器人方面尤其富有經(jīng)驗(yàn)。在波士頓動(dòng)力研制的多款創(chuàng)新型機(jī)器人中，“大狗BigDog”機(jī)器人最為典型。該項(xiàng)目由DARPA資助，希望大狗能在軍車難以出入的險(xiǎn)要地帶助士兵一臂之力。大狗的升級(jí)版“阿爾法狗（Alpha Dog）”，官方稱之為有腿小隊(duì)支援系統(tǒng)（Legged Squad Support System，簡(jiǎn)稱LS3），目前部署在夏威夷的卡胡庫(kù)訓(xùn)練區(qū)，由海軍陸戰(zhàn)隊(duì)士兵對(duì)其測(cè)試。LS3能夠搭載400磅重物連續(xù)行走20英里，并在樹(shù)林、巖石地、障礙物和城區(qū)等復(fù)雜地形中跟隨士兵行動(dòng)。此外，LS3可以自主地沿著簡(jiǎn)單路線行進(jìn)，也可以通過(guò)手持設(shè)備對(duì)其進(jìn)行遙控操作。

軍用機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)包括美、德、英、法、意、以、日、韓等國(guó)家，這些國(guó)家不僅在技術(shù)上處于研究的前列，其產(chǎn)品已經(jīng)在軍事上有了實(shí)際運(yùn)用。我國(guó)與這些強(qiáng)國(guó)的技術(shù)差距明顯，但在政策大力支持的情況下，軍事機(jī)器人的相關(guān)企業(yè)發(fā)展前景明顯良好，有望成為企業(yè)未來(lái)強(qiáng)勁的收入保證。

未來(lái)發(fā)展的新難題

從全球范圍看，科技發(fā)展的速度越來(lái)越快，無(wú)論是機(jī)器人硬件設(shè)備更新?lián)Q代的速度，還是機(jī)器人的軟件控制系統(tǒng)的升級(jí)速度，都已逐漸打破了摩爾定律[1]。

作為高新技術(shù)的集大成者，特種機(jī)器人的發(fā)展勢(shì)必會(huì)加速新一輪科技革命的到來(lái)。因此，面向非制造業(yè)的特種機(jī)器人的研究、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用將成為未來(lái)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。其中，特種機(jī)器人則會(huì)在軍事，醫(yī)療護(hù)理，太空探索與個(gè)人／專業(yè)服務(wù)等領(lǐng)域扮演重要角色。隨著相互學(xué)習(xí)與共享知識(shí)云技術(shù)獲得重大突破，小型家庭用輔助機(jī)器人的成本大幅度降低，有望在20年內(nèi)形成過(guò)百億美元的新興市場(chǎng)，而殘障輔助機(jī)器人的規(guī)模也會(huì)在未來(lái)20年內(nèi)加速擴(kuò)大。

核心技術(shù)方面，特種機(jī)器人未來(lái)研發(fā)的重大難點(diǎn)之一將是人、自然環(huán)境以及機(jī)器人的共生問(wèn)題?；诖说臋C(jī)器人功能也會(huì)得到進(jìn)一步細(xì)化。例如，高靈巧度操作，安全控制策略，獨(dú)立供電系統(tǒng)，低排放執(zhí)行器，真實(shí)世界的三維規(guī)劃與導(dǎo)航，協(xié)同工作，人機(jī)交互，物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算，柔性機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)／感知／控制仿生，復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人學(xué)的動(dòng)力學(xué)控制，故障遠(yuǎn)程診斷與修復(fù)技術(shù)等等。此外，以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)的融合創(chuàng)新加速，將不僅有助開(kāi)發(fā)出更具自主學(xué)習(xí)能力和自主解決問(wèn)題能力的新型智能機(jī)器人，還可為機(jī)器人建立起相應(yīng)的互聯(lián)網(wǎng)和知識(shí)庫(kù)的“云空間”, 使其通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行交互，并通過(guò)云計(jì)算提升機(jī)器人的智能化水平。因此，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)將圍繞網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、集成化、智能化、綠色化方向展開(kāi)。

如何打破國(guó)外壟斷格局

我國(guó)工業(yè)化起步晚是導(dǎo)致與發(fā)達(dá)國(guó)家機(jī)器人和智能裝備產(chǎn)業(yè)差距的主要原因。由于高素質(zhì)專業(yè)技術(shù)人才嚴(yán)重稀缺，自主創(chuàng)新能力嚴(yán)重不足，尤其是在原創(chuàng)性方面，我國(guó)國(guó)產(chǎn)機(jī)器人生產(chǎn)規(guī)模不大，整體智能化水平較低，國(guó)產(chǎn)器件質(zhì)量達(dá)不到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，整體性能偏低，機(jī)器人故障率過(guò)高，可靠性較差。國(guó)內(nèi)機(jī)器人企業(yè)至少落后美國(guó)20年以上，在一些關(guān)鍵部件的研發(fā)生產(chǎn)上差距甚至達(dá)到50年。比如，扮演機(jī)器人“大腦”角色的中央處理器CPU是機(jī)器人智能化的必要條件與保障。而如今，中國(guó)還沒(méi)有能力獨(dú)立研發(fā)高性能的CPU模塊。此外，諸如傳感器等元器件、減速器、伺服電機(jī)、信息處理技術(shù)等核心軟硬件技術(shù)，也還在依賴進(jìn)口，造成國(guó)產(chǎn)機(jī)器人成本居高不下，嚴(yán)重制約了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的成熟及國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的形成。

為了解決我國(guó)核心技術(shù)能力不足的“內(nèi)憂”和因外資來(lái)襲導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)自主品牌生產(chǎn)企業(yè)發(fā)展受阻的“外患”，我國(guó)有必要從系統(tǒng)性、協(xié)調(diào)性和制造技術(shù)等方面縮小差距。突破機(jī)器人新材料、3D環(huán)境識(shí)別、導(dǎo)航規(guī)劃、靈巧操作等前沿技術(shù)。突破應(yīng)用工藝、核心部件及可靠性集成平臺(tái)等產(chǎn)業(yè)技術(shù)。并堅(jiān)持以工業(yè)規(guī)?；⒎?wù)嵌入化為原則，形成機(jī)器人研制、生產(chǎn)、制造、銷售、集成、服務(wù)等有序而細(xì)化的產(chǎn)業(yè)鏈。由于機(jī)器人本體在中國(guó)不能大規(guī)模國(guó)產(chǎn)化，目前我國(guó)可以借鑒美國(guó)在系統(tǒng)集成方面的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，采取美國(guó)模式，進(jìn)而快速產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。但面臨的問(wèn)題是，做系統(tǒng)集成的企業(yè)會(huì)受到資金壓力而導(dǎo)致規(guī)模擴(kuò)張被限制。在真正突破機(jī)器人本體技術(shù)后，我國(guó)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式還可融合日本的產(chǎn)業(yè)鏈分工模式。與此同時(shí)，重點(diǎn)培育具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的本土機(jī)器人龍頭企業(yè)以及配套的產(chǎn)業(yè)集群，開(kāi)拓屬于中國(guó)特有的特種機(jī)器人市場(chǎng)，建立規(guī)?；膰?guó)產(chǎn)品牌示范區(qū)等，也將有助于打破國(guó)外對(duì)特種機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的壟斷格局。

賈梓筠 北京交通大學(xué) 博士研究生

曾作為國(guó)家公派留學(xué)生在美國(guó)麻省理工學(xué)院機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室訪學(xué)一年