“人—機(jī)”交互、合作、融合 從“傳統(tǒng)機(jī)器人”走向“現(xiàn)代機(jī)器人”

佚名

自1959年世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世以來(lái)，“機(jī)器人學(xué)”已取得重大成就，并開始在制造業(yè)、服務(wù)業(yè)、醫(yī)療保健/醫(yī)療、國(guó)防、太空等各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

2013年，麥肯錫全球研究所發(fā)布了《引領(lǐng)全球經(jīng)濟(jì)變革的顛覆性技術(shù)》報(bào)告，將先進(jìn)機(jī)器人列入12項(xiàng)技術(shù)之中?！皺C(jī)器人革命”有望成為“第三次工業(yè)革命”的一個(gè)切入點(diǎn)和重要增長(zhǎng)點(diǎn)，將影響全球制造業(yè)戰(zhàn)略格局。

國(guó)際發(fā)展態(tài)勢(shì)

2013年，美國(guó)發(fā)表了《從互聯(lián)網(wǎng)到機(jī)器人——美國(guó)機(jī)器人發(fā)展路線圖》，預(yù)測(cè)機(jī)器人是一種能像網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣對(duì)人類的未來(lái)產(chǎn)生革命性影響的新技術(shù)，擁有改變未來(lái)的巨大潛力，有望像計(jì)算機(jī)設(shè)備一樣在未來(lái)幾十年內(nèi)遍布世界的各個(gè)角落。機(jī)器人將成為人類的重要幫手，在解決人類面臨的可持續(xù)制造、社會(huì)老齡化、醫(yī)療/健康服務(wù)、極端環(huán)境服役等眾多挑戰(zhàn)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

21世紀(jì)以來(lái)，世界各工業(yè)強(qiáng)國(guó)均將機(jī)器人列入優(yōu)先發(fā)展行業(yè)。

2011年，美國(guó)開始推行“先進(jìn)制造業(yè)伙伴計(jì)劃”，旨在通過(guò)發(fā)展工業(yè)機(jī)器人重振美國(guó)制造業(yè)，并投資28億美元開發(fā)基于移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)的新一代智能機(jī)器人；2012年，為配合“制造業(yè)回歸”和“再工業(yè)化國(guó)家戰(zhàn)略”，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)提出“國(guó)家機(jī)器人技術(shù)計(jì)劃”，發(fā)展能與人類合作的新一代機(jī)器人。

2012年10月，韓國(guó)發(fā)布了“機(jī)器人未來(lái)戰(zhàn)略展望2022”，支持?jǐn)U大韓國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)并推動(dòng)機(jī)器人企業(yè)進(jìn)軍海外市場(chǎng)。2013年，德國(guó)提出“工業(yè)4.0”計(jì)劃，支持基于機(jī)器人技術(shù)的“虛實(shí)合一”的制造系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃。2014年6月，歐盟啟動(dòng)全球最大的民用機(jī)器人研發(fā)計(jì)劃，2020年前將投入28億歐元研發(fā)民用機(jī)器人，增強(qiáng)歐洲工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

日本制定了機(jī)器人技術(shù)長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略，將機(jī)器人產(chǎn)業(yè)列入“新產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略”中7大重點(diǎn)扶持性產(chǎn)業(yè)。2014年9月，日本政府召開“機(jī)器人革命實(shí)現(xiàn)會(huì)議”，著力推進(jìn)醫(yī)療、看護(hù)、農(nóng)業(yè)及建筑工地等領(lǐng)域的機(jī)器人發(fā)展，5年內(nèi)力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人普及、提高生產(chǎn)效率、解決勞動(dòng)力短缺等問(wèn)題。2020年使制造業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模翻番，非制造業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)大至20倍。

我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)提出機(jī)器人技術(shù)發(fā)展三步走戰(zhàn)略，短期重點(diǎn)聚焦制造業(yè)機(jī)器人，促進(jìn)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)；中期側(cè)重環(huán)保節(jié)能理念，重點(diǎn)發(fā)展LED與PV（太陽(yáng)能光電）等新興綠色產(chǎn)業(yè)用機(jī)器人。長(zhǎng)期側(cè)重人性需求，重點(diǎn)發(fā)展醫(yī)療與觀光服務(wù)業(yè)機(jī)器人。

我國(guó)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)工業(yè)機(jī)器人起步于上世紀(jì)70年代初，但因勞動(dòng)力資源豐富、技術(shù)落后等原因使其發(fā)展十分緩慢。

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，隨著勞動(dòng)力成本的大幅上漲，我國(guó)制造業(yè)對(duì)機(jī)器人的需求不斷加大，未來(lái)我國(guó)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、社會(huì)老齡化應(yīng)對(duì)、國(guó)防裝備升級(jí)均需要大量的機(jī)器人。我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已取得了一定程度的進(jìn)步，在機(jī)器人整機(jī)設(shè)計(jì)與制造方面積累了一定經(jīng)驗(yàn)，形成了一支較為龐大的基礎(chǔ)研發(fā)隊(duì)伍。

我國(guó)工業(yè)機(jī)器人本體制造技術(shù)較為成熟，但與龐大的市場(chǎng)需求形成鮮明對(duì)比的是，我國(guó)機(jī)器人技術(shù)總體發(fā)展仍相對(duì)落后，國(guó)內(nèi)機(jī)器人市場(chǎng)絕大部分為國(guó)外公司所占據(jù)。目前，國(guó)內(nèi)機(jī)器人核心技術(shù)缺失，減速器、驅(qū)動(dòng)與控制等核心部件主要依賴外購(gòu)。機(jī)器人自主設(shè)計(jì)與創(chuàng)新能力不足是我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。

一般來(lái)說(shuō)，智能機(jī)器人包括機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)本體、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)、能源動(dòng)力、感知等系統(tǒng)。機(jī)器人核心部件包括伺服電機(jī)、減速器及控制器、驅(qū)動(dòng)器及傳感器。諧波減速器一般用于輕型機(jī)器人或機(jī)器人腕部關(guān)節(jié)。由波發(fā)生器、柔輪和鋼輪組成，具有減速比大、齒隙小、精度高，零部件少、安裝方便及體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)諧波減速器研究起步較早，如北京諧波傳動(dòng)技術(shù)研究所早在上世紀(jì)六七十年代便開始了諧波減速器的研究。由于市場(chǎng)問(wèn)題，該項(xiàng)研究進(jìn)展較慢，但積累了較多的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)諧波減速器開始迅速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)諧波減速器開始在國(guó)產(chǎn)機(jī)器人產(chǎn)品上得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

RV減速器一般用于機(jī)器人的肩關(guān)節(jié)，用于傳遞較大的扭矩。國(guó)內(nèi)在RV減速器制造的一些關(guān)鍵技術(shù)上還有待提高，比如，針孔殼要求確保數(shù)十個(gè)半圓孔的圓度及同心度。工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)一般包括伺服層、主控層及操作層，其中伺服層包括伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器等，主控層包括控制器、編碼器、力傳感器等。目前，國(guó)內(nèi)機(jī)器人在伺服層和主控層的核心技術(shù)上均存在一定程度的制約。

總體來(lái)說(shuō)，機(jī)器人理論及關(guān)鍵技術(shù)研究是我國(guó)工程領(lǐng)域長(zhǎng)期面臨的科學(xué)挑戰(zhàn)，需要解決機(jī)器人與作業(yè)任務(wù)和環(huán)境的適應(yīng)性、人機(jī)交互與自律協(xié)同控制、信息采集與傳輸機(jī)制等科學(xué)問(wèn)題，突破減速器、感知驅(qū)動(dòng)與控制等關(guān)鍵技術(shù)及核心部件等技術(shù)瓶頸，確保我國(guó)在下一輪機(jī)器人發(fā)展大潮中處于不敗之地，機(jī)器人理論與關(guān)鍵技術(shù)研究是國(guó)家的重大戰(zhàn)略需求。

智能機(jī)器人技術(shù)將走向何方

機(jī)器人技術(shù)涉及眾多領(lǐng)域，具有多學(xué)科交叉和融合等特點(diǎn)。機(jī)器人正在逐步發(fā)展成為具有感知、認(rèn)知和自主行動(dòng)能力的智能化裝備，是數(shù)學(xué)、力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、材料科學(xué)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、光電、通信、傳感、仿生學(xué)等多學(xué)科和技術(shù)綜合的成果，其發(fā)展水平體現(xiàn)了國(guó)家高技術(shù)領(lǐng)域的綜合實(shí)力。我國(guó)現(xiàn)階段機(jī)器人的發(fā)展需要智能和自主作業(yè)能力的提升、人機(jī)交互能力的改善、安全性能的提高，解決制約“人-機(jī)交互”、“人-機(jī)合作”、“人-機(jī)融合”的瓶頸，突破三維環(huán)境感知、規(guī)劃和導(dǎo)航、類人的靈巧操作、直觀的人機(jī)交互、行為安全等關(guān)鍵技術(shù)。

未來(lái)充滿希望

機(jī)器人已從早期的工業(yè)機(jī)器人發(fā)展為種類繁多的現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人。

雖然工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于各大門類工業(yè)領(lǐng)域，但主要在結(jié)構(gòu)化環(huán)境中執(zhí)行各類確定性任務(wù)，面臨操作靈活性不足、在線感知實(shí)時(shí)作業(yè)弱等問(wèn)題；服務(wù)機(jī)器人是應(yīng)對(duì)未來(lái)全球人口老齡化趨勢(shì)加劇的核心手段，存在無(wú)法接受抽象指令、難與人有效溝通、人機(jī)協(xié)調(diào)合作能力不足、安全機(jī)制欠缺等問(wèn)題；特種機(jī)器人是代替人類在極地、深海、外星、核輻射、軍事戰(zhàn)場(chǎng)、自然和人為災(zāi)害等危險(xiǎn)甚至不可達(dá)區(qū)域執(zhí)行任務(wù)的重要手段，存在依賴離線編程、在動(dòng)態(tài)未知環(huán)境中依賴人類遠(yuǎn)程操作等問(wèn)題。

機(jī)器人在智能和自主方面與人存在巨大差距，機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展必然要尋求作業(yè)能力的提升、人機(jī)交互能力的改善、安全性能的提高。

當(dāng)前，機(jī)器人正在從“傳統(tǒng)機(jī)器人”走向“現(xiàn)代機(jī)器人”，呈現(xiàn)出“人-機(jī)”交互、“人-機(jī)”合作、“人-機(jī)”融合等明顯的技術(shù)特征?，F(xiàn)代機(jī)器人需要在三維環(huán)境中感知、規(guī)劃和導(dǎo)航、類人的靈巧操作、直觀的人機(jī)交互、行為安全等理論與技術(shù)方面突破與發(fā)展。我國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)容量巨大、多樣，在不久的將來(lái)會(huì)創(chuàng)造新的奇跡。