機(jī)器人在智能時(shí)代發(fā)揮重要作用 

　　人類從機(jī)械化發(fā)展到電器化、信息化，今天已經(jīng)進(jìn)入智能化時(shí)代，機(jī)器人在智能化時(shí)代中發(fā)揮著重要的作用。最早的機(jī)器人可以追溯到中國東漢時(shí)期，如無人車、指南車。真正的現(xiàn)代機(jī)器人是出現(xiàn)在1978年的工業(yè)機(jī)器人，其被廣泛地應(yīng)用到機(jī)器生產(chǎn)線、電子和汽車生產(chǎn)線——從這時(shí)起工業(yè)機(jī)器人和機(jī)器人才真正在產(chǎn)業(yè)方面被發(fā)揮應(yīng)用。 

　　近幾年來，機(jī)器人已經(jīng)在各大領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，成為高端裝備、智能制造的核心重要工具，同時(shí)也是推動(dòng)重大裝備加工、測量、檢測等的重要引擎和工具。如今機(jī)器人在重大工程當(dāng)中也發(fā)揮著重要的作用，在重大工程建模、運(yùn)維、維護(hù)等各個(gè)方面，都有機(jī)器人的參與。機(jī)器人在重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)維方面，都已發(fā)揮不可替代的重要的作用。 

　　近年來我國制造業(yè)不斷轉(zhuǎn)型升級(jí)，勞動(dòng)力的短缺加速推動(dòng)了機(jī)器人的發(fā)展。當(dāng)前全球多個(gè)發(fā)達(dá)國家都非常重視機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，美國、德國、中國和日本四國是其中發(fā)展最迅速的，均發(fā)布了各自的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。 

　　無論是工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人還是特種機(jī)器人，簡單而言，機(jī)器人就是光機(jī)電一體化的機(jī)械化裝置。近幾年間在機(jī)械化裝置發(fā)展下，增加了機(jī)器人的感知、規(guī)劃、決策、控制等功能，使機(jī)器人更加智能。 

　　從機(jī)器人應(yīng)用的角度劃分，過去是工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、特殊機(jī)器人等。從專業(yè)角度看，機(jī)器人結(jié)構(gòu)分為仿生機(jī)構(gòu)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)等；從空域角度劃分，可面向地面、空中和水下等。如今機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、水下以及航空航天，近幾年發(fā)展迅速的就是無人駕駛。 

　　感知技術(shù) 

　　機(jī)器人是一個(gè)典型的反饋的、閉環(huán)的控制系統(tǒng)。不管機(jī)器人構(gòu)造如何復(fù)雜，都包含四個(gè)核心的關(guān)鍵技術(shù)：本體結(jié)構(gòu)技術(shù)，感知系統(tǒng)與感知技術(shù)，決策與規(guī)劃、調(diào)度、控制技術(shù)及執(zhí)行技術(shù)。 

　　目前機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中，如智能機(jī)器人、新材料、仿生、機(jī)器人的能源動(dòng)力，以及腦機(jī)接口、醫(yī)療機(jī)器人——包括機(jī)器人的倫理等，都是未來機(jī)器人發(fā)展和挑戰(zhàn)的方向。未來機(jī)器人一定是朝著自主化更強(qiáng)，容錯(cuò)性更好得多機(jī)協(xié)作的方向發(fā)展。 

　　我們團(tuán)隊(duì)認(rèn)為一個(gè)完整的機(jī)器人要具備五大能力（要素），包括感知要素、運(yùn)動(dòng)要素、規(guī)劃要素、學(xué)習(xí)能力及決策能力。從專業(yè)角度來說，機(jī)器人就是一個(gè)閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，三個(gè)關(guān)鍵的核心技術(shù)起到支撐作用。第一個(gè)是環(huán)境感知，第二個(gè)是規(guī)劃決策，第三個(gè)方面是協(xié)同控制。 

　　近幾年來，我們團(tuán)隊(duì)在視覺傳感器方面，研制視覺傳感器的成像，在視覺成像后對(duì)視覺信息進(jìn)行處理，再做成視覺的硬件和軟件嵌入式系統(tǒng)。 

　　首先，怎么打造高速高精的視覺感知與傳感器呢？如何才能夠有效地應(yīng)用到機(jī)器人中，給機(jī)器人備上一雙明亮的眼睛？近幾年發(fā)展比較迅速的是支持性的光學(xué)成像、機(jī)器學(xué)習(xí)以及實(shí)時(shí)硬件處理等，能有效地應(yīng)對(duì)高實(shí)時(shí)、高可靠、高性能的視覺感知系統(tǒng)。 

　　處理微小、微弱業(yè)務(wù)時(shí)怎樣有效地識(shí)別、判斷？能讓醫(yī)療、工業(yè)機(jī)器人在行走時(shí)能夠精準(zhǔn)地感知？機(jī)器人要裝配一個(gè)零部件，首先得通過學(xué)習(xí)提取特征，用大量的樣本訓(xùn)練，學(xué)習(xí)完以后用模型來建立三維的環(huán)境、場景的感知。通過這個(gè)三維模型讓機(jī)器人固化在控制系統(tǒng)里，形成一個(gè)實(shí)時(shí)的視覺伺服控制以有效應(yīng)對(duì)。目前發(fā)展得比較迅速的是三維地圖定位與重建。 

　　機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)展迅速 

　　在感知環(huán)節(jié)后，我們還要依托感知的信息，來控制機(jī)器人的操作。如今機(jī)器人的控制系統(tǒng)發(fā)展得也非常迅速。第一個(gè)方面是柔性控制，第二個(gè)方面是機(jī)器人視覺伺服控制，第三個(gè)方面是機(jī)器人的學(xué)習(xí)、智能控制，第四個(gè)方面是機(jī)器人的多機(jī)協(xié)同，多機(jī)協(xié)同是未來的發(fā)展方向。 

　　機(jī)器人學(xué)習(xí)是一個(gè)漫長的過程，通過不斷地學(xué)習(xí)后，設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)控制器，可以將其通過硬件固化在機(jī)器人大腦、關(guān)節(jié)控制器、系統(tǒng)控制中，近幾年強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制器發(fā)展非常迅速。此外，我們加工一個(gè)大型復(fù)雜構(gòu)件、完成一個(gè)醫(yī)療手術(shù)需要深度迭代的運(yùn)動(dòng)控制學(xué)習(xí)，只有通過傳統(tǒng)控制不斷迭代、不斷訓(xùn)練，學(xué)習(xí)完成后才可以完成復(fù)雜的作業(yè)。當(dāng)然，環(huán)境發(fā)生變化后可以再學(xué)習(xí)，這并不是一成不變。 

　　比如在加工一個(gè)非常復(fù)雜的、雜亂無章的零部件時(shí)，我們?cè)趺从行У刈ト　⒆R(shí)別與裝配？這其中涵蓋三個(gè)方面，即要將視覺感知、視覺伺服和精確的控制有機(jī)地結(jié)合起來，真正成為一個(gè)集三維深度感知的學(xué)習(xí)控制器。 

　　控制器研發(fā)最重要的是多機(jī)協(xié)作，而多機(jī)控制需要解決幾個(gè)關(guān)鍵性的核心問題：多傳感器信息融合、協(xié)同感知、協(xié)同規(guī)劃及協(xié)同控制。解決好這四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，就能夠加工出一個(gè)大型的復(fù)雜部件。 

　　比如智能制造或智能車間，如何在小品種、多批量、批量變化的要求下生產(chǎn)出產(chǎn)品？這就需要柔性化生產(chǎn)與作業(yè)，要解決多機(jī)器的協(xié)同、多工序的協(xié)同和多任務(wù)的分配。 

　　機(jī)器人可以廣泛應(yīng)用到不同的場景，無論是工業(yè)、農(nóng)業(yè)，或者物流、醫(yī)療等，都屬于集成創(chuàng)新。但是要把集成創(chuàng)新做好非常不容易，所以我把它歸結(jié)為第五大技術(shù)。 

　　基于這五大技術(shù)，就可以廣泛應(yīng)用到不同的行業(yè)。第一個(gè)典型行業(yè)案例如我國基于高速機(jī)器視覺的飲料罐裝機(jī)器人，近幾年來發(fā)展非常迅速，但是在十多年前，工序不發(fā)達(dá)的情況下都是靠手工操作。 

　　第二個(gè)典型應(yīng)用在醫(yī)藥制造領(lǐng)域。過去配藥、罐裝藥、封裝藥、分解藥都采用人工。2003年非典疫情后，各大制藥劑工廠提倡高速無菌化、高速無人化的生產(chǎn)。如今，機(jī)器人在疫苗生產(chǎn)當(dāng)中也發(fā)揮著非常重要的作用。 

　　第三個(gè)典型應(yīng)用領(lǐng)域的代表是三星。作為電子領(lǐng)域傳統(tǒng)企業(yè)，三星大量采用機(jī)器視覺、機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，來解決電子印刷電路板的裝配問題。第四個(gè)應(yīng)用方面是機(jī)器人的機(jī)械加工、激光加工焊接；第五個(gè)方面是高危作業(yè)。這些都是機(jī)器人在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、特殊作業(yè)行業(yè)等應(yīng)用的典型案例，也就是基于五大關(guān)鍵技術(shù)以研發(fā)機(jī)器人。 

　　智能機(jī)器人的未來發(fā)展 

　　典型的機(jī)器人包括控制器、減速器、伺服器，再加一個(gè)完備的人機(jī)界面。1.0被稱為自動(dòng)化的機(jī)器，近幾年迅速發(fā)展到2.0數(shù)字化，加入了視覺感知、軌跡規(guī)劃以及視像等。 

　　未來，在學(xué)術(shù)界、工業(yè)界以及產(chǎn)業(yè)界需求最高的服務(wù)機(jī)器人，更多地要向3.0協(xié)作機(jī)器人發(fā)展。要讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)認(rèn)知學(xué)習(xí)、人機(jī)交互、語意分析，尤其是對(duì)自然語言的理解。 

　　人和機(jī)器協(xié)作，必須了解自然語言。將來機(jī)器人還要成為自主性的機(jī)器人，還有更多的技術(shù)正在迭代。機(jī)器人的發(fā)展過程是不斷迭代的，讓機(jī)器人變得更加聰明、更加有效、更加可靠，為人類帶來更好的服務(wù)。 

　　未來的機(jī)器人發(fā)展中，人工智能非常重要。人工智能的關(guān)鍵技術(shù)決定了機(jī)器人的未來。人工智能的四大技術(shù)——記憶技術(shù)、感知技術(shù)、行動(dòng)規(guī)劃以及機(jī)器學(xué)習(xí)，近年來發(fā)展非常迅速。這些技術(shù)完全可以移植到機(jī)器人里，未來的機(jī)器人一定是一個(gè)完備的、能夠自主化、網(wǎng)絡(luò)化的閉環(huán)的控制系統(tǒng)。 

　　此外，從服務(wù)機(jī)器人身上可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人能像人一樣看懂說明書，能夠自動(dòng)地裝配；機(jī)器人通過眼睛視覺，能感知得到，還要分析判斷，要有認(rèn)知。從感知智能到認(rèn)知智能，再到行為智能，這些都是需要人工智能的技術(shù)。 

　　而在智能工廠發(fā)展方向，也體現(xiàn)出人工智能的作用。比如網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造，過去一個(gè)工廠大批量地生產(chǎn)，今天的工廠則是小批量定制化或多品種。一件產(chǎn)品要制造，兩件產(chǎn)品也要制造，要承擔(dān)這么樣艱巨的任務(wù)，工廠一定要做成柔性化、智能化的產(chǎn)線。而這就要依靠數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的升級(jí)。 

　　在關(guān)鍵的產(chǎn)線方面，實(shí)現(xiàn)制造的智能化、服務(wù)的智能化，才能真正地打造有競爭力的柔性的工廠，這需要工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的加入，也需要制造云，才能建成新型的智慧工廠，也就是俗稱的“ 燈塔工廠”“黑燈工廠”“無人工廠”。 

　　物流方面也同樣如此。5G技術(shù)的出現(xiàn)，為機(jī)器人的發(fā)展帶來了福音。同時(shí)，智能網(wǎng)聯(lián)交通包括人機(jī)交互技術(shù)等非常重要。此外，機(jī)器人在無人系統(tǒng)、無人作業(yè)、空地天協(xié)同作業(yè)等均能發(fā)揮重要作用。但其中的核心是，空間協(xié)同無論怎樣發(fā)展，都需要一個(gè)高性能的類腦計(jì)算，目前業(yè)內(nèi)都在設(shè)計(jì)無人系統(tǒng)的類腦芯片。 

　　簡單而言，人工智能與機(jī)器人的有機(jī)結(jié)合可以體現(xiàn)在四個(gè)方面。第一在感知層面，很多人工智能的技術(shù)已經(jīng)被大量地應(yīng)用，很多企業(yè)都在開發(fā)。第二在認(rèn)知層技術(shù)，第三在決策層，第四在控制執(zhí)行層，都能體現(xiàn)出人工智能技術(shù)融入機(jī)器人里。 

　　機(jī)器人的發(fā)展態(tài)勢應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)化、自主化、協(xié)同化、靈巧化。機(jī)器人要發(fā)展好，首先一定要規(guī)劃好。第二要有一個(gè)好的創(chuàng)新環(huán)境，第三機(jī)器人一定要有標(biāo)準(zhǔn)，第四人才是關(guān)鍵。