解碼迅猛發展中的全球機器人技術，看看機器人產業首席專家的解讀

本文部分首發於上海科技報

機器人技術一直以來都是全球科技界的熱點。隨著中國經濟的發展，各行各業對產品質量一致性的要求不斷提高，還有勞動力成本也在逐年上升，對能代替人工作的機器人需求就不斷增長，從而形成了一股產業界發展機器人的熱潮。發達國家的機器人技術發展到了什麼水平？中國機器人研究領域應該如何健康發展？近日，記者採訪了上海機器人產業技術創新戰略聯盟專家委首席專家龔振邦教授。

機器人種類繁多

根據使用環境分為兩大類

在日常生活中，我們會聽到很多不同的機器人名稱，如教育機器人、醫療機器人、特種機器人等。龔振邦介紹說，國際學術界一般把機器人分為兩大類，一類是在非製造環境(非結構環境)中作業的機器人，這類機器人又可分為特種機器人、服務機器人和微納米操作機器人等。一類是在製造環境(結構環境)中作業的機器人，比如在工廠車間中工作的工業機器人。

特種機器人的種類很多，包括可進行地面移動的地震救援機器人、在公共安全中使用的排爆機器人、水下機器人、低空無人機偵察機器人等。上海大學研製並得到應用的就有地震現場廢墟縫隙救援機器人、世博會的水域安保水下機器人，以及近期得到初步應用的水面無人艇、極地長航程球形機器人、低空無人機等。國內外之所以把用於測繪和航拍的低空無人機列入機器人範疇，龔振邦解釋道，那是因為這類裝置需要滿足的控制和導航功能，實際上完全屬於機器人技術的範疇。

服務機器人包括護理機器人、家政服務機器人、娛樂教育機器人、競賽表演機器人等。龔振邦介紹說，針對老齡化的社會問題的助老助殘康復機器人和針對青少年的智力開發和教育機器人有很大的市場需求量，相關部門正在著手推動這兩類機器人技術的產業化，目前問題的關鍵是要降低成本、提高可靠性，還要重視模塊化、標準化。

而微納米操作機器人是目前國際前沿研究的熱點，無論是治療不孕的體外人工授精，還是納米製造中納米線和納米管的操作，微納米操作機器人都是一種有效的工具。

事實上，最早出現的機器人是特種機器人，代表性的是上世紀40年代美國阿爾貢實驗室的在核電站工作的主從式遙操作機器人，核電站的工作人員通過一套主動操作手，遠距離遙控操作核反應堆里的一套從動操作手。

而工業機器人則晚了十多年，誕生於上世紀50至60年代，代表性的是美國的「尤尼梅特」搬運作業工業機器人。幾十年發展下來，製造環境中作業的工業機器人正在繼續向高速、高精度或重載、超重載以及智能化等方向發展；非製造環境中作業的特種機器人正在不斷提高對隨機變化的非結構環境的適應能力，包括各種靈巧機構、基於感測反饋的實時控制和導航，以及智能化等。

龔振邦介紹說，近年來隨著社會需求的提升，從技術角度來說，這兩大類機器人還呈現出融合的趨勢，譬如，具有兩條冗餘機械臂的仿人型機器人（原來屬於特種機器人範疇）應用於工業生產線上的零件自動裝配。特別是，隨著計算機和通訊技術的發展，機器人還會呈現出網路化、個性化和可定製或集群化的特點。

悄然進行不張揚

美國機器人技術仍是世界第一

在國際上，很多人會有一種錯覺，以為日本的機器人技術世界第一，其實不然。日本在工業機器人領域和兩足仿人型機器人方面確實取得了矚目的成就，但從技術角度來說，機器人技術包括應用處於全球領先水平地位的是美國。

龔振邦介紹說，日本每年都會舉行國際機器人展覽會，此外在工業機器人領域生產和製造可謂是量大面廣，宣傳工作開展得十分出色。而美國的幾家有名的機器人製造公司在十多年幾乎放棄了製造環境作業的工業機器人生產（只有一家生產用於精密裝配的機器人公司發展至今），美國是集中財力物力重點發展軍用高端機器人，在機器人高端技術上都領先於日本。

龔振邦舉例介紹了美國的地面移動機器人技術。美國研發的四腿「大狗」機器人不但可以在崎嶇的道路自如行走，還可以在冰上行走，在冰上給它一個很大的側向力，在抗擾動後仍可保持正常行走。

去年美國在「大狗」的基礎上研發的獵豹機器人，它不僅可奔跑，而且奔跑速度已超過了奧運會冠軍牙買加飛人博爾特創造的100米短跑記錄，這是日本望塵莫及的。美國還有一款兩足仿人型機器人，也可抗側力擾動，這些技術水平是日本的代表作「阿西莫「兩足仿人型機器人所無法企及的。

龔振邦還介紹了科普迷們特別感興趣的太空機器人技術。國際上最有名的是加拿大科學家研發的太空機械手，已成功地應用於國際空間站，完成了對哈勃望遠鏡的修復和百餘次的太空作業。加拿大機械手是一套具有7個自由度的冗餘機器人，加拿大科學家擺脫了傳統的地面微重力試驗方法，創新性地將「硬體在環」的模擬試驗理論和方法應用到太空機械手的研發和製造中。這是一種原型樣機和數學模型相結合的模擬系統，通過精確的動力學模型計算微重力環境下空間機器人的運動情況，再通過跟原型樣機（可以是工業機器人）在運動學和動力學上的等效，實現微重力環境下加拿大機械臂的地面模擬實驗和參數測試。這種方法目前正在深入和拓寬中，特別是德國的科學家，他們在地面使用兩台工業機器人來模擬兩個衛星6自由度的微重力動態對接操作過程，模擬衛星25米內的最終接近和整個對接及捕獲的過程。

中國跟日本、美國、加拿大的機器人技術相比還有很大的差距，還有很長的路需要跋涉。龔振邦建議在向發達國家學習的同時，相關部門可以起草一條適合中國國情的機器人技術發展的路線圖，逐步縮小與發達國家的技術差距。

面對產業井噴

科學界和產業界應未雨綢繆

在龔振邦眼中，機器人是一種在計算機控制下的機械電子學裝置，根據所處的環境，它具有至少一種或多種擬人功能，如抓取功能或移動功能，或兩者兼有之，還程度不等地具有某些感知功能（視覺、力覺、觸覺、接近覺等）以及語音功能乃至邏輯思維、判斷決策功能，從而使它能在要求的環境中代替人進行作業。一言蔽之，機器人是一種具有擬人功能的機械電子裝置。因此機器人技術絕非是一個單一的學科技術。機器人技術至少涵蓋了機械和力學、控制和驅動、感測檢測和信號處理和傳輸，現代機器人技術還不斷吸納微電子、計算機、通信技術的最新成果乃至數學、材料等學科的最新進展。在機器人學科的人才培養上，需要有學科交叉融合的實踐。

個人電腦普及革命的領軍人物比爾·蓋茨在《科學美國人》上撰文，預言：機器人將重複個人電腦崛起的道路，普及到家家戶戶；這場革命必將與個人電腦一樣，徹底改變這個時代的生活方式。龔振邦認為未來機器人行業的發展將出現井噴狀態，中國科學家將有很多可以攻克的技術關鍵。

就非製造環境(非結構環境)中作業的機器人（特種機器人、服務機器人和微納米操作機器人等）技術而言，龔振邦認為，發展趨勢將將呈現出以下特徵：一是適應環境作業的機器人靈巧機構設計技術；二是基於先進感測器和信息處理技術的伺服控制和導航控制技術；三是基於現代通信、網路和多媒體技術的監控顯示和遙操作技術；四是高效能源的微小型化技術；五是系統的智能化技術。龔振邦坦言，目前國內對「智能」的使用太泛濫了，他認為機器人的智能化主要要解決的技術難點目前至少包括：機器人的定位、信息反饋、不確定性處理、多信息融合、環境建模、任務分配、路徑規劃、底層控制、自適應和多機器人合作等。

就製造環境(結構環境)中作業的機器人（工業機器人）技術而言，龔振邦建議，目前能否集中解決兩類技術，一是上下料、搬運、物流機器人技術，二是機器人自動裝配技術。上下料、搬運、物流機器人領域需要提升的技術包括基於機器人技術的零件或產品的分類、篩選、理料、供料、搬運、存儲、分流、包裝技術；基於物流量、速度等要素的移載技術和交通網規劃技術；零件或產品質量的在線檢測技術等。機器人自動裝配領域需要提升的技術包括機器人化的特殊裝配（焊接、鉚接、過盈等）技術；裝配機器人的模塊化設計技術；基於機器人視覺和圖像識別技術的零件精確認向、導向技術；基於動態特性分析的精密運動定位技術等。此外工業機器人技術要適應生產中高速、高精度或重載、超重載的需求。目前，中國的工業機器人產業化的技術瓶頸是滿足一定性能要求下的成本控制，只有突破這個瓶頸，國產機器人才有市場競爭力。

龔振邦希望在今後機器人技術創新中全社會要容忍經過努力後的暫時失敗。美國最初的三架「全球鷹」無人機在研製和阿富汗戰爭的試用中先後全部墜毀，但是美國並沒有停止該機種研發的投入，而是從實踐中不斷吸取教訓，終於獲得成功。科學和技術問題的突破和解決不是預期一次就能達到的，有一個認識累積的過程。

（本文寫於2014年）

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