改变世界的智能机器——智能机器人发展思考

 

　　另据中国机器人产业联盟的统计（图2：来源于IFR），2014年新增加的工业机器人中，有16000台产自中国本土企业，相比2013年高出78%。2014年，外资企业在中国共销售工业机器人41100台，相比2013年增长49%。据IFR预计，到2018年，中国将成为世界上最大和增长最快的机器人市场，超过1/3的全球供应的工业机器人将被安装在中国。虽然工业机器人的应用范围越来越广（图3），但目前在中国，汽车行业还是工业机器人的主要应用领域。

　　中国一直十分重视机器人技术的发展，通过科学技术部等部委的持续支持，从20世纪80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出了喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人，并形成了一批具有较强机器人科研实力的公司，如沈阳新松机器人自动化股份有限公司在自动导引车（AGV）等方面取得重要市场突破；哈尔滨博实自动化股份有限公司重点在石化等行业的自动包装与码垛机器人方面进行产品开发与产业化推广应用；奇瑞装备有限公司与哈尔滨工业大学合作研制的165kg点焊机器人，已在自动化生产线开始应用，分别用于焊接、搬运等场合，自主研制出中国第一条国产机器人自动化焊接生产线，可实现S11车型左右侧围的生产[6]；广州数控机械加工与上下料工业机器人方面的应用也取得了很好进展。据不完全统计，中国从事机器人相关业务的企业2013年是400多家，2014年达到800多家，其中上市企业2009年1家，2015年多达34家。

　　总体来看，在焊接、电子等高端制造方面，中国国产工业机器人占6%~7%，与国外差距较大，正在逐步增加份额。但在物流AGV、上下料码垛、涂胶作业、简单机械手等方面，中国国产工业机器人产业化发展迅速，占有率正在突破50%。正如2014年IFR的分析，中国工业机器人产业缺少技术创新，缺乏可以参与国际竞争的骨干企业，规模普遍很小，关键部件品质和品质可靠性落后世界先进水平5~10年。

4.3家用服务机器人发展现状
　　在全球家用服务机器人方面，世界各国处于同一起跑线，产品形态和功能正在探索和尝试，未来具有巨大的产业发展空间。日本处于领先地位，欧洲、韩国、中国紧随其后。围绕家用服务机器人的市场空间、本体、系统应用工艺、传感器核心部件、控制系统等方面进行了对比（从高到低依次分为A、B、C三等），如表2所示。

 

　　据IFR统计，2014年全球家用机器人新增330万台，相比2013年增长了28%，其中娱乐休闲机器人新增130万台，增长40%。在家用服务机器人方面，除家庭和花园机器人助手外，助老助残机器人逐渐成为未来发展的主流，相比2013年的699台，2014年全球共销售4416台。据IFR预计，到2018年全球销售使用的个人服务机器人将达到3500万台，其中家用服务机器人将有2500万台，娱乐休闲机器人900万台。
 

　　图4列出了部分家用服务机器人。中国的家用服务机器人在近几年有了很大的发展，但整体处于发展初期，且多是分散式发展。在教育、陪护、无人机、两轮车等方面，国内企业已崭露头角，如深圳市大疆创新科技有限公司的无人机、纳恩博科技有限公司的两轮车等[7]。
　　总体而言，正如IFR的分析，服务机器人正处在一个分散快速发展阶段，没有形成垄断性企业与格局，在所有从事服务机器人的公司中，有15%以上的公司都是新创立的，这些企业往往以破坏性技术创新或应用牵引商业模式创新快速发展，大部分企业还很年轻，规模也较小，缺乏规律性成熟的经验，但是这些培育、孵化或是创新企业，为新兴经济与产业发展、大企业成长提供了良好的生态环境。

4.4特种服务机器人发展现状

　　在全球特种服务机器人方面，美国在医疗机器人、军用机器人、特种环境作业机器人等方面处于领先地位，欧洲在医疗机器人方面具有优势，中国在水下机器人方面具有优势，紧接着是日本、韩国。围绕特种服务机器人的市场空间、本体、系统应用工艺、传感器核心部件、控制系统等方面进行了对比（从高到低依次分为A、B、C三等），如表3所示。

 

　　据IFR统计，2014年，全球共新增特种服务机器人24207台，相比2013年的21712台，增长了11.5%。如图5（来源于IFR），2014年国防领域新增特种服务机器人11000台，占新增特种服务机器人的45%，其中无人机占据了82%。此外，农业领域新增特种服务机器人5700台，其中5180台为挤奶机器人，占新增特种服务机器人的25%；物流领域新增特种服务机器人2644台，占新增特种服务机器人的7%，同比2013年增长27%。相比2013年，医疗机器人2014年增长率下降了5%，新增1224台，其中手术机器人978台。外骨骼机器人2014年共销售273台，相比2013年的160台增长了80%。据IFR预计，未来特种服务机器人会急速增长，到2018年，将超过15万台，其中最大的市场是国防、农业和物流。

　　中国的特种机器人在“863计划”的支持下，取得了不少成果（图6）。其中最为突出的是水下机器人（如蛟龙号）和空间机器人（如神10），6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大。

 

　　总体而言，在特种服务机器人领域，欧洲和美国在水下、农业、医疗等方面处于绝对领先状态，国内水下机器人的研究已经形成了良好优势，医疗外科机器人和反恐救灾机器人也正在大踏步前进。由于这方面的市场需求与规模有限，需要加强探索协同服务新的商业模式，不断完善快速、高品质、安全可靠的工程化产品。

　　5智能机器人未来发展方向

　　5.1机器人基础与前沿技术发展

　　机器人基础与前沿技术正在迅猛发展，涉及工程材料、机械工程、传感器、自动化、计算机、生命科学甚至涉及法律、伦理等各方面，许多学科相互交融、相互促进快速发展，以智能机器形态出现在实验室、企业与社会，这里主要集中交流3个方面热点研究。

　　5.1.1智能感知识别、大数据与人工智能

　　随着机器人的应用和推广，尤其是服务机器人的快速发展，感知能力将会成为机器人的一个重要考核指标。如何使机器人的感知识别能力更接近于人或其他生物将会成为未来研究的重点。同时，随着大数据、云计算等信息技术的发展，机器人的人工智能水平也将会不断提高。

　　目前，微软、谷歌、百度等计算机巨头已经在人工智能领域有所布局。2014年，微软在Build大会上推出了虚拟个人助理Cortana，Cortana的思考能力足以支持整个对话过程。当你与Cortana交流时，它会判断正在进行的是同一段对话还是新的对话主体。2014年，谷歌收购了英国DeepMind公司，在2014年4月发布的一款DeepMind软件展示视频中，DeepMind软件通过自己的本能来控制一款叫Atari的电子游戏并取得了胜利。百度深度学习研究院（IDL）开发出的“百度大脑”已经能达到2~3岁孩童的智力水平。

　　5.1.2微纳制造与智能硬件

　　机器人执行载体依赖于新材料、刚柔耦合结构、微电子与制造技术发展。随着纳米技术、微机电系统[8]、智能硬件等研究的深入，纳米机器人等微型机器人将会成为未来发展的方向之一。其不仅可以大大降低机器人成本，而且可实现现代制造宏观到微观的转变，特别是应用于医疗、健康等领域（如血管机器人），为人类的健康和生命保驾护航。同时纳米制造与智能硬件所涉及的石墨烯、维纳光电器件等也将为机器人的感知和识别提供更优越、更精准的微型传感器。

　　5.1.3生物材料与软体机器人

　　传统的机器人外壳多由没有温度的金属和塑料组成，在实际接触中无法让人产生依赖感。如果机器人的手、脸等关键部位能采用类似皮肤的材料，那么无疑会使人机接触过程更加友好。未来生物材料的发展将进一步推动机器人技术的发展，将为人与机的亲密互动提供更为真实、友好、舒适的界面，进一步缩短人与机器人之间的距离。因此，在不久的将来，一定会出现刚柔耦合、更加安全、更加实用、更加便宜的工业机器人与服务机器人。

　　同时，基于柔性生物材料的软体机器人研究将会成为机器人领域的研究热点。2012—2015年，Science与Nature已刊登了6篇关于仿生软体机器人的研究论文。柔性体机器人的驱动与传感等相关基础研究已引起世界著名高校，如美国哈佛大学、麻省理工学院等的高度重视，相关研究将在人工肌肉驱动的软体末端抓持器设计，多栖海空、水路仿生结构，柔性可穿戴式的感知装置等方面有所体现。

　　5.2机器人应用与产业化发展

　　机器人应用与产业化正在渗透各个行业，由于世界大部分智能硬件在中国制造，另一方面中国人口众多，不仅安全的吃住行玩是主要需求牵引，而且医疗健康与养老需求也将成为迫切需求。与此同时，考虑到中国目前一些过剩产业或是即将淘汰的产业，因此，重点围绕中国未来需求，介绍4个方面的应用热点。

　　1）3C装配制造、物流仓储搬运、食品加工等机器人有望成为工业机器人新兴主力军。工业机器人作为产业先驱，随着基础工业、制造工艺的进步，以及与传感技术、智能技术、虚拟现实技术、网络技术等的深度融合，工业机器人将朝着精度、速度、效率更高，智能、灵巧作业、人际交互能力更强，以及更加标准化、模块化、系统化、开放化等方向发展，更加重视相关新材料、增量加工方法、智能化示教、应用设计、成套应用工艺等关键技术，不断提高操作性和可维护性，应用领域也将从汽车工业向电子装配制造、物流搬运与仓储、食品加工、机械加工、化工建材等渗透推广，有望成为中国工业机器人应用的主力军。

　　2）家庭服务机器人有望走入千家万户。由于生活节奏的加快和劳动力的减少，小孩的看护、老人的陪护及家庭的清洁逐渐成为困扰年轻人的诸多问题，由此大力发展护理及清洁机器人是未来机器人发展方向之一。目前大家首先关心的是挖掘家庭服务刚性需求或痛点需求，其次关心是否存在相对集中的通用软件平台、硬件平台，标准化体系结构，软硬分离，相对专业化应用的模块化组件集成，另外还有一个重要问题就是提供服务具体内容，如何充分利用互联网、大数据及人工智能等技术，使得家用服务机器人可以方便地用于家庭并且价格合理等。

　　3）医疗机器人服务于民生科技与健康。健康是人类永恒的主题，未来医疗机器人的发展空间巨大。据WinterGreenResearch预测，未来康复机器人和手术机器人行业规模将分别由2014年的2.2亿、32亿美元增长到2021年的32亿、200亿美元，年均复合增速将达到46.6%、29.9%。随着远程医疗、微创外科及3D打印技术在医学领域的应用，手术机器人的需求会越来越多。但由于国外企业占有份额太高及其本身的技术壁垒，国产化的道路还很漫长。同时，由于中国残障人数众多，而且专业的康复医院、康复科室、康复设备还很少，未来中国康复机器人潜在市场上百亿。但由于中国特殊的群体收入特征和不完善的支付体系，很多国外昂贵的康复机器人消费者还无法承担，这就意味着未来国产康复机器人产业大有作为。

　　4）智能机器人技术嵌入智能交通，引领未来产业发展。据21世纪经济报道：2015年6月27日，美国谷歌公司宣布，他们的无人驾驶汽车已经驶在加利福尼亚州芒廷维尤的街头。智能交通，无人驾驶已经成为未来汽车发展的主流。由于其大大提高了交通系统的效率和安全性，将是未来汽车巨头们争夺的主要市场。2015年6月，在中国云计算大会上，百度宣布将在下半年推出无人驾驶汽车。2015年4月，上海汽车集团股份有限公司也推出了iGS智能汽车，该车不需要司机，而是自己用摄像头和雷达观察周围环境，用控制软件指挥，用油门、刹车、排挡、转向等实现移动。

　　未来，智能交通与无人驾驶必将走进人们的生活，并为人们的出行提供交通的便利。

　　6结论

　　从公元前约10世纪偃师发明艺妓（歌舞机器人）到现在，智能机器人技术已取得长足发展，为人类工业制造、公共服务及个人生活品质的提高做出了不可磨灭的贡献。但随着人类需求的进一步多样化和新技术的日益突起，未来的机器人还将面临更多更复杂的问题，如何提高机器人的高智能化、如何建立更亲密的人机关系、如何保证使用者的安全等都将成为急于解决的难点。

　　在工业机器人领域，全球市场格局已经成型，不能希望在中国短期内彻底改变，这需要长期坚持发展，需要攻克一些工业基础性的核心问题，包括工艺设计与实验、核心零部件、主机可靠性等问题。与此同时，中国作为未来机器人应用的最大市场正处在经济转型的过程中，充满了机遇和挑战。在服务机器人领域，全球市场尚处于发展阶段，未来发展空间极大。中国具有全世界最高的人口基础和残障人（残疾人、伤病人）数量，未来服务机器人市场很大。截止目前，中国自有的服务机器人产业正处于起步阶段，已产生了一些充满活力的企业，在国际竞争中也具有一定的特色。如何发挥国内市场优势，如何保证机器人的安全性，如何实现机器人的家庭化和高度智能化等将是未来服务机器人研究者必须思考的问题。