與人共融-機器人技術(shù)發(fā)展的新趨勢

1、與人共融-機器人技術(shù)發(fā)展的新趨勢經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，機器人技術(shù)已經(jīng)對人類的生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生了深遠影響，并成為衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志。當(dāng)前，國際機器人技術(shù)新的發(fā)展趨勢是什么？與人共融機器人的基本概念及內(nèi)涵是什么？我國機器人技術(shù)發(fā)展乂面臨哪些機遇與挑戰(zhàn)？這些問題亟待我們思考和解決。自上世紀中葉起，機器人技術(shù)經(jīng)歷了半個多世紀的發(fā)展，已經(jīng)深入到人類生產(chǎn)、生活的各個方面，給人類社會發(fā)展帶來重大變革。進入二十一世紀后，在科技水平的快速發(fā)展以及人們口益增長的需求的共同作用下，機器人技術(shù)得到了空前的關(guān)注，被認為是新技術(shù)革命的核心?！爸圃斐鱿袢艘粯拥臋C器”幾千年前就已經(jīng)是人類的偉大愿

2、望，但目前，人和機涔人仍然是一種使用和被使用，替代和被替代的關(guān)系，機器人更多的作為一種功能替代工具出現(xiàn)。新的社會發(fā)展趨勢表明：未來新一代機器人系統(tǒng)將從更多的方面模仿人，尤其是，機器人與人之間應(yīng)更多地表現(xiàn)出一種和諧共存、優(yōu)勢互補的合作伙伴關(guān)系，即：與人共融是新一代機器人系統(tǒng)的最本質(zhì)特征。2013年，麥肯錫全球研究所發(fā)布的引領(lǐng)全球經(jīng)濟變革的顛覆性技術(shù)報告將先進機潛人列入12項技術(shù)之中，并預(yù)計2025年潛在年度市場影響力約1.7萬億美元4.5萬億美元。正是看到了機器人對經(jīng)濟、社會發(fā)展的重大推動作用，近年來，機器人技術(shù)的發(fā)展得到了全世界的空前關(guān)注，世界發(fā)達國家紛紛將機器人作為國家計劃進行了細致的梳理和

3、規(guī)劃。2013年出版的美國機潛人發(fā)展路線圖，將機器人列為繼互聯(lián)網(wǎng)之后可能對人類社會產(chǎn)生深遠影響的技術(shù)。而歐盟早在2006年就成立專門機構(gòu)，對歐洲機器人技術(shù)的發(fā)展進行了長期、細致的研究，并于2014年1月頒布.了機器人發(fā)展路線圖，用以指導(dǎo)歐洲各國機器人技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。機器人技術(shù)發(fā)展的國際新趨勢美國于2011年啟動了先進制造伙伴計劃(theAdvancedManufacturingPartnership,AMP)。其中明確指出:"下一代機器人將與人類操作者緊密合作，為產(chǎn)業(yè)工人、健康服務(wù)者、士兵、手術(shù)醫(yī)生以及宇航員等完成復(fù)雜任務(wù)提供新的能力”，這是迄今為止國家級計劃中，對下一代機器人功能

4、內(nèi)涵的最清晰描述。歐盟于2006-2008年制定的CARE計劃(CoordinationActionforRoboticsinEurope)結(jié)合6個方*面應(yīng)用，對機器人技術(shù)的發(fā)展給出了較清晰的路線圖。以此為基礎(chǔ)，歐盟第七框架計劃(2007-2013)歸納出下一代機器人的核心特征：安全、自主的“人一機器人一物理世界”的交互，并給出了其所包含的7方面共性關(guān)鍵技術(shù)：柔順機電系統(tǒng)設(shè)計、實時認知、交互式控制、人類行為的學(xué)習(xí)與理解、反應(yīng)式行為產(chǎn)生、適應(yīng)人的任務(wù)規(guī)劃、安全技術(shù)。在2013年4月德國推出的工業(yè)4.0計劃中指出：智能工廠、智能生產(chǎn)是第四次工業(yè)革命的主題(圖1),而這種“智能”的物理實體就是機器人

5、，通過智能機器人、機器設(shè)備以及人之間的相互合作，提高生產(chǎn)過程的智能性。第一次工業(yè)革命創(chuàng)造了機器工廠的“蒸汽時代”第二次工業(yè)革命將人類帶入分工明確、大批量生產(chǎn)的流水線模式和“電氣時代”第三次工業(yè)革命應(yīng)用電子信息技術(shù)，進一步提高生產(chǎn)自動化水平18001900第四次工業(yè)革命開始應(yīng)用信息物理融合系統(tǒng)(GPS)圖1歷史上的四次工業(yè)革命日本機械學(xué)會將機器人作為其十個重點發(fā)展方向之一。把機器人的智能劃分為五個等級。級別1為非自主運動；級別2為弱自主運動；級別3為部分自主運動；級別4為半自主運動；級別5為完全自主運動。1990年以前的機器人處于級別1,只是簡單的“示教再現(xiàn)”，幾乎沒有智能；1990-2000年

6、，機器人的進步主要體現(xiàn)在開始使用視覺傳感器以及離線示教技術(shù)，其智能水平處于級別23：2000-2010年，隨著視覺技術(shù)的進一步發(fā)展以及部分環(huán)境認知技術(shù)的采用，機器人智能開始突破第3級；2010-2020年，機器人將有望完全突破并進入第4級范疇，即：認知能力與靈活的物體操作、與人的合作交互以及弱化機器人的定位需求，并減少示教時間；在2020-2030年，要重點突破無示教作業(yè)、完全環(huán)境認知，推進機器人突破級別4。自主機器人與人合作發(fā)展預(yù)測未來人與機1S人和諧工作圖2美國通用汽車公司（GM）的自主機器人與人合作發(fā)展預(yù)測除了上述國家級的規(guī)劃，作為傳統(tǒng)工業(yè)機器人的使用大戶、也是使用期最長的用戶，美國通用

7、汽車公司（GM）給出了下一代機器人的發(fā)展期望（圖2）。機器人的前50年（上世紀五十年代中期到2008年）只是個開端，后續(xù)的發(fā)展包括：靈活的感知（二歲兒童的目標認知能力）、人與機器人之間的主動交互（四歲兒童的語言理解能力）、通過觸覺和力覺反饋實現(xiàn)靈巧/細致的操作（六歲兒童的靈巧操作能力）、與人的安全交互以及理解知識（八歲兒童的社會理解能力）、人-機器人和諧工作。GM明確指出，下一代制造業(yè)的使能技術(shù)是具有人的能力的機器人?！疤娲承┤祟惞δ堋边€遠遠不夠從上一節(jié)關(guān)于機器人的國際發(fā)展趨勢的分析不難看出，各國紛紛將機器人的發(fā)展趨勢與人與機潛人之間的關(guān)系建立了緊密聯(lián)系。為此，我們有必要重新梳理一下，在機器

8、人發(fā)展的歷史中，人與機器人之間的關(guān)系如何？機器人誕生于上世紀中期，經(jīng)歷了半個多世紀的發(fā)展，截至目前大部分機器人系統(tǒng)遵循一個基本的設(shè)計宗旨：在人類不可達、以及不適合于人類生產(chǎn)生活的環(huán)境中，代替人高效率、高精度、高可靠地完成使命。傳統(tǒng)的工業(yè)機器人，以及以空間、深海探測為代表的專業(yè)服務(wù)機器人，很好地貫徹了上述宗旨。工業(yè)機港人在汽車生產(chǎn)線上的大規(guī)模應(yīng)用，極大地提升了生產(chǎn)效率，降低了成本，為締造以汽車為代表的當(dāng)代物質(zhì)文明作出了重大貢獻；機器人代替人登上了火星、月球，深入萬米的海底，為人類探索不可到達的未知世界，發(fā)揮了不可替代的作用。到目前為止，機器人的設(shè)計更多地是代替人完成某種類人的功能。然而，進入二十

9、一世紀，環(huán)境、資源、老齡化等關(guān)乎人類可持續(xù)發(fā)展的重大問題，正在迫使人們重新思考機器人在人類生產(chǎn)、生活中的地位。過去的五十年中，大規(guī)模消耗資源、粗放式的生產(chǎn)、消費模式，給人類社會的發(fā)展帶來了巨大動力，但隨之而來的資源匱乏、環(huán)境污染等問題，對整個世界的發(fā)展也帶來了極大挑戰(zhàn)。在此背景下，綠色制造、再制造、柔性制造、個性化制造等新的制造模式正在成為制造業(yè)的發(fā)展方向。在剛性生產(chǎn)線上高速、高精度地完成重復(fù)性使命的傳統(tǒng)工業(yè)機器人難以滿足這些新制造模式對自動化、智能化裝備的需求，研制新一代工業(yè)機器人理所當(dāng)然就成為傳統(tǒng)制造業(yè)強國要保持其地位的迫切需求。同時，除制造業(yè)以外，各發(fā)達經(jīng)濟體、以及像中國這樣依賴相對廉價

10、勞動力快速發(fā)展的新興經(jīng)濟體，其人口老齡化引發(fā)的社會服務(wù)及民生問題迫在眉睫。截至2013年，我國有逾8000萬的殘障人士和超過2億的老齡人口，如何提升殘障人士的生活質(zhì)量、解決未來勞動力短缺和老人護理等問題，已經(jīng)成為我國經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展所面臨的巨大挑戰(zhàn)。研制新一代家庭服務(wù)機器人，被認為是解決此類問題的一個主要手段之一。為此，人類需要一種智能化的裝備，不僅能夠更大程度、更廣泛地代替人類從事生產(chǎn)勞作，而且能夠直接服務(wù)老年人、輔助殘疾人。然而，盡管機器人技術(shù)已有近60年的發(fā)展，但其一直未能脫離自動化機潛的范疇；人和機器人仍然被定義為使用和被使用，替代和被替代的關(guān)系；機器人在設(shè)計過程中很少考慮與人在同一空間的

11、緊密協(xié)調(diào)合作，使得如本質(zhì)安全、人機協(xié)同認知和行為互助等基本問題，沒有得到很好地解決。綜上分析，現(xiàn)有機器人技術(shù)與新需求之間的差距如下表1所述。表1機器人技術(shù)新需求工作空間物理空間隔離同一自然空間工作方式與人非接觸緊密協(xié)調(diào)合作作業(yè)工具機器人專用工具共同使用工具自主能力預(yù)編程自主能力自主提高技能交互方式示教盒、遙控器與人自然交互安全保障剛性本體非本質(zhì)安全確保本質(zhì)安全當(dāng)前新需求工作空間物理空間隔離同一自熬空間H工作方式與人非接觸緊密協(xié)調(diào)合作作業(yè)工具機器人專用工具共同使用工具I自主能力預(yù)編程自主能力自主提高技能交互方式示教盒、遙控器與人自然交互|當(dāng)前新需求工作空間物理空間隔離同一自然空間工作方式與人非接

12、觸緊密協(xié)調(diào)合作作業(yè)工具機器人專用工具共同使用工具自主能力預(yù)編程自主能力自主提高技能交互方式示教盒、遙控器與人自然交互安全保障剛性本體非本質(zhì)安全確保本質(zhì)安全從上表可看出：目前被廣泛使用的機器人，是一種與人隔離的、兒乎不具備人的智能能力的H動化機器；而下一代機落入將是可以融入人的正常生產(chǎn)生活環(huán)境、可以與人合作交互、具備人的靈巧作業(yè)以及智能決策能力的智能化機器。要想滿足社會發(fā)展的新需求，未來新一代機器人，必須從根本上反思現(xiàn)有的設(shè)計理念；機器人與人之間的關(guān)系應(yīng)該擺脫使用與被使用、替代與被替代的禁錮；應(yīng)從機器人融入人的生產(chǎn)、生活環(huán)境，與人優(yōu)勢互補、合作互助的角度，重新審視其核心技術(shù)的發(fā)展理念，研究、發(fā)展

13、新的機器人理論與技術(shù)，即：與人共融機器人。與人共融機器人的四大挑戰(zhàn)傳統(tǒng)機器人的能力特征，可以歸納為：人機物理空間隔離、機器人與人非接觸、預(yù)編程自主能力、示教盒/遙控器交互。與之相比較，”與人共融”機器人的核心特征是：人機同一自然空間、機器人與人自然交互、配合人的需求、學(xué)習(xí)人的技能、與人協(xié)調(diào)互補、確保人機物安全。在人與機器人的關(guān)系上，人的優(yōu)勢是智能，包括思維與邏輯推理、學(xué)習(xí)與技能增長、經(jīng)驗與快速決策等；而機器人的優(yōu)勢是作業(yè)能力，包括速度、精度、負重、重復(fù)一致性、耐疲勞、連續(xù)作業(yè)等。要使二者協(xié)調(diào)形成優(yōu)勢互補，亟需機器人在能力上突破四個方面的挑戰(zhàn)。圖3德國KUKA新一代工業(yè)機器人其一是環(huán)境挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)

14、機港人只能在人工布局及可控的、預(yù)先已知的環(huán)境中工作，具有靜態(tài)、結(jié)構(gòu)化、己知、確定性等特點。而新領(lǐng)域要求機器人在自然（非人工）、不可預(yù)知動態(tài)、復(fù)雜的環(huán)境中完成使命，對機器人的感知、認知、決策能力提出了更高要求。其二是任務(wù)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)機潛人只能完成固定時序、重復(fù)性工作，以高速、高精度為主要指標，自主性，適應(yīng)性，學(xué)習(xí)性差。新一代機器人任務(wù)目標及指標更加多樣、操作靈活性要求更高、任務(wù)變化更頻繁、人機合作程度加深、任務(wù)過程更復(fù)雜多變。機器人在控制、認知、自主學(xué)習(xí)等方面，面臨挑戰(zhàn)。其三是行為及安全挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)機器人在物理空間上基本與人隔離，但隨著機器人進入人類社會，與人之間的物理界限逐步消失，安全成為必須考慮

15、的問題。人和機器人將頻繁接觸，機器人在行為過程中要求確保人-機-物的安全，而機器人故障、人類誤操作、其它設(shè)備故障不可避免，如何保障這種行為的安全性，對機器人機構(gòu)、控制、感知等技術(shù)提出挑戰(zhàn)。其四是交互挑戰(zhàn)。目前，機器人作為專用的生產(chǎn)設(shè)備，由培訓(xùn)良好的技術(shù)人員操作，其人機友好性低、魯棒性差、智能程度低、真實感弱。一旦機器人成為非（機器人）專業(yè)人員的助手、甚至進入普通人的生活，對人機交互即提出更高要求，包括：以人為中心，提高宜人化水平；提供語音、手勢、表情等多交互手段；具有人類意圖理解的能力；通過虛擬現(xiàn)實等手段增強操控過程的臨場感；以網(wǎng)絡(luò)為媒介實現(xiàn)更廣泛的信息交互等。圖4達芬奇微創(chuàng)手術(shù)機器人與人共融

16、機器人的三個內(nèi)涵上述四方面挑戰(zhàn)，是機器人與人融合中亟待突破的瓶頸問題，也是目前國際機器人學(xué)領(lǐng)域研究的重點?！芭c人共融”是新一代機器人最本質(zhì)的能力特征，是解決工業(yè)、民生、特種服務(wù)等領(lǐng)域?qū)C器人技術(shù)新需求的核心。所謂與人共融機器人，是人與機器人關(guān)系的一種抽象凝練，它包括以下三方面內(nèi)涵。其一為智能融合。通過人與機器人在感知、認知、決策等不同層面上的互補，提升人機共融系統(tǒng)的智能水平；其二為行為協(xié)調(diào)。在緊密接觸的情況下，人與機器人在行為上一致、協(xié)調(diào)、互助；其三為任務(wù)合作。在人機共享動態(tài)環(huán)境下，人與機涔人相互配合共同完成一個指定的任務(wù)。例如，在工業(yè)領(lǐng)域，新型的“與人共融”工業(yè)機器人，應(yīng)該能夠融入“有人的生

17、產(chǎn)線”，配合產(chǎn)業(yè)工人共同完成動態(tài)生產(chǎn)任務(wù)，即任務(wù)合作；在民生服務(wù)領(lǐng)域，新型的“與人共融”服務(wù)機器人，應(yīng)該能夠融入普通人（老人、殘疾人、家庭主婦等）的工作和生活，為其提供必要的行為輔助，即行為協(xié)調(diào)；對于特殊服役環(huán)境下的作業(yè)，新型的“與人共融”特種機器人，應(yīng)該能夠融合人的智能，降低對人在回路遙操作的依賴，提升完成使命的效率，即智能融合。美、歐、口等國家和地區(qū)，已經(jīng)開始重視新一代與人共融機器人系統(tǒng)的研究，并研制出一些新一代機器人樣機雛形。在工業(yè)領(lǐng)域，研制出具有柔順機械臂及多指靈巧手的機器人、與人近距離工作確保安全性的機器人（圖3）；在醫(yī)療領(lǐng)域，機器人直接操作的對象是人體組織器官，完成更?。ㄎ?chuàng)）手術(shù)

18、切口、甚至自然腔道介入的手術(shù)作業(yè)（圖4）；在康復(fù)領(lǐng)域，研制出可以穿戴的、與人體宜接耦合在一起的康復(fù)以及行為輔助機器人（圖5）；在特種應(yīng)用領(lǐng)域，研制出可在地面、空中、水下作業(yè)的多種類型的國防機器人、以及在人類不可達區(qū)域（特殊服役環(huán)境）移動作業(yè)的機器人（圖6）。圖5上、下肢助力機器人圖6美國研制的空間站作業(yè)機器人與人共融機器人研究中的關(guān)鍵技術(shù)如前所述，為了使人-機器人二者協(xié)調(diào)、能力互補，突破現(xiàn)有機器人在環(huán)境適應(yīng)性、任務(wù)適應(yīng)性、安全性、交互能力等四方面的挑戰(zhàn)，研究新一代與人共融機器人已刻不容緩，而這方面的研究面臨的技術(shù)瓶頸，主要包括如下五個方面。其一是行為合作的機潛入機構(gòu)與本體技術(shù)。傳統(tǒng)機器人的關(guān)節(jié)

19、，一般為剛性機構(gòu)，由這種剛性傳動構(gòu)成的機器人系統(tǒng)在與人合作時存在嚴重的安全隱患，因此，研發(fā)具有本質(zhì)安全性的柔性機構(gòu)是保證人-機器人合作首先需考慮的問題；同時，利用新的輕型材料代替現(xiàn)有的機器人鋼鐵結(jié)構(gòu)，也是提升機器人本體性能和與人共融時安全性的關(guān)鍵技術(shù)。此外，現(xiàn)有機器人系統(tǒng)的驅(qū)動方式，多采用電機、液壓等方式，驅(qū)動效率低，這就需要探索全新的驅(qū)動機理，發(fā)展高效安全的驅(qū)動裝置。該部分的具體技術(shù)瓶頸包括：靈活操作機構(gòu)與控制、新型類肌肉驅(qū)動與本體材料、柔性驅(qū)動與控制、新傳感機理與器件等。其二是機器人對環(huán)境、以及人行為的感知與理解技術(shù)。機器人理解環(huán)境、理解合作者意圖與需要，支撐安全、協(xié)同、互助工作。為了實現(xiàn)機器人與人在同一物理空間安全共存、緊密合作，機器人需要具備對人機共享環(huán)境、以及合作者需求的實時/準確感知、建模與理解的能力，從而為協(xié)同行為與決策提供依據(jù)。這其中，標識物輔助的人的行為判斷、非結(jié)構(gòu)/動態(tài)環(huán)境的數(shù)學(xué)描述與理解、多感知信息的融合理解、仿生視覺感知與認知等均是其面臨的挑戰(zhàn)性技術(shù)。其三是人機互助優(yōu)化決策與自主學(xué)習(xí)技術(shù)。突破機器人只能在人為設(shè)定任務(wù)框架下進行決策的局限，實現(xiàn)機器人知識經(jīng)驗的積累、智能發(fā)育。這方面的研究，包括三方面技術(shù)難題：基于人腦智力形成及發(fā)育機理的類人智能行為建模；知識的獲取、表示與抽象方法，以及可實現(xiàn)知識存儲、更新及在線檢索的智能發(fā)