智能機(jī)器人將是大勢(shì)所趨，AI將直接決定機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展，機(jī)器人有望通過(guò)視覺(jué)、力覺(jué)等全方位感知技術(shù)和決策算法改善人機(jī)交互。本文將帶領(lǐng)讀者了解智能機(jī)器人和未來(lái)發(fā)展。
01 智能機(jī)器人行業(yè)概覽
在人工智能時(shí)代，RT將取代IT成為全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的新引擎。作為集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動(dòng)化裝備，智能機(jī)器人的誕生對(duì)未來(lái)的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了革命性影響。
根據(jù)美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)的定義，智能機(jī)器人是一種可編程和多功能的操作機(jī)或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可用電腦改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)。它具有至少一項(xiàng)或多項(xiàng)擬人功能，另外還可能程度不同的具有某些環(huán)境感知(如視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、接近覺(jué)等)，以及語(yǔ)言功能乃至邏輯思維、判斷決策功能等，從而使他能在要求的環(huán)境中代替人進(jìn)行作業(yè)。從應(yīng)用角度，常見(jiàn)的智能機(jī)器人包括工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人及特種機(jī)器人等。智能機(jī)器人具有自動(dòng)化、智能化、精密化、綠色化的特點(diǎn)，是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的支柱，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)品使用過(guò)程節(jié)能減排的重要手段。智能機(jī)器人生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，符合我國(guó)產(chǎn)業(yè)升級(jí)大趨勢(shì)。我國(guó)正處于由傳統(tǒng)裝備向先進(jìn)制造裝備轉(zhuǎn)型的時(shí)期，隨著“十四五”規(guī)劃的發(fā)布，我國(guó)智能機(jī)器人發(fā)展的深度和廣度日益提升，其市場(chǎng)潛力巨大，發(fā)展前景廣闊。
智能機(jī)器人行業(yè)發(fā)展歷程
1920年，捷克作家K.凱比克在科幻劇本《羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》中首次提出了ROBOT這個(gè)名詞?，F(xiàn)在已被人們作為機(jī)器人的專用名詞。
▌第一代機(jī)器人
20世紀(jì)50、60年代，隨著機(jī)構(gòu)理論和伺服理論的發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入了使用化階段。1954年美國(guó)的G.C.Devol發(fā)表了“通用機(jī)器人”專利;1960年美國(guó)AMF公司生產(chǎn)了柱坐標(biāo)Versatran機(jī)器人，可做點(diǎn)位和軌跡控制，是世界上第一種用于工業(yè)生產(chǎn)上的機(jī)器人。
20世紀(jì)70年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人行業(yè)得到了迅速發(fā)展。1974年美國(guó)俄亥俄州辛辛那提的Milacron公司成功開(kāi)發(fā)了多關(guān)節(jié)機(jī)器人;1979年，Unimation公司推出了PUMA機(jī)器人，它是一種多關(guān)節(jié)、全電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、多CPU二級(jí)控制的機(jī)器人，采用了VAL專用語(yǔ)言，可搭配視覺(jué)、觸覺(jué)、力感等傳感器，在當(dāng)時(shí)是一種技術(shù)先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人，現(xiàn)在的智能機(jī)器人結(jié)構(gòu)大體上是以此為基礎(chǔ)的。
這一時(shí)期的機(jī)器人屬于“示教再現(xiàn)”(Tech-in/Playback)型機(jī)器人，只具有記憶、存儲(chǔ)能力，按相應(yīng)程序重復(fù)作業(yè)，但對(duì)周圍環(huán)境基本沒(méi)有感知與反饋控制能力。這種機(jī)器人被稱作第一代機(jī)器人。
▌第二代機(jī)器人
進(jìn)入20世紀(jì)80年代，隨著傳感技術(shù)，包括視覺(jué)傳感器、非視覺(jué)傳感器(力覺(jué)、觸覺(jué)、接近覺(jué)等)以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了第二代機(jī)器人—有感覺(jué)的機(jī)器人。它能夠獲得作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對(duì)象的部分有關(guān)信息，進(jìn)行一定的實(shí)時(shí)處理，引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)。第二代機(jī)器人已進(jìn)入了實(shí)用化，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。
▌第三代機(jī)器人
第三代機(jī)器人是目前正在研究的“智能機(jī)器人”。它不僅具有比第二代機(jī)器人更加完善的環(huán)境感知能力，而且還具有邏輯思維、判斷和決策能力，可根據(jù)作業(yè)要求與環(huán)境信息自主地進(jìn)行工作。
智能機(jī)器人分類
根據(jù)其智能程度的不同，智能機(jī)器人分為三種：
▌自主型機(jī)器人
在設(shè)計(jì)制作之后，機(jī)器人無(wú)需人的干預(yù)，能夠在各種環(huán)境下自動(dòng)完成各項(xiàng)擬人任務(wù)。自主型機(jī)器人的本體上具有感知、處理、決策、執(zhí)行等模塊，可以就像一個(gè)自主的人一樣獨(dú)立地活動(dòng)和處理問(wèn)題。全自主移動(dòng)機(jī)器人的最重要的特點(diǎn)在于它的自主性、適應(yīng)性和交互性。自主性是指它可以在一定的環(huán)境中，不依賴任何外部控制，完全自主地執(zhí)行一定的任務(wù);適應(yīng)性是指它可以實(shí)時(shí)識(shí)別和測(cè)量周圍的物體，根據(jù)環(huán)境的變化，調(diào)節(jié)自身的參數(shù)，調(diào)整動(dòng)作策略以及處理緊急情況;交互性是自主機(jī)器人的一個(gè)重要特點(diǎn)，機(jī)器人可以與人、與外部環(huán)境以及與其他機(jī)器人之間進(jìn)行信息的交流。由于全自主移動(dòng)機(jī)器人涉及諸如驅(qū)動(dòng)器控制、傳感器數(shù)據(jù)融合、圖像處理、模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等許多方面的研究，所以能夠綜合反映一個(gè)國(guó)家在制造業(yè)和人工智能等方面的水平。因此，許多國(guó)家都非常重視全自主移動(dòng)機(jī)器人的研究。
▌交互型機(jī)器人
機(jī)器人通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與操作員或程序員進(jìn)行人-機(jī)對(duì)話，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制與操作。雖然具有了部分處理和決策功能，能夠獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)一些諸如軌跡規(guī)劃、簡(jiǎn)單的避障等功能，但是還要受到外部的控制。
▌傳感型機(jī)器人
又稱外部受控機(jī)器人。機(jī)器人的本體上沒(méi)有智能單元只有執(zhí)行機(jī)構(gòu)和感應(yīng)機(jī)構(gòu)，它具有利用傳感信息(包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、接近覺(jué)、力覺(jué)和紅外、超聲及激光等)進(jìn)行傳感信息處理、實(shí)現(xiàn)控制與操作的能力。受控于外部計(jì)算機(jī)，在外部計(jì)算機(jī)上具有智能處理單元，處理由受控機(jī)器人采集的各種信息以及機(jī)器人本身的各種姿態(tài)和軌跡等信息，然后發(fā)出控制指令指揮機(jī)器人的動(dòng)作。
智能機(jī)器人的研究從60年代初開(kāi)始，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，目前，基于感覺(jué)控制的智能機(jī)器人(又稱第二代機(jī)器人)已達(dá)到實(shí)際應(yīng)用階段，基于知識(shí)控制的智能機(jī)器人(又稱自主機(jī)器人或下一代機(jī)器人)也取得較大進(jìn)展，已研制出多種樣機(jī)。
按用途分類在用途上，智能機(jī)器人與普通機(jī)器人在用途上有許多相似之處，但因其智能性使得它能做更復(fù)雜的工作，完成更高級(jí)的任務(wù)?？梢苑譃楣I(yè)智能機(jī)器人、服務(wù)智能機(jī)器人和特種智能機(jī)器人三類。
▌工業(yè)智能機(jī)器人
工業(yè)智能機(jī)器依據(jù)具體應(yīng)用的不同，通常又可以分成焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴漆機(jī)器人、碼垛機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人等多種類型。作為具有智能的工業(yè)機(jī)器人，他們?cè)诤芏喾矫娉搅藗鹘y(tǒng)機(jī)器人。焊接機(jī)器人，包括點(diǎn)焊(電阻焊)和電弧焊機(jī)器人，用途是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的焊接作業(yè)。裝配機(jī)器人，比較多地用于電子部件電器的裝配。噴漆機(jī)器人，代替人進(jìn)行噴漆作業(yè)。碼垛、上下料、搬運(yùn)機(jī)器人的功能則是根據(jù)一定的速度和精度要求，將物品從一處運(yùn)到另一處。在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)器人，可以方便迅速地改變作業(yè)內(nèi)容或方式，以滿足生產(chǎn)要求的變化。比如，改變焊縫軌跡，改變噴漆位置，變更裝配部件或位置等等。隨著對(duì)工業(yè)生產(chǎn)線柔性的要求越來(lái)越高，對(duì)各種機(jī)器人的需求也就越來(lái)越強(qiáng)烈。
▌服務(wù)智能機(jī)器人
機(jī)器人技術(shù)不僅在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)探索中得到了廣泛應(yīng)用，也逐漸滲透到人們的日常生活領(lǐng)域，服務(wù)機(jī)器人就是這類機(jī)器人的一個(gè)總稱。盡管服務(wù)機(jī)器人的起步較晚，但應(yīng)用前景十分廣泛，目前主要應(yīng)用在清潔、護(hù)理、引導(dǎo)、娛樂(lè)和代替人對(duì)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)等場(chǎng)合。國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)給服務(wù)機(jī)器人的一個(gè)初步定義是，一種以自主或半自主方式運(yùn)行，能為人類的生活、康復(fù)提供服務(wù)的機(jī)器人，或者是能對(duì)設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行維護(hù)的一類機(jī)器人。
▌特種智能機(jī)器人
特種智能機(jī)器人應(yīng)用于復(fù)雜和特殊環(huán)境，執(zhí)行某種特殊任務(wù)。它不可能像工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器人那樣總是具有良好結(jié)構(gòu)化的或抑制的環(huán)境，其使用環(huán)境的有關(guān)信息往往是多義、不完全或不準(zhǔn)確的，而且可能隨著時(shí)間改變。近年來(lái)，特種機(jī)器人的發(fā)展非常迅速，新的機(jī)型不斷問(wèn)世;整機(jī)性能不斷提高;應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，已經(jīng)涉及到醫(yī)療、海洋探測(cè)、巡檢、航空航天、核檢測(cè)等很多領(lǐng)域。
機(jī)器人種類
工業(yè)智能機(jī)器人
廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，具有一定的自動(dòng)性，可依靠自身的動(dòng)力能源和控制能力實(shí)現(xiàn)各種工業(yè)加工制造功能。
服務(wù)智能機(jī)器人
可以分為專業(yè)領(lǐng)域服務(wù)機(jī)器人和個(gè)人/家庭服務(wù)機(jī)器人，服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用范圍很廣，主要從事維護(hù)保養(yǎng)、修理、運(yùn)輸、清洗、保安、教育、監(jiān)護(hù)等工作。
特種智能機(jī)器人
應(yīng)用于專業(yè)領(lǐng)域，一般由經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)的人員操作或使用的，輔助和/或代替人執(zhí)行任務(wù)的機(jī)器人。
02 智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈分析
智能機(jī)器人行業(yè)的上游行業(yè)主要是標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械零部件、電子元器件等行業(yè)，以及制造設(shè)備所用的鋼材、非金屬材料等原材料行業(yè);下游行業(yè)主要是汽車、電子電氣、醫(yī)療等行業(yè)及致力于智能化生產(chǎn)加工和物流的行業(yè)。
與上游行業(yè)的關(guān)聯(lián)性
智能機(jī)器人上游行業(yè)主要包括機(jī)器人原型研發(fā)、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制軟件、人工智能、傳感和無(wú)線通信、精密機(jī)械、光機(jī)電一體化、能源、材料等，不同類型的智能制造裝備涉及的細(xì)分產(chǎn)業(yè)不同，但整體可劃分為設(shè)計(jì)研發(fā)、模塊部件和自動(dòng)控制三部分。
與下游行業(yè)的關(guān)聯(lián)性
智能機(jī)器人行業(yè)的下游應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，其中主要包括汽車及汽車零部件工業(yè)、電子電氣工業(yè)等制造業(yè)，家庭清潔、醫(yī)療康復(fù)、娛樂(lè)等服務(wù)業(yè)以及核環(huán)境、航空航天、軍事、勘探等特種領(lǐng)域行業(yè)。
下游行業(yè)企業(yè)通常會(huì)有長(zhǎng)期穩(wěn)定、相互依賴、互利互惠的合作伙伴，但若宏觀經(jīng)濟(jì)環(huán)境發(fā)生不利變化，影響下游行業(yè)景氣程度，則對(duì)本行業(yè)產(chǎn)品的需求將減少，從而在一定程度限制本行業(yè)的發(fā)展。
數(shù)據(jù)來(lái)源：智能機(jī)器人行業(yè)研究報(bào)告
03 智能機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模及行業(yè)發(fā)展情況
現(xiàn)階段，受我國(guó)科技發(fā)展以及智能化相關(guān)產(chǎn)品普及程度極大提高的影響，智能機(jī)器人市場(chǎng)迎來(lái)發(fā)展小高峰。根據(jù)產(chǎn)業(yè)網(wǎng)整理，2016年我國(guó)智能機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模僅368.2億元;隨后2017年迅速增長(zhǎng)至483.7億元，同比增速達(dá)到37%，接近40%。雖然2018年我國(guó)智能機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模增速放緩但仍維持在10%以上，共計(jì)實(shí)現(xiàn)銷售額539億元。2020年我國(guó)智能機(jī)器人市場(chǎng)突破700億元。
數(shù)據(jù)來(lái)源：公開(kāi)資料整理
我國(guó)智能機(jī)器人從不同用途分類，大致可分為三種類型：工業(yè)智能機(jī)器人、服務(wù)智能機(jī)器人以及特種智能機(jī)器人。其中工業(yè)智能機(jī)器人為當(dāng)前我國(guó)普及度最高的機(jī)器人種類，占據(jù)最多市場(chǎng)份額。從我國(guó)2019年機(jī)器人市場(chǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)看，工業(yè)機(jī)智能器人占比最高，達(dá)到66%;其次為服務(wù)智能機(jī)器人，占比25%;特種智能機(jī)器人應(yīng)用程度相對(duì)較低，占比僅為9%，不足10%。
工業(yè)智能機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模及競(jìng)爭(zhēng)格局
▌市場(chǎng)規(guī)模
工業(yè)智能機(jī)器人作為我國(guó)三種不同類型機(jī)器人中占據(jù)最多市場(chǎng)份額的工業(yè)機(jī)器人，由于下游消費(fèi)端行業(yè)眾多，在我國(guó)產(chǎn)業(yè)全面智能化發(fā)展的當(dāng)下，其市場(chǎng)需求亦不斷擴(kuò)張，目前我國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模已位居全球前列。2019年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人銷售額已突破400億元，較2016年有較大漲幅。
數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)國(guó)家產(chǎn)業(yè)網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，北拓資本整理
▌競(jìng)爭(zhēng)格局
當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，工業(yè)機(jī)器人行業(yè)持續(xù)涌入創(chuàng)新型企業(yè)完善產(chǎn)業(yè)生態(tài)，行業(yè)賽道將進(jìn)一步優(yōu)化細(xì)分。通過(guò)對(duì)工業(yè)機(jī)器人從業(yè)務(wù)規(guī)模、創(chuàng)新力度、品牌價(jià)值、投融資情況等維度分析，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局可分為以下三大類。第一類主要是傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人廠商，如埃斯頓、埃夫特、博實(shí)股份、新時(shí)達(dá)、新松以及云南昆船等企業(yè);第二大類主要涉足協(xié)作機(jī)器人本體及應(yīng)用，如傲博、節(jié)卡、珞石、艾利特等;第三大類主要涉足工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)及AI應(yīng)用，如庫(kù)柏特、梅卡曼德、阿丘科技等。
服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模及競(jìng)爭(zhēng)格局
隨著我國(guó)服務(wù)機(jī)器人下游應(yīng)用范圍的不斷拓寬，其市場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)張較為迅速。2016-2018年我國(guó)服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模增速均維持在30%以上，即使在2018年后全國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)發(fā)展增速減緩大環(huán)境下，服務(wù)機(jī)器人下游需求亦未出現(xiàn)較大波動(dòng)。2019年我國(guó)服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到154億元，較2016年大幅增長(zhǎng)88.2億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為32.77%。
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根據(jù)中國(guó)電子學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)家用服務(wù)機(jī)器人、醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人和公共服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模分別為10.5億美元、6.2億美元和5.3億美元，占比分別為47.7%、28.2%和24.1%。
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▌公共服務(wù)機(jī)器人
通過(guò)對(duì)公共服務(wù)機(jī)器人從業(yè)務(wù)規(guī)模、創(chuàng)新力度、品牌價(jià)值、投融資情況等維度分析，我國(guó)公共服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局可分為以下四大類。第一大類主要以無(wú)人機(jī)無(wú)人車為主，如大疆、優(yōu)必選以及納恩博等企業(yè);第二大類主要以AGV為主，包括快倉(cāng)、GEEK+、迦智科技等;第三大類主要以配送機(jī)器人為主，包括擎朗、普渡、云跡、優(yōu)地、坎德拉等;第四大類主要以導(dǎo)引機(jī)器人為主，包括獵戶星空、Temi、云跡、康力優(yōu)藍(lán)、穿山甲等。
▌家用服務(wù)機(jī)器人
通過(guò)對(duì)家用服務(wù)機(jī)器人從業(yè)務(wù)規(guī)模、創(chuàng)新力度、品牌價(jià)值、投融資情況等維度分析，我國(guó)家用服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局可分為以下三大類。第一大類主要以家庭陪伴和教育機(jī)器人為主，包括科大訊飛、康力優(yōu)藍(lán)、優(yōu)必選等;第二大類以家庭清潔為主，包括科沃斯、石頭科技、Trifo、云鯨等;第三大類以編程教育為主，包括樂(lè)高、樂(lè)聚機(jī)器人、優(yōu)必選等。
▌醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人
通過(guò)對(duì)醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人從業(yè)務(wù)規(guī)模、創(chuàng)新力度、品牌價(jià)值、投融資情況等維度分析，我國(guó)醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局可分為以下三大類。第一大類主要是手術(shù)機(jī)器人，包括天智航、柏惠維康等企業(yè);第二大類主要是輔助機(jī)器人，包括庫(kù)柏特、博為機(jī)器人、楚天科技等;第三大類主要是康復(fù)機(jī)器人，包括邁步機(jī)器人、傅利葉智能、尖叫科技、邦邦機(jī)器人等企業(yè)。
特種智能機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模及競(jìng)爭(zhēng)格局
▌特種智能機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模
與工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人類似，2016-2019年在全國(guó)智能化產(chǎn)品推廣不斷深入的情況下我國(guó)特種機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模也呈現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。2019年我國(guó)特種機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模為52.5億元，較2016年增長(zhǎng)25.2億元。
增速方面，我國(guó)特種機(jī)器人市場(chǎng)的表現(xiàn)介于工業(yè)機(jī)器人與服務(wù)機(jī)器人之間，2018年后雖有下滑但降幅相對(duì)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)而言較小，總體表現(xiàn)與我國(guó)整體機(jī)器人市場(chǎng)擴(kuò)張速度展現(xiàn)較高一致性。
數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)國(guó)家產(chǎn)業(yè)網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，北拓資本整理
▌特種智能機(jī)器人競(jìng)爭(zhēng)格局
通過(guò)對(duì)特種服務(wù)機(jī)器人從業(yè)務(wù)規(guī)模、創(chuàng)新力度、品牌價(jià)值、投融資情況等維度分析，我國(guó)特種機(jī)器人市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局可分為以下三大類。第一大類主要以安防巡檢為主，包括高興新、大陸智源、海倫哲、中信重工、億嘉和等企業(yè);第二大類主要以水上水下機(jī)器人為主，包括云洲智能、深之藍(lán)、博雅工道等;第三大類以消防搶險(xiǎn)為主，包括海圖智能、合時(shí)智能等。
04 智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)
智能機(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、通訊、傳感、仿生學(xué)等多學(xué)科和技術(shù)綜合的成果。機(jī)器人與人工智能的發(fā)展存在著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系，可以說(shuō)二者的發(fā)展是休戚與共的。人工智能的主要技術(shù)有語(yǔ)言識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語(yǔ)言處理和專家系統(tǒng)等，這些技術(shù)對(duì)于機(jī)器人智能化的實(shí)踐有著重要的意義。其中，機(jī)器翻譯、智能控制、專家系統(tǒng)及語(yǔ)言和圖像理解不僅是人工智能技術(shù)的重點(diǎn)，同時(shí)也是智能機(jī)器人得以實(shí)現(xiàn)必須攻克的技術(shù)難點(diǎn)。人工智能實(shí)際上是將人的智能賦予給其他工具，而機(jī)器人則是為這樣的智能化提供了一個(gè)很好的容器與載體。
智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)
智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)總體包括感知技術(shù)、智能決策、運(yùn)動(dòng)控制、人機(jī)交互和多機(jī)器人協(xié)作技術(shù)等。
圖：智能機(jī)器人技術(shù)框架 來(lái)源：上海市機(jī)器人發(fā)展路線
感知技術(shù)
智能機(jī)器人感知是機(jī)器人方向最核心技術(shù)之一，利用人工智能現(xiàn)有的成果，把人工智能的現(xiàn)有成果與機(jī)器人有機(jī)的結(jié)合，從環(huán)境感知、知識(shí)獲取與推理等角度，是機(jī)器人像人一樣具備外界感知能力。感知機(jī)器人是機(jī)器人與人、機(jī)器人與環(huán)境、以及與機(jī)器人直接進(jìn)行交換的基礎(chǔ)。感知的目的，首先對(duì)機(jī)器人地圖構(gòu)建功能的補(bǔ)充，對(duì)環(huán)境的重新構(gòu)建，以滿足實(shí)時(shí)更新所處位置地理信息需要;其次是幫助智能機(jī)器人對(duì)周遭物體進(jìn)行探測(cè)、識(shí)別和跟蹤，以做到能夠?qū)θ粘Ｐ⌒臀矬w近乎完美的區(qū)分;最后是使機(jī)器人能夠觀察人類、理解人類行動(dòng)，最終達(dá)到機(jī)器人能夠與人類友好共存的條件。具體來(lái)講，機(jī)器人感知通常需要借助各種傳感器幫助來(lái)替代人類的感覺(jué)，如視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)以及動(dòng)感等。
▌視覺(jué)
對(duì)機(jī)器視覺(jué)定義為：機(jī)器視覺(jué)是通過(guò)光學(xué)的裝置和非接觸的傳感器自動(dòng)地接收和處理一個(gè)真實(shí)物體的圖像，以獲得所需信息或用于控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的裝置。簡(jiǎn)而言之，機(jī)器視覺(jué)就是利用機(jī)器代替人眼進(jìn)行測(cè)量和判斷。在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，傳感器通常以光纖開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)等形式出現(xiàn)，用以判斷被測(cè)對(duì)象的位置和狀態(tài)，告知圖像傳感器進(jìn)行正確采集。
盡管功能與人類視覺(jué)相仿，機(jī)器視覺(jué)卻擁有其超越人類的獨(dú)特之處。首先是精確性，人眼受物理?xiàng)l件限制，視覺(jué)距離和準(zhǔn)確程度都無(wú)法與精度能夠達(dá)到千分之一英寸的機(jī)器相比。其次是重復(fù)性，機(jī)器視覺(jué)可以達(dá)到無(wú)數(shù)次重復(fù)觀測(cè)之后仍然保持精確的水平，而人類視覺(jué)則會(huì)因疲勞感產(chǎn)生誤差。第三是高速度，機(jī)器視覺(jué)更擅長(zhǎng)捕捉高速運(yùn)動(dòng)的物體，這一點(diǎn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人在流水線上的應(yīng)用尤其有利。最后是低成本，機(jī)器視覺(jué)在工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)人類的替代可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作，因而極大地提高了工作效率，也降低了勞力成本。
具體而言，視覺(jué)傳感器是指通過(guò)對(duì)攝像機(jī)拍攝到的圖像進(jìn)行圖像處理，來(lái)計(jì)算對(duì)象物的特征量(面積、重心、長(zhǎng)度、位置等)，并輸出數(shù)據(jù)和判斷結(jié)果的傳感器。視覺(jué)傳感器具有從一整幅圖像捕獲光線的數(shù)以千計(jì)的像素。圖像的清晰和細(xì)膩程度通常用分辨率來(lái)衡量，以像素?cái)?shù)量表示。因此，無(wú)論距離目標(biāo)數(shù)米或數(shù)厘米遠(yuǎn)，傳感器都能“看到”十分細(xì)膩的目標(biāo)圖像。在捕獲圖像之后，視覺(jué)傳感器還可以將收到的信息與內(nèi)存中的基準(zhǔn)圖像進(jìn)行比較，以做出分析。作為提取環(huán)境特征最多的信息源，視覺(jué)傳感器是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)當(dāng)之無(wú)愧的核心。 同樣，視覺(jué)傳感器也是機(jī)器人中最重要的傳感器之一。最早的視覺(jué)傳感器出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代后期，于60年代開(kāi)始首先嘗試處理積木世界，隨后逐漸發(fā)展到處理桌子、椅子、臺(tái)燈等室內(nèi)景物，直至能夠處理戶外的現(xiàn)實(shí)世界。20世紀(jì)70年代后，具備實(shí)用性的機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)開(kāi)始出現(xiàn)，被用于集成電路生產(chǎn)、精密電子產(chǎn)品裝配、飲料罐裝箱場(chǎng)合的檢驗(yàn)及定位等。直到今天，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，機(jī)器人視覺(jué)因其非接觸、速度快、精度高、現(xiàn)場(chǎng)抗干擾能力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)而備受重視，得到了廣泛應(yīng)用。
傳統(tǒng)的圖像傳感器可分為CCD和CMOS兩類。隨著集成電路工藝的發(fā)展，CMOS以其體積小、工作電壓低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)逐漸在上世紀(jì)90年代占據(jù)機(jī)械式圖像傳感器的市場(chǎng)主流。但這種傳感器卻存在明顯的缺陷：由于拍攝方式的問(wèn)題，現(xiàn)有的圖像處理需要逐幀處理，造成驚人計(jì)算量，而提高幀率則會(huì)帶來(lái)更大的計(jì)算量。這一缺點(diǎn)在拍攝高速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)尤其明顯。而近幾年出現(xiàn)的DVS(Dynamic Vision Sensors，動(dòng)態(tài)視覺(jué)傳感器)則從視網(wǎng)膜的工作原理中得到啟發(fā)，通過(guò)仿視網(wǎng)膜神經(jīng)系統(tǒng)的列陣結(jié)構(gòu)大幅減少不必要的數(shù)據(jù)和計(jì)算工作、提高輸出速度，保證即使是高速運(yùn)動(dòng)的物體也能被清晰拍攝并實(shí)時(shí)播放。未來(lái)，這種動(dòng)態(tài)視覺(jué)傳感器的應(yīng)用將能極大改善飛行器機(jī)器人的性能，為自主飛行機(jī)器人的發(fā)展提供新的可能。
▌?dòng)|覺(jué)
觸覺(jué)傳感器是用于機(jī)器人模仿觸覺(jué)功能的傳感器。觸覺(jué)是機(jī)器人獲取環(huán)境信息的一種僅次于視覺(jué)的重要知覺(jué)形式，可直接測(cè)量對(duì)象和環(huán)境的多種性質(zhì)特征。觸覺(jué)感知的主要任務(wù)是為獲取對(duì)象與環(huán)境信息，以及為完成某種任務(wù)而對(duì)機(jī)器人與對(duì)象、環(huán)境相互作用時(shí)的一系列物理特征量進(jìn)行檢測(cè)。廣義來(lái)看，觸覺(jué)包括接觸覺(jué)、壓覺(jué)、力覺(jué)、滑覺(jué)和冷熱覺(jué)等，狹義時(shí)則專指機(jī)械手與對(duì)象接觸面上的力感覺(jué)。
機(jī)器人觸覺(jué)傳感器的主要功能分為兩種：第一是檢測(cè)功能，包括對(duì)操作對(duì)象的狀態(tài)、機(jī)械手與操作對(duì)象的接觸狀態(tài)以及操作對(duì)象的物理性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)：第二種是識(shí)別功能，即在檢測(cè)的基礎(chǔ)上提取操作對(duì)象的形狀、大小和剛度等特征加以分類和目標(biāo)識(shí)別。
對(duì)于機(jī)器人觸覺(jué)傳感器的研究稍晚于機(jī)器人的出現(xiàn)，但在發(fā)展歷程上卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，與視覺(jué)傳感器的進(jìn)步相比尤顯不足。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，機(jī)器人研究已經(jīng)成為學(xué)界熱點(diǎn)，但此時(shí)對(duì)觸覺(jué)傳感器的研究?jī)H限于一些基本課題，觸覺(jué)傳感器的開(kāi)發(fā)數(shù)量也非常稀少;到80年代，這一技術(shù)進(jìn)入研究、發(fā)展的快速增長(zhǎng)期，對(duì)傳感器的設(shè)計(jì)、原理和制作方法都進(jìn)行了大量研究，主攻方向也從傳感器本身轉(zhuǎn)向適應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化的需求：90年代至今，觸覺(jué)傳感技術(shù)的研究繼續(xù)保持著快速增長(zhǎng)，并開(kāi)始向多元化發(fā)展。進(jìn)入新世紀(jì)，科學(xué)家們借鑒仿生學(xué)原理，參照人類皮膚對(duì)環(huán)境的敏銳感知改進(jìn)觸覺(jué)感應(yīng)器，不斷發(fā)展其性能，甚至令機(jī)器人觸覺(jué)感應(yīng)器獲得了“電子皮膚”的稱號(hào)。與人類皮膚不同的是，現(xiàn)在的觸覺(jué)感應(yīng)器不僅能夠?qū)穸?、溫度和力度等感覺(jué)用定量的方式表達(dá)出來(lái)，還可以幫助傷殘者獲得失去的感知能力。
近些年，機(jī)器人觸覺(jué)感應(yīng)器的研究屢結(jié)碩果，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了極大的拓展02年，美國(guó)科研人員在內(nèi)窺鏡手術(shù)的導(dǎo)管頂部安裝觸覺(jué)傳感器，可檢測(cè)疾病組織的剛度，根據(jù)組織柔軟度施加合適的力度，保證手術(shù)操作的安全：2008年，日本 Kazuto Takashima等人設(shè)計(jì)了壓電三維力觸覺(jué)傳感器，將其安裝在機(jī)器人靈巧手指端，并建立了肝臟模擬界面外科醫(yī)生可以通過(guò)對(duì)機(jī)器人靈巧手的控制，感受肝臟病變部位的信息，進(jìn)行封閉式手術(shù)2009年，德國(guó)菲勞思夫制造技術(shù)和應(yīng)用材料研究院的馬庫(kù)斯梅瓦爾研制出新型觸覺(jué)系統(tǒng)的章魚水下機(jī)器人，可精確地感知障礙物狀況，可以自動(dòng)完成海底環(huán)境的勘測(cè)工作;2016年韓國(guó)首爾大學(xué)開(kāi)發(fā)的新型毛狀電子皮膚，能使機(jī)器人快速分辨出呼吸引起的輕微空氣波動(dòng)或者心跳震動(dòng)，未來(lái)將可以廣泛應(yīng)用于假肢、心率監(jiān)視器和其他機(jī)器人服務(wù)中。2018年，麻省理工的Cheetah(獵豹)機(jī)器人已經(jīng)進(jìn)化到了第三代。比起前輩們，Cheetah3最耀眼的升級(jí)，可能就是不太需要攝像頭了，直接利用觸覺(jué)信息完成動(dòng)作。不管是走在凹凸不平的地面，還是爬上布滿施工殘余的樓梯，它都可以悠然地閉著眼睛輕微空氣波動(dòng)或者微弱地心跳震動(dòng)，未來(lái)將可以廣泛應(yīng)用于假肢、心率監(jiān)視器以及其他機(jī)器人服務(wù)中。
目前觸覺(jué)傳感器包括：兩指或三指多傳感機(jī)械手，可以按要求同時(shí)配置紅外傳感器、角度傳感器、觸覺(jué)傳感器等，并可安裝在UR機(jī)械臂、Baxter機(jī)器人等配合使用;靈巧手及觸覺(jué)傳感器，通過(guò)線驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)多種手勢(shì)及多種手型，同時(shí)還配有多陣列觸覺(jué)傳感器和多感知指尖裝置;數(shù)據(jù)手套，可以獲得比傳統(tǒng)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)更加豐富的測(cè)量信息，同時(shí)還可覆蓋所有手臂關(guān)節(jié)，以穩(wěn)定獲得人體手臂及手部各關(guān)節(jié)的速度及姿態(tài)信息;靈巧操作系統(tǒng)，結(jié)合人工智能技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)開(kāi)發(fā)而成，可以應(yīng)用于生產(chǎn)線或物流線上的自動(dòng)質(zhì)量檢驗(yàn)及智能分揀等。
▌聽(tīng)覺(jué)
機(jī)器人的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)是一種方便、智能化的機(jī)器人與外界系統(tǒng)交互的方式。盡管聽(tīng)覺(jué)定位精度遜色于視覺(jué)，但其仍然具有獨(dú)特的價(jià)值。由于聲音信號(hào)的衍射性能，聽(tīng)覺(jué)具有全向性，相較于視覺(jué)、激光等其他傳感信號(hào)而言不需要直線視野，因而對(duì)于需要在有視野遮蔽障礙物或光線不足甚至黑暗環(huán)境下工作的機(jī)器人來(lái)說(shuō)非常重要。
聽(tīng)覺(jué)傳感器是一種可以檢測(cè)、測(cè)量并顯示聲音波形的傳感器，應(yīng)用廣泛。對(duì)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，其作用相當(dāng)于一個(gè)話筒(麥克風(fēng))，用來(lái)接收聲波、顯示聲音的振動(dòng)圖像。在某些環(huán)境下，機(jī)器人需要測(cè)知聲音的音調(diào)和響度、區(qū)分左右聲源甚至需要判斷聲源的大致方位;有些條件下，機(jī)器人需要與人類進(jìn)行語(yǔ)音交流。因此，聽(tīng)覺(jué)傳感器的存在能夠使機(jī)器人更好地完成這些任務(wù)。
得益于傳感器熱潮，聲音傳感器在上世紀(jì)80年代被日本、美國(guó)和俄羅斯等國(guó)先后重視并大力發(fā)展，從最初的單一話筒功能逐漸演變?yōu)楝F(xiàn)在的多功能集合體，甚至能夠測(cè)量噪聲強(qiáng)度、配合各種采集器和計(jì)算機(jī)一起使用。這期間，聲音傳感器的精度也得到了很大提高。目前市場(chǎng)流行的精密傳聲器動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)178dB，極大地拓展了其服務(wù)范圍，為這一技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ)。
根據(jù)需要，一般RA(Robot Audition，機(jī)器人聽(tīng)覺(jué))的功能包括聲源信號(hào)的定位與分離、自動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別和說(shuō)話識(shí)別等。其中，涉及到聽(tīng)覺(jué)傳感器的部分主要包括兩點(diǎn)，首先是包括聲源定位和距離測(cè)定等在內(nèi)的聲音測(cè)量定位，其次則是語(yǔ)音識(shí)別，就是利用聽(tīng)覺(jué)傳感器解決“聽(tīng)得到”和“聽(tīng)得懂”的問(wèn)題。
在聲音測(cè)量定位方面，自1995年Irie第一次將聲源定位技術(shù)用于智能機(jī)器人以來(lái)，經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，目前已經(jīng)取得了很多重大成果。其中，近幾年隨著多傳感器機(jī)器人的興起，機(jī)器人的視聽(tīng)覺(jué)交叉感知技術(shù)研究成為新的熱門。這一技術(shù)能夠感知機(jī)器人周圍環(huán)境最直觀的表現(xiàn)形式，而且能夠同時(shí)克服視覺(jué)受光照干擾和聽(tīng)覺(jué)受到噪聲干擾的缺陷，利用兩項(xiàng)信息互相補(bǔ)充完善機(jī)器人的空間定位能力。2017年12月，國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的視聽(tīng)機(jī)器人在深圳正式發(fā)布，標(biāo)志著家庭服務(wù)機(jī)器人的智能化邁向了新的高度。
目前語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)已比較成熟，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與人的語(yǔ)音交互自然化、個(gè)性化以及場(chǎng)景化，能夠任意打斷且不影響機(jī)器人理解用戶需求，進(jìn)行精準(zhǔn)的內(nèi)容推薦和服務(wù)。
▌動(dòng)感
環(huán)境感知是移動(dòng)機(jī)器人研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。機(jī)器人周圍的環(huán)境信息可以用來(lái)導(dǎo)航、避障和執(zhí)行特定的任務(wù)。獲取這些信息的傳感器既需要足夠大的視場(chǎng)來(lái)覆蓋整個(gè)工作區(qū)，又需要較高的采集速率以保證在運(yùn)動(dòng)的環(huán)境中能夠提供實(shí)時(shí)的信息。
近年來(lái)，激光雷達(dá)在移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航中的應(yīng)用日益增多。這主要是由于基于激光的距離測(cè)量技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，特別是其具有較高的精度，通過(guò)二維或三維地掃描激光束或光平面，激光雷達(dá)能夠以較高的頻率提供大量的、準(zhǔn)確的距離信息。與其它距離傳感器相比，激光雷達(dá)能夠同時(shí)考慮精度要求和速度要求，這一點(diǎn)特別適用于移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域。此外，激光雷達(dá)不僅可以在有環(huán)境光的情況下工作，也可以在黑暗中工作，而且在黑暗中測(cè)量效果更好。
激光雷達(dá)早前更多應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，隨著技術(shù)的發(fā)展和成本的降低，目前為止機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、無(wú)人駕駛等領(lǐng)域也成為了激光雷達(dá)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。和視覺(jué)的方式一樣，激光雷達(dá)的屬性也有一定的短板——這類傳感器無(wú)法在雨霧天氣工作，而且激光雷達(dá)在真正意義上還沒(méi)開(kāi)始大規(guī)模量產(chǎn)，因此成本較高。
掃地機(jī)器人是目前激光雷達(dá)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，激光雷達(dá)配合SLAM(SimultaneousLocalization And Mapping)算法，可以讓掃地機(jī)器人在房間里實(shí)現(xiàn)智能清掃，清掃的過(guò)程中繪制地圖，實(shí)時(shí)傳輸?shù)绞謾C(jī)APP，就算用戶不在家，也可以通過(guò)手機(jī)APP查看清掃情況，以及安排其他地方清掃。
圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)
智能決策技術(shù)
智能決策技術(shù)對(duì)于機(jī)器人系統(tǒng)中自主性的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。該技術(shù)是決定機(jī)器人在無(wú)人操控的狀態(tài)下通過(guò)算法得出滿足特定約束條件的最優(yōu)決策能否成功的關(guān)鍵。盡管這類技術(shù)最常見(jiàn)的用武之地在于無(wú)人駕駛汽車的導(dǎo)航問(wèn)題以及自主飛行器或航海探測(cè)器的線路規(guī)劃問(wèn)題，但其實(shí)它的影響更為廣泛，從路徑規(guī)劃到運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，再到任務(wù)規(guī)劃都離不開(kāi)這一技術(shù)的作用;而這類技術(shù)的應(yīng)用范圍也不止探測(cè)器或智能汽車，它還可以應(yīng)用在人形機(jī)器人、移動(dòng)操作平臺(tái)甚至多機(jī)器人系統(tǒng)等處，在數(shù)字動(dòng)畫角色模擬、人工智能電子游戲、建筑設(shè)計(jì)、機(jī)器人手術(shù)以及生物分子研究中都能夠發(fā)揮作用。
具體來(lái)說(shuō)，目前實(shí)現(xiàn)智能決策仍然主要依靠應(yīng)用算法，包括模仿學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等。在本地或云端構(gòu)建一套機(jī)器人訓(xùn)練仿真平臺(tái)，對(duì)機(jī)器人的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，在仿真環(huán)境里進(jìn)行機(jī)器人訓(xùn)練，從而做出決策。平臺(tái)的架構(gòu)、算法庫(kù)豐富度、開(kāi)源性等因素都決定決策的速度、準(zhǔn)備率和穩(wěn)定性。
運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)
機(jī)器人動(dòng)力學(xué)是對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的力和運(yùn)動(dòng)之間關(guān)系與平衡進(jìn)行研究的學(xué)科，主要通過(guò)分析機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)特性來(lái)建造模型、研究算法以決定機(jī)器人處理對(duì)物體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)方式。而機(jī)器人控制技術(shù)，指的是為使機(jī)器人完成各種任務(wù)和動(dòng)作所執(zhí)行的各種控制手段，既包括各種硬件系統(tǒng)，又包括各種軟件系統(tǒng)。
自20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力大大提高而成本不斷下降，這就使得人們?cè)絹?lái)越重視發(fā)展各種考慮機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制方案，以充分發(fā)揮出為完成復(fù)雜任務(wù)而設(shè)計(jì)得日益精密從而也越加昂貴的機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的潛力。因此，在機(jī)器人研究中，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已顯得越來(lái)越重要，成為提高機(jī)器人性能的關(guān)鍵因素。
最早的機(jī)器人采用順序控制方式，而隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，現(xiàn)已通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)電裝置的功能，并采用示教再現(xiàn)的控制方式。目前機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越智能化，離線編程、任務(wù)級(jí)語(yǔ)言、多傳感器信息融合、智能行為控制等新技術(shù)都可以應(yīng)用到機(jī)器人控制中來(lái)。作為影響機(jī)器人性能的關(guān)鍵部分，機(jī)器人控制系統(tǒng)在一定程度上制約著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。然而傳統(tǒng)的機(jī)器人控制系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)封閉、功能固定、系統(tǒng)柔性差、可重構(gòu)性差、缺乏運(yùn)行時(shí)再配置機(jī)制、組件的開(kāi)發(fā)和整合限制在某種語(yǔ)言上等問(wèn)題。如今出現(xiàn)了各種基于網(wǎng)絡(luò)、PC、人臉識(shí)別、實(shí)時(shí)控制等技術(shù)的機(jī)器人控制系統(tǒng)，精度高、功能全、穩(wěn)定性好，并逐漸向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、智能化方向發(fā)展。
智能化的控制系統(tǒng)為提高機(jī)器人的學(xué)習(xí)能力也奠定了基礎(chǔ)。2016年，伯克利大學(xué)的人工智能團(tuán)隊(duì)利用深度學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)策略向控制軟件提供即時(shí)視覺(jué)和傳感反饋，使一個(gè)名為BRETT(Berkeley Robot for the Elimination ofTedious Tasks)的機(jī)器人成功通過(guò)學(xué)習(xí)來(lái)提升自己的家務(wù)技能。這種人工智能與機(jī)器人學(xué)交叉運(yùn)用的結(jié)果使得機(jī)器人能夠?qū)⒁粋€(gè)任務(wù)中獲得的經(jīng)驗(yàn)推廣到另一個(gè)任務(wù)中，從而提高機(jī)器人的學(xué)習(xí)能力，使其能夠掌握更多技能。
人機(jī)交互技術(shù)
人機(jī)交互即人與機(jī)器人相互作用的研究，其研究目的是開(kāi)發(fā)合適的算法并指導(dǎo)機(jī)器人設(shè)計(jì)，以使人與機(jī)器人之間更自然、高效地共處。最早開(kāi)始研究人機(jī)交互的出發(fā)點(diǎn)是學(xué)者們希望能夠探討如何才能減輕人類操縱計(jì)算機(jī)時(shí)的疲勞感，由此開(kāi)啟了人機(jī)工程學(xué)的先河。1969年可謂是人機(jī)界面學(xué)發(fā)展史的里程碑，這一年在英國(guó)劍橋大學(xué)召開(kāi)了第一屆人機(jī)系統(tǒng)國(guó)際大會(huì)，同年第一份專業(yè)雜志IJMMS(International Journal of Mechatronicsand Manufacturing Systems，國(guó)際人機(jī)研究)創(chuàng)刊。到了20世紀(jì)80年代初期，學(xué)界先后出版了六本專著，從理論和實(shí)踐兩個(gè)方面推動(dòng)了人機(jī)交互的發(fā)展。20世紀(jì)90年代后期以來(lái)，隨著高速處理芯片、多媒體技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展與普及，人機(jī)交互向著智能化的方向發(fā)展，這一技術(shù)關(guān)注的重點(diǎn)也由計(jì)算機(jī)的反饋轉(zhuǎn)向以人為中心。
人機(jī)交互技術(shù)大致可以分為四個(gè)階段：基本交互、圖形式交互、語(yǔ)音式交互和感應(yīng)式交互(體感交互)?；窘换ト匀煌Ａ粼谧钤嫉臓顟B(tài)，人與機(jī)器的關(guān)系僅僅是人工手動(dòng)輸入與機(jī)器輸出的交互狀態(tài)，比如早期的按鈕式電話、打字機(jī)與鍵盤;圖形交互時(shí)期是隨著電腦的出現(xiàn)而開(kāi)始的，以顯示屏、鼠標(biāo)問(wèn)世為標(biāo)志，在觸屏技術(shù)成熟期達(dá)到巔峰;語(yǔ)音交互最開(kāi)始是單向的，即語(yǔ)音識(shí)別，如科大訊飛的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)，后來(lái)微軟的Cortana、小冰，蘋果的Siri以及Google公司的Google Now突破了單向交互的壁壘，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)雙向語(yǔ)音對(duì)話;最后，隨著當(dāng)前機(jī)器人的發(fā)展越來(lái)越強(qiáng)調(diào)交互形式的智能化，體感交互將成為未來(lái)交互發(fā)展的新方向。體感交互是直接從人的姿勢(shì)的識(shí)別來(lái)完成人與機(jī)器的互動(dòng)，主要是通過(guò)攝像系統(tǒng)模擬建立三維的世界，同時(shí)感應(yīng)出人與設(shè)備之間的距離與物體的大小。目前，索尼發(fā)明的觸控型投影儀已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了體感交互。未來(lái)，這種交互方式將成為先前各種技術(shù)的結(jié)合，包括即時(shí)動(dòng)態(tài)捕捉、圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、VR等技術(shù)，最終衍生出多樣化的交互形式，而機(jī)器人有望在未來(lái)成為體感交互的載體。
多機(jī)器人協(xié)作技術(shù)
在機(jī)器人向智能化的發(fā)展中，多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)是一類具有覆蓋性的技術(shù)集成平臺(tái)。如果說(shuō)單個(gè)機(jī)器人的智能化還只是使個(gè)體的人變得更聰明，那么多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)則不但要有一批聰明的人，還要求他們能有效地合作。所以它不僅反映了個(gè)體智能，而且反映了集體智能，是對(duì)人類社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的想象和創(chuàng)新探索。
多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用背景，它與自動(dòng)化向非制造領(lǐng)域的擴(kuò)展有著密切的聯(lián)系，由于應(yīng)用環(huán)境轉(zhuǎn)向非結(jié)構(gòu)化，多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)能適應(yīng)任務(wù)的變化以及環(huán)境的不確定性，必須具有高度的決策智能，因而，對(duì)多移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作的研究已不單純是控制的協(xié)調(diào)，而是整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與合作。在這里，多機(jī)器人系統(tǒng)的組織與控制方式在很大程度上決定了系統(tǒng)的有效性。
多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)還是實(shí)現(xiàn)分布式人工智能的典范。分布式人工智能的核心是把整個(gè)系統(tǒng)分成若干智能、自治的子系統(tǒng)，它們?cè)谖锢砗偷乩砩戏稚?，可?dú)立地執(zhí)行任務(wù)，同時(shí)又可通過(guò)通信交換信息，相互協(xié)調(diào)，從而同完成整體任務(wù)，這無(wú)疑對(duì)完成大規(guī)模和復(fù)雜的任務(wù)是富有吸引力的，因而很快在軍事、信及其他應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛重視。多機(jī)器協(xié)作系統(tǒng)正是這種理念的具體實(shí)現(xiàn)，其中每個(gè)機(jī)器人都可看作是自主的智能體，這種多智體機(jī)器人系統(tǒng)MARS(MulTI—AgentRoboTIcSystems)現(xiàn)已成為智能機(jī)器人核心關(guān)鍵技術(shù)。
智能機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)
目前機(jī)器人的研究正處于第三代智能機(jī)器人階段，智能化水平仍在發(fā)展優(yōu)化。圍繞未來(lái)的智能機(jī)器人，以下幾點(diǎn)是有待發(fā)展的技術(shù)方向：
機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)化
利用通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將各種機(jī)器人連接到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行有效的控制。網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)遙操作控制技術(shù)、眾多信息組的壓縮與擴(kuò)展方法及傳輸技術(shù)等;隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和5G時(shí)代帶來(lái)，機(jī)器人聯(lián)網(wǎng)和上云將成為必然趨勢(shì)。
智能控制中的算法
與傳統(tǒng)的計(jì)算方法相比，以模糊邏輯、基于概率論的推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法和混沌為代表的軟計(jì)算技術(shù)具有更高的魯棒性、易用性及計(jì)算的低耗費(fèi)性等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用到機(jī)器人技術(shù)中，可以提高其問(wèn)題求解速度，較好地處理多變量、非線性系統(tǒng)的問(wèn)題。
深度學(xué)習(xí)
各種算法的出現(xiàn)推動(dòng)了人工智能的發(fā)展，強(qiáng)化學(xué)習(xí)、蟻群算法、免疫算法等可以用到機(jī)器人系統(tǒng)中，使其具有類似人的學(xué)習(xí)能力，以適應(yīng)日益復(fù)雜的、不確定和非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境。
多機(jī)器人協(xié)調(diào)作業(yè)
隨著人工智能方法、機(jī)器人技術(shù)以及多智能體系統(tǒng)(MultiAgentSystem：MAS)等研究的深入，如何組織和控制多個(gè)機(jī)器人來(lái)協(xié)作完成單機(jī)器人無(wú)法完成的復(fù)雜任務(wù)，在復(fù)雜未知環(huán)境下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)推理反應(yīng)以及交互的群體決策和操作，已經(jīng)成為機(jī)器人未來(lái)重要發(fā)展方向。
智能人機(jī)接口
人機(jī)交互的需求越來(lái)越向簡(jiǎn)單化、多樣化、智能化、人性化方向發(fā)展，因此需要研究并設(shè)計(jì)各種智能人機(jī)接口如多語(yǔ)種語(yǔ)音、自然語(yǔ)言理解、圖像、手寫字識(shí)別等，以更好地適應(yīng)不同的用戶和不同的應(yīng)用任務(wù)，提高人與機(jī)器人交互的和諧性。
05 國(guó)內(nèi)智能機(jī)器人機(jī)會(huì)
智能機(jī)器人雖然是新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)，但其成長(zhǎng)仍然會(huì)遵循智能手機(jī)等類似市場(chǎng)的路徑，從核心技術(shù)的突破，到新產(chǎn)品的出現(xiàn)，而后在部分群體和市場(chǎng)中率先應(yīng)用，隨著產(chǎn)量提升帶動(dòng)成本大幅降低，之后實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用和普及。
而當(dāng)前的智能服務(wù)機(jī)器人隨著市場(chǎng)應(yīng)用逐步拓展，AI技術(shù)程度，產(chǎn)量提升，成本下降，大范圍爆發(fā)即將來(lái)臨。對(duì)于技術(shù)和產(chǎn)品類公司來(lái)說(shuō)，應(yīng)該抓住哪些機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)異軍突起呢?我們結(jié)合行業(yè)內(nèi)創(chuàng)業(yè)者調(diào)研，總結(jié)了三大行業(yè)機(jī)會(huì)：
穩(wěn)定開(kāi)放的機(jī)器人決策平臺(tái)
AI是智能機(jī)器人的核心技術(shù)，通用型AI機(jī)器人決策系統(tǒng)往往能夠連接更多機(jī)器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)不同品牌和類型的設(shè)備邊緣計(jì)算和互聯(lián)互通，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)云端計(jì)算，特別是面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能制造，需要統(tǒng)一的平臺(tái)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、分析、計(jì)算和決策。
緊貼用戶需求，垂直深耕型應(yīng)用產(chǎn)品
針對(duì)客戶的某種柔性化和智能化需求，特別關(guān)注行業(yè)的付費(fèi)性、智能化升級(jí)難度、規(guī)模復(fù)制性、人力替代性等因素，等到市場(chǎng)開(kāi)始爆發(fā)，這些因素將助推智能機(jī)器人的快速?gòu)?fù)制。 創(chuàng)業(yè)公司如果能抓住具體需求，深耕垂直領(lǐng)域，針對(duì)垂直場(chǎng)景不斷優(yōu)化技術(shù)，提升性能，降低成本，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品工程化落地。另外，從行業(yè)發(fā)展速度來(lái)看，單純的技術(shù)突破已經(jīng)不能成為壁壘，市場(chǎng)渠道、響應(yīng)速度和工程化能力至關(guān)重要。
以場(chǎng)景流量，數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘類服務(wù)
智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)正在逐步進(jìn)入工業(yè)、家居、汽車、商場(chǎng)等不同場(chǎng)景，這些場(chǎng)景是天然的數(shù)據(jù)流量入口，帶來(lái)新的數(shù)據(jù)交換，也能發(fā)揮更大商業(yè)價(jià)值。 對(duì)于AI類公司來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)重要性不言而喻，數(shù)據(jù)堪比AI的石油，不僅能夠促進(jìn)算法和性能的提升，還有利于深入行業(yè)應(yīng)用，為企業(yè)創(chuàng)造價(jià)值。而對(duì)于服務(wù)類公司而言，可以基于大數(shù)據(jù)更好地做目標(biāo)畫像，推出個(gè)性化服務(wù)、精細(xì)化運(yùn)營(yíng)以及精準(zhǔn)化營(yíng)銷。因此，除了輸出技術(shù)、銷售產(chǎn)品，數(shù)據(jù)也有望成為智能機(jī)器人公司商業(yè)化的落腳點(diǎn)。
小型化、輕型化、柔性化機(jī)器人硬件
當(dāng)前智能機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景愈加廣泛，苛刻的外部環(huán)境對(duì)機(jī)器人的體積、重量、靈活度等提出了更高的要求。與此同時(shí)，隨著研發(fā)水平不斷提升、工藝設(shè)計(jì)不斷創(chuàng)新，以及新材料相繼投入使用，智能機(jī)器人正向著小型化、輕型化、柔性化的方向發(fā)展，類人精細(xì)化操作能力不斷增強(qiáng)。
人機(jī)交互成為重要發(fā)展方向。隨著機(jī)器人易用性、穩(wěn)定性以及智能水平的不斷提升，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸由搬運(yùn)、焊接、裝配等操作型任務(wù)向加工型任務(wù)拓展。人機(jī)協(xié)作將人的認(rèn)知能力與機(jī)器人的效率結(jié)合在一起，從而使機(jī)器人原理圍欄和屏障，可以安全、簡(jiǎn)便的進(jìn)行人機(jī)交互。
結(jié)語(yǔ)
“機(jī)器人→智能機(jī)器人” 將是大勢(shì)所趨，智能機(jī)器人時(shí)代AI將直接決定機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展，機(jī)器人有望通過(guò)視覺(jué)、力覺(jué)等全方位感知技術(shù)和決策算法改善人機(jī)交互。與此同時(shí)找到合適的落地場(chǎng)景，完成數(shù)據(jù)量的積累，持續(xù)進(jìn)行智能機(jī)器人產(chǎn)品工程化落地，將有助于形成有競(jìng)爭(zhēng)力的智能化應(yīng)用。
（轉(zhuǎn)載）
