智能機器人感知(zhī)與控制技術應用及發展趨勢

機器人在智能時代發揮重要作用 

　　人類從機械化發展到電(diàn)器化、信息化，今天已經進入智能化時代，機器人在智能化時代中(zhōng)發揮着重要的作用。最早的機器人可以追溯到中(zhōng)國東漢時期，如無人車(chē)、指南(nán)車(chē)。真正的現代機器人是出現在1978年的工(gōng)業機器人，其被廣泛地應用到機器生(shēng)産線、電(diàn)子和汽車(chē)生(shēng)産線——從這時起工(gōng)業機器人和機器人才真正在産業方面被發揮應用。 

　　近幾年來，機器人已經在各大(dà)領域發揮重要作用，成爲高端裝備、智能制造的核心重要工(gōng)具，同時也是推動重大(dà)裝備加工(gōng)、測量、檢測等的重要引擎和工(gōng)具。如今機器人在重大(dà)工(gōng)程當中(zhōng)也發揮着重要的作用，在重大(dà)工(gōng)程建模、運維、維護等各個方面，都有機器人的參與。機器人在重大(dà)基礎設施建設和運維方面，都已發揮不可替代的重要的作用。 

　　近年來我(wǒ)國制造業不斷轉型升級，勞動力的短缺加速推動了機器人的發展。當前全球多個發達國家都非常重視機器人産業，美國、德國、中(zhōng)國和日本四國是其中(zhōng)發展最迅速的，均發布了各自的産業規劃。 

　　無論是工(gōng)業機器人、服務機器人還是特種機器人，簡單而言，機器人就是光機電(diàn)一(yī)體(tǐ)化的機械化裝置。近幾年間在機械化裝置發展下(xià)，增加了機器人的感知(zhī)、規劃、決策、控制等功能，使機器人更加智能。 

　　從機器人應用的角度劃分(fēn)，過去(qù)是工(gōng)業機器人、服務機器人、特殊機器人等。從專業角度看，機器人結構分(fēn)爲仿生(shēng)機構，并聯機構等；從空域角度劃分(fēn)，可面向地面、空中(zhōng)和水下(xià)等。如今機器人已經廣泛應用在工(gōng)業、水下(xià)以及航空航天，近幾年發展迅速的就是無人駕駛。 

　　感知(zhī)技術 

　　機器人是一(yī)個典型的反饋的、閉環的控制系統。不管機器人構造如何複雜(zá)，都包含四個核心的關鍵技術：本體(tǐ)結構技術，感知(zhī)系統與感知(zhī)技術，決策與規劃、調度、控制技術及執行技術。 

　　目前機器人已經廣泛應用到現實生(shēng)活當中(zhōng)，如智能機器人、新材料、仿生(shēng)、機器人的能源動力，以及腦機接口、醫療機器人——包括機器人的倫理等，都是未來機器人發展和挑戰的方向。未來機器人一(yī)定是朝着自主化更強，容錯性更好得多機協作的方向發展。 

　　我(wǒ)們團隊認爲一(yī)個完整的機器人要具備五大(dà)能力（要素），包括感知(zhī)要素、運動要素、規劃要素、學習能力及決策能力。從專業角度來說，機器人就是一(yī)個閉環的反饋控制系統，三個關鍵的核心技術起到支撐作用。第一(yī)個是環境感知(zhī)，第二個是規劃決策，第三個方面是協同控制。 

　　近幾年來，我(wǒ)們團隊在視覺傳感器方面，研制視覺傳感器的成像，在視覺成像後對視覺信息進行處理，再做成視覺的硬件和軟件嵌入式系統。 

　　首先，怎麽打造高速高精的視覺感知(zhī)與傳感器呢？如何才能夠有效地應用到機器人中(zhōng)，給機器人備上一(yī)雙明亮的眼睛？近幾年發展比較迅速的是支持性的光學成像、機器學習以及實時硬件處理等，能有效地應對高實時、高可靠、高性能的視覺感知(zhī)系統。 

　　處理微小(xiǎo)、微弱業務時怎樣有效地識别、判斷？能讓醫療、工(gōng)業機器人在行走時能夠精準地感知(zhī)？機器人要裝配一(yī)個零部件，首先得通過學習提取特征，用大(dà)量的樣本訓練，學習完以後用模型來建立三維的環境、場景的感知(zhī)。通過這個三維模型讓機器人固化在控制系統裏，形成一(yī)個實時的視覺伺服控制以有效應對。目前發展得比較迅速的是三維地圖定位與重建。 

　　機器人控制系統發展迅速 

　　在感知(zhī)環節後，我(wǒ)們還要依托感知(zhī)的信息，來控制機器人的操作。如今機器人的控制系統發展得也非常迅速。第一(yī)個方面是柔性控制，第二個方面是機器人視覺伺服控制，第三個方面是機器人的學習、智能控制，第四個方面是機器人的多機協同，多機協同是未來的發展方向。 

　　機器人學習是一(yī)個漫長的過程，通過不斷地學習後，設計學習控制器，可以将其通過硬件固化在機器人大(dà)腦、關節控制器、系統控制中(zhōng)，近幾年強化學習控制器發展非常迅速。此外(wài)，我(wǒ)們加工(gōng)一(yī)個大(dà)型複雜(zá)構件、完成一(yī)個醫療手術需要深度叠代的運動控制學習，隻有通過傳統控制不斷叠代、不斷訓練，學習完成後才可以完成複雜(zá)的作業。當然，環境發生(shēng)變化後可以再學習，這并不是一(yī)成不變。 

　　比如在加工(gōng)一(yī)個非常複雜(zá)的、雜(zá)亂無章的零部件時，我(wǒ)們怎麽有效地抓取、識别與裝配？這其中(zhōng)涵蓋三個方面，即要将視覺感知(zhī)、視覺伺服和精确的控制有機地結合起來，真正成爲一(yī)個集三維深度感知(zhī)的學習控制器。 

　　控制器研發最重要的是多機協作，而多機控制需要解決幾個關鍵性的核心問題：多傳感器信息融合、協同感知(zhī)、協同規劃及協同控制。解決好這四個關鍵技術，就能夠加工(gōng)出一(yī)個大(dà)型的複雜(zá)部件。 

　　比如智能制造或智能車(chē)間，如何在小(xiǎo)品種、多批量、批量變化的要求下(xià)生(shēng)産出産品？這就需要柔性化生(shēng)産與作業，要解決多機器的協同、多工(gōng)序的協同和多任務的分(fēn)配。 

　　機器人可以廣泛應用到不同的場景，無論是工(gōng)業、農業，或者物(wù)流、醫療等，都屬于集成創新。但是要把集成創新做好非常不容易，所以我(wǒ)把它歸結爲第五大(dà)技術。 

　　基于這五大(dà)技術，就可以廣泛應用到不同的行業。第一(yī)個典型行業案例如我(wǒ)國基于高速機器視覺的飲料罐裝機器人，近幾年來發展非常迅速，但是在十多年前，工(gōng)序不發達的情況下(xià)都是靠手工(gōng)操作。 

　　第二個典型應用在醫藥制造領域。過去(qù)配藥、罐裝藥、封裝藥、分(fēn)解藥都采用人工(gōng)。2003年非典疫情後，各大(dà)制藥劑工(gōng)廠提倡高速無菌化、高速無人化的生(shēng)産。如今，機器人在疫苗生(shēng)産當中(zhōng)也發揮着非常重要的作用。 

　　第三個典型應用領域的代表是三星。作爲電(diàn)子領域傳統企業，三星大(dà)量采用機器視覺、機器人的運動控制，來解決電(diàn)子印刷電(diàn)路闆的裝配問題。第四個應用方面是機器人的機械加工(gōng)、激光加工(gōng)焊接；第五個方面是高危作業。這些都是機器人在工(gōng)業、農業、特殊作業行業等應用的典型案例，也就是基于五大(dà)關鍵技術以研發機器人。 

　　智能機器人的未來發展 

　　典型的機器人包括控制器、減速器、伺服器，再加一(yī)個完備的人機界面。1.0被稱爲自動化的機器，近幾年迅速發展到2.0數字化，加入了視覺感知(zhī)、軌迹規劃以及視像等。 

　　未來，在學術界、工(gōng)業界以及産業界需求最高的服務機器人，更多地要向3.0協作機器人發展。要讓機器人實現認知(zhī)學習、人機交互、語意分(fēn)析，尤其是對自然語言的理解。 

　　人和機器協作，必須了解自然語言。将來機器人還要成爲自主性的機器人，還有更多的技術正在叠代。機器人的發展過程是不斷叠代的，讓機器人變得更加聰明、更加有效、更加可靠，爲人類帶來更好的服務。 

　　未來的機器人發展中(zhōng)，人工(gōng)智能非常重要。人工(gōng)智能的關鍵技術決定了機器人的未來。人工(gōng)智能的四大(dà)技術——記憶技術、感知(zhī)技術、行動規劃以及機器學習，近年來發展非常迅速。這些技術完全可以移植到機器人裏，未來的機器人一(yī)定是一(yī)個完備的、能夠自主化、網絡化的閉環的控制系統。 

　　此外(wài)，從服務機器人身上可以發現，機器人能像人一(yī)樣看懂說明書(shū)，能夠自動地裝配；機器人通過眼睛視覺，能感知(zhī)得到，還要分(fēn)析判斷，要有認知(zhī)。從感知(zhī)智能到認知(zhī)智能，再到行爲智能，這些都是需要人工(gōng)智能的技術。 

　　而在智能工(gōng)廠發展方向，也體(tǐ)現出人工(gōng)智能的作用。比如網絡化協同制造，過去(qù)一(yī)個工(gōng)廠大(dà)批量地生(shēng)産，今天的工(gōng)廠則是小(xiǎo)批量定制化或多品種。一(yī)件産品要制造，兩件産品也要制造，要承擔這麽樣艱巨的任務，工(gōng)廠一(yī)定要做成柔性化、智能化的産線。而這就要依靠數字化、網絡化和智能化的升級。 

　　在關鍵的産線方面，實現制造的智能化、服務的智能化，才能真正地打造有競争力的柔性的工(gōng)廠，這需要工(gōng)業互聯網的加入，也需要制造雲，才能建成新型的智慧工(gōng)廠，也就是俗稱的“ 燈塔工(gōng)廠”“黑燈工(gōng)廠”“無人工(gōng)廠”。 

　　物(wù)流方面也同樣如此。5G技術的出現，爲機器人的發展帶來了福音。同時，智能網聯交通包括人機交互技術等非常重要。此外(wài)，機器人在無人系統、無人作業、空地天協同作業等均能發揮重要作用。但其中(zhōng)的核心是，空間協同無論怎樣發展，都需要一(yī)個高性能的類腦計算，目前業内都在設計無人系統的類腦芯片。 

　　簡單而言，人工(gōng)智能與機器人的有機結合可以體(tǐ)現在四個方面。第一(yī)在感知(zhī)層面，很多人工(gōng)智能的技術已經被大(dà)量地應用，很多企業都在開(kāi)發。第二在認知(zhī)層技術，第三在決策層，第四在控制執行層，都能體(tǐ)現出人工(gōng)智能技術融入機器人裏。 

　　機器人的發展态勢應該是網絡化、自主化、協同化、靈巧化。機器人要發展好，首先一(yī)定要規劃好。第二要有一(yī)個好的創新環境，第三機器人一(yī)定要有标準，第四人才是關鍵。