共融机器人研究和应用前景广阔（开卷知新）
最后更新：2020-07-07 11:04:12 手机定位技术交流文章
自从20世纪50年代第一个机器人发明以来，机器人技术不断进步，科幻作品中机器人的许多想象都实现了。例如，人类已经制造出了各种仿生机器人，如蚂蚁、蝴蝶和飞行水母，能做出困难体操动作的人形机器人，能展示62种以上面部表情的机器人，等等。随着智能传感、人工智能、大数据等技术的快速发展，机器人不断被赋予与环境互动、模仿人类甚至自主学习等新技能。
目前，机器人在关系人类未来的产业升级、卫生服务、国防安全、勘探、科研和资源开发等领域发挥着越来越突出的作用。机器人研究正成为全球高科技竞争的热点，许多国家都将机器人列为优先发展的工业技术。
超越三个历史阶段，包容性机器人引领未来
回顾历史，机器人的发展大致经历了三个阶段。第一代机器人相当于一个“遥控操作者”，人们操作机器进行挖掘、运输和其他工作，主要起到增强操作者力量的作用；第二代机器人可以根据离线程序自动重复操作，这是目前工业生活中常见的工业机器人；第三代机器人是一种智能机器人，它可以通过各种传感器获取环境信息，并利用智能技术来识别、理解、推理和做出规划决策。它是一个交互式机器人，能够自主行动并实现预定目标。工业领域中负责搬运、焊接和装配的工业机器人，服务业中的清扫机器人和烹饪机器人都属于这一类。
尽管机器人已经广泛应用于国民生活和经济的各个领域，但其灵活性和智能决策能力仍然不足。例如，工业机器人的感知能力较弱，只能在稳定的环境中工作，也就是说，它们主要在结构化的环境中执行各种确定性的任务，否则容易出错，甚至伤害人和破坏东西。这就是为什么工业机器人经常“独自战斗”，甚至需要一个防护网来将机器人的工作区域和工人的工作区域分开。服务机器人是应对未来全球人口老龄化趋势的有效手段。但是，也存在一些问题，如抽象指令不可接受、难以与人有效沟通、人机协调和协作能力不足、缺乏安全机制等。特种机器人是在极地、深海、外星、核辐射场所、军事战场和灾区等危险区域替代人类的重要工具，但也存在着过度依赖编程、人类远程操作和缺乏自主性等问题。
克服上述缺点，有效地扩展和延伸人类的能力是未来机器人的发展方向，包容机器人应运而生。
实现“一体化”的目标需要机器人技术的多层次创新
包容性机器人是指能够与工作环境、人和其他机器人自然互动，适应复杂动态环境并协同工作的机器人。“整合”包含三层含义:第一，机器人与环境的自然互动。传统的机器人在特定的领域工作，目标简单，对象单一，但在实际生产和生活中很难有如此纯净的环境。让机器人走出车间，进入高山和雪地，进入人们来往的街道，甚至让机器人和人们在一个动态的环境中一起工作，这是包容性机器人的首要目标。第二，机器人互相帮助，互相补充。两个人可以举起更重的物体，三个人F1赛车服务人员可以在两秒钟内更换轮胎，复杂的内科手术需要许多医生和护士的合作。一个机器人如何通过多个“人”的合作实现单一能力的突破？这是包容性机器人发展的第二个目标，实现机器人之间的合作和互补，通过合作提高机器人的整体功能和性能。第三是机器人和人之间的合作。与人合作不仅意味着听别人的指示，还意味着有自己的“判断”和“想法”。人是复杂的、动态的，与人合作是对机器人的更高要求。这时，机器人不再被动地等待人们的帮助和盲目地依赖人们的编程，而是应该能够主动地感知和解决各种问题。
为了实现上述与环境、其他机器人和人类共存、合作和融合的目标，机器人需要在“身体”、“感知”和“意识”方面进行创新。
机器人的结构应该更柔软，不仅有“骨头”，还有“肉”。机器人由钢制成，具有很大的强度。但是在这副“铁骨”上，柔软的“血肉”应该生长。例如，为了满足铣削、钻削、抛掷、磨削和切削等制造任务的要求，工业机器人需要更多的自由度和更强的机器人结构柔顺性，从而实现表面适应和柔性抓取的功能。医疗康复、帮助老人和帮助残疾人等。，要求机器人结构从刚体、刚柔耦合发展到柔性体、软件甚至流变液，从而更好地适应和保护用户。
机器人的感知系统应该更加灵活多样，实现多模态融合。人类能够适应各种环境的原因在于他们对不同环境的敏锐感知。包容性机器人也需要这种多样化的感知能力。值得注意的是，多样化的传感并不像增加几个传感器那么简单，还需要完成许多任务，如信号传输、操作和识别。在许多情况下，为了识别外部环境和他人的意图，有必要融合多种模态信号，机器人有必要实时感知、理解甚至学习。
机器人群体的沟通能力应该更强、更自然。随着单个机器人感知能力的提高以及机器人集群数量和形式的增加，机器人群体之间的信息交流、自主智能和分布式协作的重要性日益增加。未来，我们需要一个既有个体自主性又有群体协作性、实时性和安全性的分布式操作系统架构来突破包容性机器人的系统瓶颈。
包容性机器人是机器人技术发展的一个重要方向，有助于人类创造更美好的生活
包容性机器人积极响应社会发展和国家战略的需要，是中国机器人技术发展的重要方向。可以预见，随着先进制造技术、信息技术和人工智能技术的创新和发展，机器人制造水平将会越来越高，包容型机器人如“熟练工匠”、“聪明体贴”、“分工合作”等将深刻影响人类生活。
“巧匠”机器人将创造各种强大的智能制造设备，有助于提高“中国制造”的质量和“中国制造”的影响力，实现制造业的转型升级。未来，各种新型操作、加工和装配机器人将满足从飞机、航天器到电子零件的各种制造需求，现有的搬运、码垛和焊接机器人将得到升级和改进。
智能和体贴的机器人将进入人类的日常工作和生活，如康复机器人和外骨骼机器人。一方面，机器人可以“智能地”感知人类的意图，并积极地帮助人类完成一些任务，而不需要人类输入清晰而复杂的指令。另一方面，机器人会更“体贴”。具有柔性结构的可穿戴机器人将更好地适应用户的身体，工厂中的合作机器人也可以避免干扰或伤害工人。
“分工合作”机器人将出现在各种特殊环境中，用于紧急救援和救灾、深海探测和国防安全。这种机器人形状多样，无论环境是狭窄还是广阔空都可以通过分工合作有效地扩大和控制范围，完成繁重的作业任务。即使在局部损坏的情况下，该协作机器人仍能保持集群功能，从而主动适应灾害场景和紧急情况。
纵观科技发展史，机械设备是人类四肢的延伸，计算机是人类大脑的扩展，机器人是人类综合能力的模仿，是具有感知、认知和自主行动能力的智能设备。包容性机器人进一步提高了智能活动，如感知、推理、决策、学习等。并形成一个能与环境甚至人类自然互动的系统。为了推进包容性机器人基础理论和关键技术的研究，2016年，国家自然科学基金委发布了重大研究计划《包容性机器人基础理论和关键技术研究》。该计划瞄准国际机器人研究的前沿，面向国家重大战略和民生需求。通过机械、信息、力学、材料、生物等学科的深度交叉和整合，开展包容性机器人结构与驱动、感知与交互、智能与控制的共性基础研究，努力突破刚柔耦合柔性结构设计与动力学、多模态环境感知与人体自适应协作、群体智能、分布式机器人操作系统等基础理论和共性关键技术的源头创新。
在整合机器人学基础理论和关键技术的道路上，我们相信我们将培养一批具有国际影响力的中青年学术骨干和领军人物，在探索中不断提高中国机器人学研究的整体创新能力和国际影响力。
(作者丁涵，华中科技大学教授，中国科学院院士，陶博，华中科技大学教授)
制图:蔡华为
推荐读数:
1.“现代简史:从机器到机器人”:杜君立；由上海三联书店出版。
2.“机器人学:建模、控制和视觉”:熊有伦等待；华中科技大学出版社出版。
3.《机器人革命:即将到来的机器人时代》:[美国]约瑟夫·巴·科恩和大卫·汉森著，潘军译；机械工业出版社出版。
《人民日报》(2020年7月7日，第20版)
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