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第28屆青島國際工業自動化技術及裝備展覽會

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國內外機器人的發展現狀，智能機器人的關鍵技術

2021-05-12 08:49:30

發展機器人的意義和目的
智能機器人發展永遠在路上。我國東漢時期就出現了駕駛車馬車，可以說是世界上最早出現的無人駕駛車，隨著現代工業的發展，機器人進入第二個階段開始為工業服務，20世紀機器人進入第三階段即智能機器人時代。
人類在最早進入現代工業時代時，便將機器人應用到工業領域，使用工業機器人進行生產活動。由于勞動力極度短缺，二戰后日本、美國和德國大范圍應用機器人替代人工，因此，二戰后的60年代這些國家就發展了工業機器人。
隨著機器人的誕生，其越來越多的應用到汽車制造過程中，機器人技術發展到現在，正朝著工業4.0的目標大步前進。目前的機器人還只是自動化的裝置，并不是真的智能機器人，未來需要的是真正智能的機器人。
機器人是制造強國的重要工具，機器人能夠高效的完成焊接、加工、測量、檢測等，尤其是我國，國家重大裝備制造、例如航空及航天制造等方面離不開智能機器人，其在室內的使用也具有廣泛前景。除此之外，機器人對國家民生工程方面也起到了至關重要的作用，機器人能輔助和替代人類完成危險的工作環節，能從事復雜、重復性高且耗時的任務，在大型工程建造、大型橋梁建造、應用維護、海洋開發、太空探索及智能制造中都發揮了極大的作用。機器人是國家重大工程建設的基礎設施，是“新基建”建設中的重要時代脈絡。
發展機器人最重要的在制造業，機器人能夠解決制造業中的許多人工難點和痛點問題，例如人口老齡化、招工困難及制造難，產品迭代更新、小批量、多品種制造等方面的問題，同時也可以有效解決勞動力短缺、人口老齡化等問題。

國內外機器人的發展現狀
當今世界各國都在大力發展機器人技術，如美國的機器人計劃2.0，德國、歐盟的工業4.0計劃、中國制造2025以及日本的機器人戰略，以推動機器人向著高端制造、智能制造進軍，搶占制高點。
從美國戰略2.0可以分析，美國戰略2.0強調多機器人之間相互交流和協作，打造機器人感知。德國工業4.0更多強調智能工廠，打造智能強國，在智能生產線、智能車間、智能工廠當中發揮機器人作用，通過信息物理系統將機器人融合到生產線中。歐盟期望打造機器人的協同，強調機器人之間的協作和面向醫療、人類生命健康的機器人及手術機器人。
中國機器人近十年來的發展可以分為兩個階段，前五年基本上在產業發展期，目前已經進入高端期。機器人是“制造業皇冠頂端的明珠”，其研發、制造、應用是衡量一個國家科技創新和高端制造業水平的重要標志，要把我國機器人水平提高上去。因此，我國需要將國家機器人產業提高上去，占領更多的市場，發展機器人技術和產業已經成為我國的重大戰略需求。“中國制造2025年”和《新一代人工智能發展規劃綱要》等的發布就是要推進智能機器人發展，為國民經濟和國家重大戰略、國家重大工程服務，圍繞機器人發展，各地政府和地方出臺了很多政策，其中就包括深圳市，深圳市在服務機器人領域的發力非常明顯。

智能機器人的關鍵技術
機器人（Robot）是一種可以自動執行操作或者移動作業的機械裝置，它具有感知、規劃、決策、控制等功能，能夠完成人類難以完成的任務和重復、枯燥、危險或在惡劣環境下的工作。
從用途上機器人可以分為，工業機器人、農業機器人、醫療機器人、巡檢機器人等；從空間上可以分為有陸、海、空等機器人。其中，工業機器人是主力，其次是水下機器人、空間機器人等。
不管機器人有多復雜，不管是何種類型的機器人，它都是一個自動化的系統，具備感知系統、決策系統和控制系統。機器人的關鍵技術主要就是四部分：本體機構、感知、決策和執行技術。用自動化的語言來描述即機器人是一個感知、決策和執行的反饋控制系統。
機器人也涵蓋了許多的交叉學科，如機械工程、人工智能、控制科學、計算機、電子、材料以及多學科交叉融合。機器人在今天無處不在，被廣泛應用到制造業、物流業、醫療行業、人類生活服務、海洋、航空、航天等領域，其在汽車制造和電子制造中也發揮了極大的作用。

機器人的未來發展方向
在裝備制造業，大型復雜系統的構建，例如航空航天器的制造等方面，也需要多機器人的協同裝配。除此之外，探月機器人等空間機器人近兩年也發展迅速，因為各國都在競爭太空資源，還有用于海洋的輔助、打撈、水下探測等的海洋機器人，應用于惡劣環境下的科技考察的科研機器人，例如珠穆朗瑪峰的攀登等在未來可使用機器人進行。
2020年新冠疫情爆發后，醫療機器人也將成為未來機器人發展的主攻方向，如開發出測溫-診斷智能機器人、智能消毒機器人、醫藥物資搬運智能機器人等疫情應急防控機器人、助力機器人和防疫機器人等。腦機接口機器人是十大機器人熱點問題之一，軍用機器人、特種作業機器人也是未來的重大發展方向。
在科學雜志發布的機器人十大挑戰和方向中，智能機器人是其中最重要的一個方向，包括腦機接口、社會交互、醫療、多機器群等都是智能機器人的發展方向。智能機器人網絡、交互兩個特征，體現出了智能化自主感知功能。機器人必須具備五大要素：感知、規劃、決策、運動、自學習，其中智能感知、智能協作規劃和智能精準控制是機器人的三大核心技術。
在機器人智能感知方面。設計完整的機器人視覺感知系統，打造微傳感、高智能化的感控一體的芯片是十分重要的發展方向，其中也有諸多的工作要做。其將在機器人的三維識別、SLAM技術，機器人測量等方面的應用產生深遠的影響。
在機器人控制技術方面。機器人的柔順控制、機器人智能控制和多機器人協同控制都是當下的研究熱點。其應用中都體現出了基于深度學習、強化學習的機器人控制技術。任務分配、復雜任務精準配置、網絡控制和控制彈性，在抵御網絡攻擊的情況下保證系統有條不紊的工作都是機器人控制技術需要研究的內容。
機器人除了智能感知和智能控制，還需要穩定有效的關節，機器人關節是其執行機構的關鍵部件。機器人要完成復雜的任務作業還需要有靈巧的手，無論是醫療、工業、航天，還是海洋機器人都要用手來完成復雜的作業任務，因此靈巧的手是機器人的第四個關鍵技術。
基于四大技術可以把機器人集成創新，形成機器人系統應用，可以打造工業機器人、服務機器人、特種作業機器人，將其應用到不同領域。設計機器人的協同、調度、柔性自動化生產線，在制藥、飲料等行業應用機器視覺，在汽車制造、電子裝配的某些工序等方面使用機器人替代人工等方面都是未來的發展方向。
目前的機器人還處于工業1.0、2.0的階段，未來機器人應該是機器人3.0，除了具備目前的功能外還要具備情感交互、人機協作、自學習、人機交互、語義分析和自然語言理解等方面的功能，這樣才可以真正成為智能服務機器人，未來還期望機器人發展成自主服務機器人，進階到4.0階段。這其中有大量的工作需要完成，需要將AI技術，感知能力、記憶能力、學習能力、決策能力有機加入到機器人，讓機器人具備一個智能化、自主網絡控制系統，形成機器人大盤。發展機器人，人工智能是其中的關鍵，人工智能三大核心技術，感知技術、認知技術、行為控制技術是決定智能機器人的未來。
未來機器人的應用將面向網絡協同化制造，基于柔性的自動化生產線進行小批量、多品種和個性化的制造。其需要具備數字化、網絡化、智能化的特征，具備工業互聯網絡架構下的智能制造，形成從產品設計、研發、制造到服務的全流程智能制造。網絡化協同制造可以滿足個性化的生產與服務模式，以及復雜多變的作業環境與任務，是未來工業向智能化生產發展的趨勢。機器人將在其中扮演重要作用。
在5G到來的時代背景下，在通訊速率提高，寬帶、時延減少的云空間下，借用5G技術打造新一代智能網聯電動車、智能無人飛行器、智能網聯電動車也是未來城市美好的生活向往，即打造智能網聯、無人駕駛、無人碼頭、機場。
人機交互也是非常重要的發展方向，人機協作模式將人的優勢（智慧性、靈巧性）與機器人優勢（高速率、高精度）深度結合，實現人機柔性作業，解決機器人部署成本高、柔性不足的問題。在工業、農業或者精準醫療方面都有極其重要的應用場景，它是將人工智能與機器人有機結合的強力紐帶，其中包括語言識別、物體識別、語意理解、情感分析、意圖理解以及決策層具備多模態交互、步態識別和交互等。
未來機器人發展一定是網絡化、自主化、協作化、靈巧化的，同時機器人發展需要一個規劃好的可執行性的戰略，還要有創新的環境和下一代機器人的標準和技術，最關鍵的是要著力培養一批高水平科研帶頭人和產業隊伍人才。

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