【轉载】智能機器人發展报告

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（原文刊發于節制科學與工程成长陈述，作者刘連庆等）

1、弁言

呆板人是权衡現代科技和高端制造業程度的首要標記，是制造業皇冠顶真個明珠。作為引领世界将来的倾覆性技能，呆板人正在缔造新财產新業態，鞭策出產和消费向智能化變化，進而深入影响人類出產和糊口。世界上不少國度，包含發财國度和一些新兴經濟國度，比方，美國、欧盟、日本、韩國等，纷繁将呆板人作為國度規划举行重點计划和摆设。

呆板人體系以功效及體系實現為载體，經由過程自立或半自立的感知、挪動、操作某人機交互，表現雷同于人或是生物的智能程度；它可以或许扩大人在標准、時候、空間、情况、感情、智能和精度、速率、動力等方面所遭到的束缚和限定，并為人办事。

中國作為世界最大的呆板人消费國，除工業呆板人持续 5 年景為世界最大的市场外，办事呆板人的需求也增加显著。各類各样為了知足分歧需求的特種呆板人、病愈與助老助残呆板人、醫療辅助呆板人等办事呆板人，正在成為鞭策呆板人财產成长的新動力。

2、钻研近况和重要功效

（一）智能呆板人钻研近况

呆板人技能在現代社會成长中起到的感化日趋较着，是以，世界發财國度對呆板人的器重水平也日趋增长，出格是進入 21 世纪後，列國纷繁将呆板人作為國度计谋举行重點计划和摆设。如早在 2006 年，欧盟就启動了呆板人结合举措項目，并推出了具體的呆板人技能成长線路圖；2013 年，美國也推出了最新的呆板人成长線路圖，将呆板人列為继互联網以後可能對人類社會發生深遠影响的技能；别的，呆板人傳统强國日本也一向對峙在國度层面不竭推出响應的技能成长计划。我國的呆板人钻研開辟事情始于 20 世纪 70 年月早期，到現在已有四十年的汗青。出格是颠末“七五”攻關、“八五”利用工程開辟、863技能規划施行，已從最初迟钝開辟的自觉状况，垂垂成长到國度器重，有規划開辟、研制、推行利用的阶段。

2014 年 7 月 8 日，中國呆板人财產同盟统计與信息组在IFR-CRIA CEO 圆桌集會上，颁布了 2013 年中國工業呆板人市场数据阐發，從贩賣总量、機器布局、利用范畴和利用行業等几個角度阐發了 2013 年中國工業呆板人的消费市场，并比力了國產呆板人與外資品牌呆板人在贩賣中盘踞的市场份额。数据显示，2013 年中國市场共贩賣工業呆板人近 37000台，此中海內企業實現贩賣9597台，外資企業贩賣约27000台，较上年增加20%；约占全世界销量的五分之一，总销量跨越日本，成為全世界第一大工業呆板人市场。但從國表里產物的财產布局、利用范畴、利用行業等方面過细比力，當前國表里的工業呆板人產物存在显著差别，海內企業還没有形陈規模化出產的场合排场，外洋呆板人在高端利用范畴盘踞着绝對上風。

從呆板人利用密度上来看，我國今朝工業呆板人利用密度依然遠遠低于全世界均匀程度，離日本、韩國、德國等發财國度更是有很大差距。

（二）我國智能呆板人重要功效

1. 仿人呆板人技能不竭冲破，進入了國際领先行列

仿人呆板人技能是智能呆板人钻研的热門，也是一個國度呆板人钻研程度的標記。20 世纪90年月初到2000年，我國前後研制出多指枢纽關頭工致手、雙足步行呆板人和仿人呆板人“先行者”，逐步缩小了我國仿人呆板人钻研與世界先辈程度的差距。“十五”時代， 我國自立開辟了仿人呆板人“汇童”，標記着我國成為继日本以後第二個把握集機構、節制、傳感器、電源即是一體的仿人呆板人技能的國度。“十一五”時代，我國研制出國際 领先程度的五指工致手，實現了對多種外形物體的辨認、抓取和自立操作；霸占了仿生呆板人動力學不乱節制、高機能手臂一體化部件設計制造、自立及時節制操作體系研發、高速視觉辨認算法等焦點技能，實現了具备高度感知與活動節制能力的仿人呆板人乒乓球匹敌，連结了國際领先职位地方。

2. 從6000米無缆自治呆板人到7000米载人深潜器，水下呆板人获得重大成绩

海洋資本勘察和開辟是國際剧烈竞争的核心問题之一，水下呆板人是海洋資本勘察和開辟的首要东西。20 多年来，我國水下呆板人不竭成长，從 1000 米無缆自治呆板人到 6000 米無缆自治呆板人，再到 7000 米载人深潜器，水下呆板人取患了重大成绩。我國乐成地研制出首台6000 米無缆自治呆板人“摸索号”，并在承平洋深水處举行了大洋探測實行。深海實驗表白，“摸索号”重要技能指標到达國際领先程度，標記着我國成為继美、俄、法、英、日以後，具有整套深潜探測技能能力的少数國度之一。2002年，我國启動了7000 米载人深潜器“蛟龙号”的研制事情，其事情范畴可以笼盖全世界海洋區域的99.8%。2012 年，蛟龙号美满完成 7062 米的下潜使命，標記着我國在深海高技能范畴到达了领先國際的先辈程度。

3. 智能化工程機器從单機產物到機群功课和长途保护，引领了工程機器行業技能進级

開辟以呆板人技能為焦點的智能化工程機器，是促成工程機器產物更新换代的首要手腕。在國度重大科技專項和“863”規划等的支撑下，工程機器行業主干企業包含徐工、三1、中联、江山、柳工、厦工、天工等重點研發了一批单機警能化、機群智能化工程機器產物，創建了工程機器长途智能保护體系，為引领工程機器產物技能進级和晋升工程機器行業竞争力做出了首要進献。

4. 開辟出工業呆板人系列產物，鞭策了工業呆板人树模利用和财產化

工業呆板人作為制造業的首要根本设备，“九五”時代，我國把握了工業呆板人的設計和集成技能，研制出弧焊呆板人、點焊呆板人、切割呆板人、仿型喷涂呆板人、平面枢纽關頭型装置呆板人、直角坐標型装置呆板人、挪動搬運呆板人、挪動包装呆板人等一批國產工業呆板人系列產物。“十一五”時代，研制出 30 台 165 kg 和 2 台 210 kg 點焊呆板人產物并乐成利用于奇瑞汽車焊装主動化出產線，國產弧焊呆板人、挪動搬運呆板人、包装搬運呆板人等到达外洋同類產物的先辈程度。2010 年，國產工業呆板人市场贩賣几百台套，動員几百亿元的國產呆板人主動化成套出產線贩賣额，走出了工業呆板人财產化的第一步。

5. 特種呆板人從無到有，特種呆板人品種和利用不竭强大

特種呆板人凡是指事情在非布局情况下功课的呆板人，始终是智能呆板人技能钻研的重點。我國特種呆板人從無到有、品種不竭丰硕、利用范畴不竭拓展，奠基了特種呆板人财產化的根本。20 多年来，我國前後研制出一多量特種呆板人，并投入利用，如辅助骨外科手術呆板人和脑外科呆板人乐成用于临床手術，低空飞翔呆板人在南极科考中获得利用，细小型探雷扫雷呆板人加入了國際维和扫雷举措，空中搜刮探測呆板人、废墟搜救呆板人等地動搜救呆板人乐成問世，细胞打针微操作呆板人已利用于動物克隆實行，海內首台腹腔微創外科手術呆板人举行了動物實驗并經由過程了判定，反恐排爆呆板人已批量设备公安和武警军队等。

3、國表里成长比力與趋向

（一）國表里成长比力

1. 工業呆板人

中國已成為全世界第一大工業呆板人市场，可是從國表里產物的财產布局、利用范畴、利用行業、利用類型等方面過细比力，當前國表里的呆板人產物存在显著差别，外洋呆板人在高端利用范畴盘踞着绝對上風。在焦點零部件出產方面，今朝全世界呆板人行業，75% 的紧密减速機被日本的 Nabtesco 和 Harmonic Drive 两家公司垄断；而交换伺服機電及節制器根基被日本、德國、美國垄断，我國呆板人關頭部件不具有竞争力。 從呆板人利用密度上来看，我國今朝工業呆板人利用密度依然遠遠低于全世界均匀程度，離日本、韩國、德國等發财國度更是有很大差距。

2. 特種呆板人

旋翼飞翔呆板人（無人機）作為一種具备代表性的特種呆板，一向备受存眷。在民用范畴，與美國比拟中國的無人機企業数多于美國，中國無人機企業以研發制造為主，而美國無人機企業重要举行立异办事；在军用范畴，泰西無人機體系及技能的钻研具备代表性。2016 年國度地域或军方新公布的四個具备代表性的無人機成长@计%zmOx2%谋或線%V3NA1%路@圖别離為：丹麦的國度無人機成长计谋、欧洲通用無人機項目——“欧洲中空长航時無人機體系”（MALE RPAS）項目界说钻研、美國空军《小型無人機體系飞翔規划：2016 — 2036 年》和美國水兵無人體系線路圖。

水下呆板人方面，据不彻底统计，到 2009 年年末，约莫有 461 個型号近 6000 台遥控水下呆板人在運行，全世界有跨越 300 家專業從事遥控水下呆板人研制、出產和售後办事的企業。我國在 6000 米無缆自治呆板人、7000 米载人深潜器水下呆板人钻研方面比肩美國、日本、法國等國度，到达國際领先程度；我國水下滑翔機缔造的 91 天续航時候和 1884 公里续航間隔，使我國成為继美國以後第二個具备跨季度的自立挪動海洋觀測能力的國度。

3. 办事呆板人

在病愈呆板人方面，國際上具备代表性的钻研機構及功效包含法國 KINETEC 公司推出的 Maestra 便携式手指病愈呆板人、冰岛的 Ossur 公司研發的多種假肢、比利時布鲁塞尔大學的踝枢纽關頭假肢 AMP-Foot、英國的 i-Limb 工致手、日本 Nabco 公司的 NI-C411 假肢腿、意大力把勒莫大學的 SmartLeg 智能假肢腿等。在家政办事呆板人方面，美國@固%7E6D3%然對办%54v81%事@呆板人的钻研投入没有日本多，但财產化和公司運作做得很乐成，在產物定位與開辟方面做得比日本和韩國超卓，培養了像 iRrobot 和 WOWWEE 這些專門做呆板人的公司。而日本 NEC 公司開辟的朋友呆板人 PaPeRo、ZMP 公司設計出產的 Nuvo 管家呆板人、日本 NEC 公司開辟了朋友呆板人 PaPeRo 都具备代表性。

中國办事呆板人市场范围不竭扩展，办事呆板人相干專利申请数目延续高速增加，但小我 / 家庭類相干專利较少。我國今朝在办事呆板人范畴的相干技能另有待成熟，在關頭零部件和呆板单體方面和外洋還存在较大差距。固然在办事呆板人范畴的钻研我國起步晚，可是在 2015 年提出的《中國制造 2025》计划纲领中，已明白将办事呆板人列為十大重點成长范畴之一。

（二）智能呆板人成长趋向

1. 傳感技能成长敏捷

作為呆板人根本的傳感技能有了新的成长，各類新型傳感器不竭呈現，比方：超声波触觉傳感器、静電電容式間隔傳感器、基于光纤陀螺惯性丈量的三维活動傳感器，和具备工件檢測、辨認和定位功效的視觉體系等。多傳感器集成與交融技能在智能呆板人上得到利用。单一傳感旌旗灯号難以包管输入信息的正确性和靠得住性，不克不及知足智能呆板人體系获得周全、正确情况信息以晋升决议计划能力的请求。采纳多傳感器集成和交融技能，可操纵傳感信息，得到對情况的准确理解，使呆板人體系具备容错性，包管體系信息處置的快速性和准确性。

2. 應用模块化設計技能

智能呆根治頸椎病,板人和高档工業呆板人的布局要力圖简略紧凑，其高機能部件，乃至全数機構的設計已向模块化標的目的成长；其驱動采纳交换伺服機電，向小型和高输出標的目的成长；其節制装配向小型化和智能化成长，采纳高速CPU和32 位芯片、多處置器和多功效操作體系， 提高呆板人的及時和快速相應能力。呆板人软件的模块化简化了编程，成长了離線编程技能，提高了呆板人節制體系的顺應性。

在出產工程體系中利用呆板人，使主動化成长為综合柔性主動化，實現出產進程的智能化和呆板人化。比年来，呆板人出產工程體系得到不竭成长。汽車工業、工程機器、修建、電子和機電工業和家電行業在開辟新產物時，引入高档呆板人技能，采纳柔性主動化和智能化装备，革新原有出產手腕，使呆板人及其出產體系的成长呈上升趋向。

3. 微型呆板人開辟有冲破

微型呆板和微型呆板报酬 21 世纪的尖端技能之一。我國已開辟脱手指巨细的微型挪動呆板人，可用于進入小型管道举行查抄功课。估计将出產出毫米级巨细的微型挪動呆板人和直径為几百微米的醫療呆板人，可以讓它们直接進入人體器官，举行各類疾病的診断和醫治，而不危险人的康健。微型驱動器是開辟微型呆板人的根本和關頭技能之一。它将對紧密機器加工、現代光學仪器、超大范围集成電路、現代生物工程、遗傳工程和醫學工程發生首要影响。微型呆板人在上述工程中将大有效武之地。

4. 新型呆板人開辟有冲破

显遠或遥現（telepresence或telexistance），被称為临场感。這類技能可以或许丈量和估量人對展望方针的拟人活動和生物學状况，显示現场信息，用于設計和節制拟人機構的活動。

虚拟實際（virtual reality，VR）技能是新近钻研的智能技能，它是一種對事務的實際性從時候和空間长進行分化後從新组合的技能。這一技能包含三维计较機圖形學技能、多傳感器的交互接口技能和高清楚度的显示技能。虚拟實際技能可利用于遥控呆板人和临场感通讯等范畴。比方，可從地球上對火星探測呆板人举行遥控操作，以收集火星概况上的泥土。

外形影象合金（SMA）被誉称為智能質料。SMA 的電阻随温度的變革而扭轉，致使合金變形，可用来履行驱動動作，完成傳感和驱動功效。可逆外形影象合金（RSMA）也在微型呆板人上获得了利用。

多自立呆板人體系（MARS）是比年来起頭摸索的又一項智能技能，它是在单體智能 呆板成长到必要和谐功课的前提下發生的。多個呆板人具备配合的方针，完成互相联系關系的動作或功课。MARS 的功课方针一致，信息資本同享，各個局部（分離）動作的主體在全局情况下感知、举措、受控和和谐，是群控呆板人體系的成长。在诸多新型智能技能中， 基于人工神經收集的辨認、檢測、節制和计划法子的開辟和利用占据首要的职位地方。基于專家體系的呆板人计划得到新的成长，除用于使命计划、装置计划、搬運计划和路径计划外，還用于主動抓取方面。

5. 挪動呆板人自立性渐渐提高

比年来，對挪動呆板人的钻研遭到器重，自立式挪動呆板人是钻研至多的一種。自立呆板人可以或许依照预先给出的使命指令，按照已知的舆圖信息做出全局路径计划，并在行進進程中，不竭感知四周局部情况信息，自立地做出决议计划，指导本身绕開停滞物，平安行驶达到指定方针，并履行请求的動作與操作。挪動呆板人在工業和國防上具备遍及的利用遠景，如洗濯呆板人、办事呆板人、巡查呆板人、防化侦查呆板人、水下自立功课呆板人、飞翔呆板人等。

4、需求與预測

（一）智能呆板人成长的重點標的目的

起首，针對工業呆板人體系，重點成长面向设备制造業的 6 類呆板人體系，包含新一代與人互助型呆板人體系、主動扶引呆板人體系、焊接呆板人體系、激光加工呆板人體系、真空呆板人體系、干净呆板人體系等的研發。

其次，在特種呆板人種别中，優先成长旋翼飞翔呆板人、水下呆板人、空間呆板人等几種具备先發上風的特種呆板人。

再次，在办事呆板人種别中，優先成长面向醫療的脊柱微創手術呆板人體系、面向病愈的手部病愈及举動辅助呆板人體系、面向助残的智能假肢呆板人體系和面向老年保护的家政办事呆板人體系等 4 種呆板人。

最後，面向工業 4.0 新型制造系统的需求，研發智能化装备與装配、全笼盖管控一體化收集、新型数据收集與监控體系、散布式智能節制體系、智能决议计划與办理體系、支持制造產物全生命周期办理的信息办事平台，研發面向航空、兵工、汽車、主動化仪表、高端電子等典范行業的基于呆板人的智能化柔性装置和制造出產體系。

详细的呆板人體系與相干利用行業及技能的瓜葛如圖 1 所示。

（二）智能呆板人财產成长的關頭焦點技能

與各種呆板人體系相對于應，我國成长智能呆板人财產的關頭焦點技能包含：

1. 呆板人本體及關頭零部件技能

面向将来智能呆板人技能的成长需求，钻研開辟伺服機電技能和减速機技能，钻研開辟新型質料（外形影象合金、化合物等）技能、視觉和激光等新型感知技能，為智能呆板人能力的進一步晋升供给原動力。

2. 工業呆板人技能

面向新工業革命的需求，研發下一代工業呆板人及呆板人操作體系，在和婉電機設計技能、非布局情况理解、及時認知技能、人機协同使命计划技能、自顺應與可重構装置技能、平安性技能等方面举行技能變化，經由過程大数据、云计较為代表的信息技能與呆板人技能的交融，促成呆板人综合能力的晋升，實現與人的慎密协作，晋升制造體系的智能化， 知足新工業革命對個性化制造模式的请求，其焦點技能線路圖如表 1 所示。

3. 特種呆板人技能

成长具备自立常識產权的海洋探測技能，研發面向資本勘察、捕捞救濟、情况监測等需求的系列化海洋设备，鞭策财產化過程，供给我國在深遠海國際竞争中的技能支持與能力保障；研發國防扶植急需的無人化呆板人设备，包含面向海陸空单一情况和多栖情况的無人侦察及作战呆板人體系、加强单兵能力的助力呆板人、智能光電體系等；研發面向极地科考、核電站巡檢、空間科學實行等需求的特種呆板人體系，其焦點技能線路圖如表 2 所示。

4. 办事呆板人技能

钻研開辟可在特定情况下（如家庭、蘆洲抽水肥,病院、宾馆等）為非專業职員供给办事的智能呆板人技能。针對醫療办事呆板人，為了丰硕傳统醫療病愈手腕、晋升醫療病愈程度，钻研高工致度的操作手臂、基于醫學影象指导的手術操作體系、基于傳感器的康健数据主動收集體系、定量診断和评估體系、呆板人举動的平安保障桑葚乾,體系，研制專科型手術呆板人、病愈呆板人、穿着式智能假肢呆板人體系、特别需求人群的個性化照顾护士呆板人、人體腔道参與呆板人等，其焦點技能線路圖如圖 4 所示。

别的，與呆板人相干的技能培训、根本教诲等相干內容也是将来呆板人技能成长的首要內容。

1. 共融呆板人技能

近几年来，跟着世界發财國度纷繁将呆板人作為國度規划举行了過细的梳理和计划， 對付智能呆板人技能成长趋向的阐發與展望在全球获得了强烈热闹會商。美國于 2011年启動的先辈制造火伴規划（the Advanced Manufacturing Partnership，AMP）中明白指出：“下一代呆板人将與人類操作者合作無懈，為财產工人、康健办事者、兵士、手術大夫和宇航員等完成繁杂使命供给新的能力”，這是迄今為止國度级規划中對下一代呆板人功效內在的最清楚描写。欧盟在第七框架規划（2007 — 2013）中归纳出下一代呆板人的焦點特性：平安、自立的“人—呆板人—物理世界”的交互，并给出了其所包括的 7 方面共性關頭技能。在 2013 年 4 月德國推出的工業 4.0 規划中也明白指出，智能工场、智能出產是第四次工業革命的主题；而這類“智能”的物理實體就是呆板人，經由過程智能呆板人、呆板装备和人之間的互相互助，提高出產進程的智能性。

除上述國度级的计划，作為傳统工業呆板人的利用大户、也是利用期最长的用户， 美國通用汽車公司（GM）给出了下一代呆板人的成长指望。GM 明白指出，下一代制造業的使能技能是具备人的能力的呆板人。

2008 年起，中國科學院起頭组织全院气力论證新一代呆板人技能的成长標的目的，颠末五年的调研、會商與总结，提出将来的新一代智能呆板人體系應當從更多方面仿照人，特别是，呆板人與人之間應當更多地表示出一種调和共存、上風互补的互助火伴瓜葛，即與人共融是新一代呆板人體系的最本色特性。2016 年，國度天然科學基金委公布了“共融呆板人根本理论與關頭技能钻研”重大钻研規划，旨在鞭策相干范畴的根本@钻%9R56l%研和利%8kbo8%用@钻研。

5、竣事语

信息技能的快速成长，促使工業呆板人必需提高活動能力和快速编程能力，實現快速高精度的三點定位；人工智能和互联網技能的成长，為呆板人供给壮大的“後脑”，促成其智能程度的提高；質料科學的成长，使呆板人利用人造肌肉成為可能，制成所谓“软件呆板人”，带来呆板人范畴的革命；與脑科學的連系，可使呆板人的一些举動直接管控于人；與生命科學的連系，将發生類生命呆板人。跟着人工智能、大数据和呆板進修等技能的出現，可以或许與功课情况、人和其他呆板人天然交互、自立顺應繁杂動態情况并协同功课的呆板人，即共融呆板人的觀點被提出。将来，智能呆板人势必朝着共融呆板人的標的目的成长，能與人互助的呆板人将是抱负的功课设备，而與人共融的水平，将是呆板人成长的一個首要坐標。

在智能呆板人蓬勃成长的同時，咱们應针對當前智能呆板人成长近况與趋向，阐發呆板人技能與利用遠景，明白呆板人根本范畴将来成长需求與面對的關頭技能挑战，追求解决這些技能挑战所必要的技能路径與手腕；横向比拟外洋的相干成长计谋，連系我國社會成长近况，制订合适我國國情的智能呆板人成长線路圖，為後续智能呆板人钻研供给體系、明白的成长方针，為相干科技政策的制订供给政策建议，為相干項目標结構和计划供给根据。

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