智能机器人感知与控制技术应用及发展

  人类社会已进入信息化时代，机器人在信息化时代发挥着及其重要的作用。回顾机器人的发展历史，最早可以追溯到中国东汉时期的指南车。1978年工业机器人就已大范围的应用于电子和汽车生产线，这也是工业机器人产业应用的开始。

  近几年，机器人在各大领域发挥着及其重要的作用，成为高端装备、人机一体化智能系统的核心重要工具。同时，机器人在重大基础设施建设和运维方面也发挥着无法替代的重要作用。

  为什么要发展机器人？近年来，制造业面临转变发展方式与经济转型，人类社会老龄化趋势加深，在劳动力短缺和制造业转变发展方式与经济转型的双重压力下，机器人的应用需求愈发迫切。

  近几年，世界各国对于发展机器人很看重，纷纷出台机器人战略规划，其中又以美国、德国、中国、日本等国推动机器人发展最为迅速。

  美国发布国家机器人计划，发展多机器人协作等技术，包括人机协同，期望将协作机器人无缝集成到人类社会；德国是工业制造大国，希望能够通过全力发展智能工厂、智能生产和智能物流机器人，提升德国工业竞争力；日本是机器人发展很成熟的国家，提出最多的就是发展服务机器人和医疗机器人；欧盟对农业发展很看重，提出通过机器人推动农业发展；中国围绕机器人技术发展也出台了一系列政策，希望能够通过机器人推动制造业转变发展方式与经济转型。机器人是最有活力、最有潜力的产业，也是未来推动数字化的经济发展的引擎。

  简单定义机器人，其就是一种机械自动化装置，具有感知、规划、决策、控制等功能，能帮助或替代人类完成部分工作。机器人按用途分类，可分为工业机器人、农业机器人、医疗机器人等；按结构划分，包括仿人机器人、模块化机器人、串联机器人、并联机器人等；从空间角度划分，分为面向地面的、空中的、水下的机器人等。

  不管机器人如何复杂，有四个核心关键技术要掌握：机器人的本体机构、感知系统、决策规划调度系统和执行系统。所以，机器人是一个典型的闭环反馈自动化控制管理系统。机器人技术涵盖多学科领域，涉及人工智能、机械工程、控制论、计算机、电子、材料等多学科交叉融合。

  通过工业机器人、飞行机器人、移动机器人、医疗机器人、海洋机器人、空间机器人等平台载体，机器人已大范围的应用于多个领域，其中最有活力的就是人机一体化智能系统、智能物流和精准农业等。此外，在特殊行业如抢险救灾中，机器人也发挥了及其重要的作用。新冠肺炎疫情期间就涌现出一大批防疫机器人，它们的出现降低了医务人员的工作强度，减少了交叉感染风险，起到了重要作用。

  2019年，发表于Science Robotic的文章指出，近几年全世界机器人的发展面临十大挑战，其中智能机器人、新材料、仿生、机器人的能源动力、脑机接口、医疗机器人、机器人的伦理和安全都是未来机器人发展和挑战的方向，这在某种程度上预示着未来机器人一定会朝着更强的自主性、更好的自主学习能力及多机协作的方向发展。

  研制一整的机器人需要开发五大功能模块感知能力、运动能力、规划能力、学习能力和决策控制能力。机器人是一个闭环反馈的自动化控制管理系统，其中三个关键核心技术起到支撑作用环境感知、规划决策和协同控制。

  第一个是机器人感知技术。机器人视觉感知系统的重点在于视觉传感器和成像系统研制、视觉信息处理、视觉的硬件和软件嵌入式系统、感知软硬件测试与评估四个方面。通过打造高速高精的视觉传感器，可以给机器人配上一双明亮的“眼睛”。在感知方面，近几年研究较多的是自适应光学成像，可实现高实时、高可靠、高性能的视觉感知；高分辨率视觉感知，可实现复杂场景中的微小物体清晰成像；三维视觉识别定位，能解决高端制造异形无序工件的识别定位与引导抓取作业。

  第二个是机器人控制技术。机器人感知环境信息后，需要依托感知到的环境信息控制机器人的操作。目前机器人的控制管理系统发展非常迅速，大致分为柔顺控制、视觉伺服控制、学习智能控制以及多机协同控制四个方面。

  对于学习控制，机器人的学习过程十分漫长，通过不断学习可以让机器人拥有感知决策的能力，而控制器可以通过硬件固化，在机器人大脑实现关节控制与系统控制。近几年发展非常迅速的强化学习控制器就是典型代表。比如，加工一个大型复杂构件、完成一个医疗手术，需要的是深度迭代的运动控制学习，通过设计好的反馈控制不断迭代、不断训练，让机器人能完成复杂的作业。又如，在一个很复杂且杂乱无序的零部件场景中，怎样有效抓取、有效识别、有效装配，这需要将视觉感知、视觉伺服和精准控制三个方面的工作有机结合起来，真正形成一个基于三维深度学习感知的学习控制器。

  第三个是多机器人协同控制，主要解决三个关键性的核心问题：多传感器信息融合、协同感知、协同规划和控制。解决好这三个关键技术，就能够加工一个大型复杂部件。在多机系统控制中，网络控制也很重要，网络一旦遭受攻击该怎样解决？首先是发现网络攻击，剔除攻击网络的病毒，最后是重组，这些就是分布式弹性控制要解决的问题。

  基于上述控制外，机器人还有一个最核心的末端执行机构，要让机器人精准的操作、精准的完成任务、精准的手术，还需要研制精准灵巧控制，这里涵盖了光机电一体化控制。

  此外，机器人集成创新技术很重要，可以归结为机器人的第五大技术，这五大技术可大范围的应用到不同的领域和需求。

  例如，我们团队近年来基于这五大技术做成了几个典型应用场景：研制了高速饮料自动化生产线智能检测分拣机器人，实现了饮料行业关键岗位换人；研制的医药和疫苗制造机器人做到了高速无菌化、无人化生产，并与工业互联网络配合推动了高端疫苗的生产自动化；通过视觉引导技术研制出了轮胎装配机器人，应用于汽车制造自动化生产线；研制的机器人机械加工、激光焊接控制管理系统，可完成超大型构件的焊接与加工。

  除了工业领域，我们团队还面向特种重大工程应用，研发了一系列特种服务机器人。2008年南方冰灾期间，我们研发了一系列电力作业机器人，应用于国家电网等30余家企业，使其发展成为了一个产业。2020年初研发了一系列防疫机器人，已推广应用于各大医院。

  最初的机器人最重要的包含控制器、减速器、伺服器，加上完备的人机界面，就是自动化的机器人1.0时代。

  在机器人2.0时代，机器人进入数字化阶段，加入了视觉感知、轨迹规划、示教引导等。现在学术界、工业界以及产业界需要的是智能服务机器人，即向机器人3.0也就是协作机器人发展，让机器人具备认知学习、人机交互、语义分析等更多功能。

  将来，机器人4.0还要具备更强的自主能力，这就需要更加多的技术突破。机器人的发展过程是技术不断迭代的过程，由此让机器人变得更聪明、更加有效、更加可靠，从而能够为人类带来更好的服务。

  人工智能技术决定了未来机器人的发展，例如联想记忆技术、环境感知技术、行动规划、机器深度学习等。未来需开发具有智能化、自主化、网络化的类脑控制管理系统，提高机器人的智能化。

  未来的机器人要像人类一样能够看懂说明书，进行自动装配。要完成这项任务，机器人一定要通过视觉传感器感知并分析判断理解说明书的内容。从感知智能到认知智能再到行为智能的转变，这些都需要人工智能技术的赋能。同样，未来智能工厂的发展趋势也体现了人工智能的作用，如网络化协同制造需要完成小批量、定制化、多品种、柔性化智能化生产，这需要更加智能的机器人。

  未来，机器人也将大范围的应用于军事领域，例如无人战车、无人驾驶飞机、无人潜航器等无人作战系统。这就需要研发面向陆海空天自主无人系统的协同感控算法与类脑芯片、自主集互系统和无人集群协同作战智能算法，这些都需要人工智能技术赋能无人系统。

  未来机器人将朝着网络化、自主化、协同化、灵巧化、智能化方向发展。而要想推动机器人产业的发展，一定要研究制定好机器人的发展的策略和规划，建立一个良好的协同创新环境，制定好机器人下一代研发的技术标准，最为关键的是要培养一大批创新人才。■