机器人技术及产业发展拥抱新机遇

张江科技评论  发布于:2023年5月19日 09:46

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机器人虽然已经迎来新的纪元和发展期盼,但仍然需要冷静的战略规划和稳定的战术发展路线。

文 / 袁建军
上海大学教授、博士生导师,IEEE高级会员,上海机器人研究所常务副所长,上海机器人产业技术研究院副院长。《张江科技评论》特约主编。

机器人是制造业皇冠顶端的明珠。我国对机器人及其直接相关领域的科技和产业发展支持已经持续了数十个年头。如今,无论是《“十四五”机器人产业发展规划》,还是《“机器人+”应用行动实施方案》,国家宏观指导政策的频繁公布说明了国家对机器人科技及产业发展的高度关切,并释放强烈的加速信息。随着科技创新、人才迭代、国际竞争合作、资本助力、市场应用活跃度增加等不同维度的沸腾,我国的机器人发展必将以更高、更快的步伐迈进新时代。然而,机器人也面临技术解决方案与刚性应用需求的匹配程度不足、可靠性有待验证、量化应用能力差、售后服务模式尚不健全等多重挑战,只有冷静地观察、思考,才能够较为全面地读懂机器人,从而作出正确的判断。

#1

  如何“看透”机器人

何谓机器“人”

按照人类的意图,机器人被人类设计制造,按照预先编制的逻辑,执行相应动作或实现相应目的,始终服务于人类。无论自动与否、智能与否,机器人还不能完全无视这个初衷和框架。类似科幻电影等出现的超越或凌驾人类的机器人,在今后数十年都不会也不应出现。

机器“人”与人,可以说是千差万别。前者本意是“强制劳动”,带有“奴役”“驱使”的意味。英文的“robot”被翻译为机器人之后,被赋予了很多美好的想象。因此,当一个长得完全不像人的机器人出现在眼前时,很多人都会觉得有些别扭,而希望人形机器人是机器“人”的终极版本。

机器人是多学科技术交叉融合与

多领域场景应用的高维结合体

机器人具有机械、材料、电子、计算机、控制、人工智能等多学科交叉融合的技术属性,代替人工从事具有重复枯燥、强度大、环境恶劣等特征的自动化工作,在工业、农业、服务业等各行各业中都因有刚性需求而具有旺盛的生命力,是无所不在的多领域市场“宠儿”。

机器人从事各行各业的具体任务,必须对该任务的“工艺流程”有深刻的理解才能够胜任。例如,在焊接、喷涂等场景中仍然存在若干高难度作业环节依赖人工,这说明了这些关键工艺技术还无法被机器人学习和掌握。

从多学科技术交叉融合到多领域场景应用,对机器人的从业人员提出了非常高的需求。既懂技术又懂工艺的复合型人才备受追捧,甚至对市场、成本等都有涉猎的高端人才,通常是处于“千军易得,一将难求”的境地。

机器人是“工具”

绝大多数机器人应用于各行各业中的角色,是在相关生产过程中继续制造新产品、创造新生产价值或新经营(消费)模式的重要工具。目前,只有部分机器人(如家用扫地机等)是作为消费品的角色出现的。这是机器人不同于其他消费类产品(如汽车、白色家电等)的主要区别之一。

工具的其他主要特征是可靠耐用。高可靠性、高精度、高耐久性都成为市场端对机器人的诉求。即使在工业领域,也只有主流的工业机械臂和自动导向车(AGV)等较为普遍地接受了这些考验。更多的机器人,由于上市时间短、加工制造环节一致性低、敏感零部件多等原因,都还不能完全胜任“工具”的角色。

机器人的“账”该如何算

“工具”能创造价值,同时也要接受市场端对该“工具”原值的评估。由于研发成本过高、量化应用还没有达到应有的数量级等原因,机器人的售价和机器人能创造的价值经常无法匹配。这也严重影响了机器人的迅速普及。在工业领域,通常以“机器换人”的概念来测算投资回报,如机器人售价和所替代的人工工资之间的倍数关系,这往往决定了订单能否成交。因此,全面提升性价比是机器人作为“工具”胜出的充分必要条件。

此外,有必要改变机器人作为工具的属性,使之成为消费品。机器人全面进入商业、服务业是机器人广泛普及的重要标志。例如,在购买轿车用于个人家庭消费等场景中,消费类产品基本不存在“投资回报率”的概念,取而代之的是广泛存在的价格天花板概念。因此,全面降低价格是机器人作为消费品出现的重要因素之一。

上述观点都要求机器人降低售价,但不是选择廉价。当销量足够大,低价就可以成立,品质、性能也都可以同时获得保证。在获得足够销量之前,如何进行战略规划和战术布局就显得至关重要了。


#2

机器人技术的

  主要特征和发展趋势

机器人技术可以分为移动、操作、交互三大技术集群。“移动”是指把物体(包括自身)从某一位置转移到另一位置的技术;“操作”是指通过外力改变物体(包括自身)的状态、属性的技术;“交互”是指与外界(包括人、环境、物)的感知、认知、交流的技术。三者相互独立又相互促进。从机器人的产品形态或应用领域来看,它们往往都集成了三大技术的部分或全部。

移动

生产线或流水线中物体的移动、被机械臂抓取的物体的移动、移动机器人的移动(如轮式移动机器人、履带式移动机器人、四足等足式机器人、人形机器人等)、空天及水域等范围内的移动,都具有共性技术问题需要探讨,如运动学、位姿变换、路径(轨迹)规划、加减速、动力学、碰撞及避让、稳定性及安全等。同时,移动也具有相对专有的技术问题需要解决,如导航定位、调度、节拍等。

物体在空间中的移动,从位姿变换到长距离转移,其技术本质追求的极致是稳定、高速、精确、安全。移动中涉及的主要量化参数(包括位移、速度、加速度等)都要求连续光滑过渡。伴随移动而存在的附属性技术包括:被移动物体的质量、体积等,分别向重载和微纳两个极致条件延伸;移动所使用的动力手段等,向新型动力源、新型传动方式等方向进行探索;移动所需要的检测和评价方法等,向大尺度和高精度标定校准技术、微环境建模定位技术等方向发展。

操作

对环境及物体的外力接触操作(包括准接触等),其动作形式上简单来说有冲击抓夹、收缩吸附(静电、真空、磁性等)、侵入(插、钩、刷等)、连续黏合(化学、张力、胶粘、热粘)等,作用方式则普遍表现为通过机械臂及各类末端执行器等改变环境及物体的相对状态和属性。从宏观到微观,诸如抓取理论、灵巧操作、动力源、操作运动能力提升及构型设计、传动方式、抓取规划、再抓取、视觉伺服、力控等多有研究和技术成果产出。

机器人执行操作的起源来自模仿人类的手臂操作动作,因此有机械臂和末端执行器等的结构形式。近年来,进一步受仿人或仿生的灵感激励,操作研究也逐渐超越单一机械臂以及末端单一操作,向协同作业、辅助支撑操作、全臂操作等多点(面)外力接触的方向重新探索。结合具体场景应用,如医疗手术、康复、可穿戴外骨骼、欠驱动灵巧手等,都多有技术和产品成果问世。此外,结合外界感知及交互,柔顺操作和柔软体操作等也逐渐进入主流技术发展方向,其目标自然是扩展可操作对象的范围,扩大操作应用空间。

交互

近年来,经常能听到人机交互、人机共融等术语和话题讨论。事实上,如同人类很早就开始通过眼、耳、口、鼻、手等智慧地探索环境和操作对象一样,机器人技术领域的交互从来不是新的概念。随着越来越多的新型传感器、大算力硬件、人工智能新算法等的发展,对周围的环境和人、对执行操作的物体和任务的感知、认知、交流变得越来越活跃。此外,交互也依赖机器人本体硬件的发展,彼此促进。

最近讨论非常活跃的ChatGPT就很好地诠释了人机交流。期待在不久的将来,它可以与机器人本体进行较好的结合,从而产生更多的“化学反应”。此外,高度智能的交互并不只是交流一个层面。通过多层次的高端传感器和智能算法去感知更多外界信息并获得融合,在更高维度做出认知判断,并且能够通过可执行的方式,赋能给高动态响应的机器人本体,才会获得具有里程碑意义的技术成果积累,才可以更好地服务于社会进步。

融合

无论是哪种物理外观特征的机器人,甚至是将来众望所归的人形机器人的高度发展,其技术更多的是向“移动”“操作”“交互”技术集群的相互融合方向发展,其本质符合从机械化向自动化、智能化的发展路径。因此,我们可以乐观地预测,今后的机器人技术发展一定向高能量密度、高技术集成度、高人工智能的方向彼此相辅相成地融合发展。


#3

  我国机器人技术及

产业发展现状

我国的机器人销量已经占全球销量的1/3,上海的机器人销量也占全国销量的1/3。上海集聚工业机器人国际四大家族(瑞士ABB、德国库卡、日本的发那科和安川电机),其中ABB机器人研发中心也设在上海。此外,上海还拥有新时达、中科新松、节卡、傲博、快仓、梅卡曼德、微创医疗等众多企业,以及工业机械臂、协作机器人、AGV、服务机器人、特种机器人等众多机器人技术产品。在工业机器人领域,我国经过几十年的奋起直追和努力发展,包括减速器、驱动器、控制器等在内的国产元器件研发与替换、本体机器人量产等,都取得了突出的成绩。在特种机器人及服务机器人领域,随着国家宏观政策和各地方政府资源的大力持续支持,我国取得了瞩目的成绩,很多细分赛道上出现了与国际并跑的局面。

以上海交通大学和上海大学等为龙头的机器人研究均已超过35年,是我国第一批机器人技术研发主力单位,持续承担国家及省部级重点研发项目,形成了多项国家科技奖项及技术成果。其中,工业机器人作业系统等关键技术的突破促进了工业机器人的国产量化应用,基于电流环的力控及人机协作算法成果促进了包括中科新松、节卡等企业的技术发展,机器人介入手术及灵巧操控等技术促成了上海市医疗康复机器人的强势引领地位。目前,上海已经成为我国名副其实的从技术研发到产业应用的机器人综合实力排名第一的城市。

近年来,我国的资本市场对机器人的技术和产业发展持续关注,并且热度在逐年升温。很多技术成果依靠资本的助力获得施展拳脚的机会,很多创业企业在资本的协助下获得了快速的发展,有些已经获得阶段性的成功。然而,早期技术成果或创业企业仍然难以获得资本在种子轮或天使轮的投资,更多的则依赖政府的资金支持。与此同时,某些资本或行业大鳄开始关注或参与机器人的技术和产业发展。然而,资本或行业大鳄的过早参与对科技创新并非好事,如果操作不当,会打消科技创业团队的积极性,甚至对科创环境整体产生一定的破坏。

#4

  机器人发展何去何从

上海虽然拥有众多的工业机器人企业,包揽国际四大家族,但这些外资企业的成绩并不能代表上海本土的主要贡献。上海经历过制造业的调整,缺少机器人从核心零部件到整机的制造生产基地,国内各类机器人龙头企业或与上海无缘,或只保留研发中心。

从全国层面观察,我们虽然弥补了一定的短板但是还没有形成精品,虽然拥有了一定的市场但是还没有成功的品牌。各类机器人研发机构、机器人产品公司、机器人用户都各自为战,虽然大家都各自在努力打拼,但仍缺乏系统组织。
机器人技术的发展经历了粗放式的从无到有,必然进入高端精准和精品研发阶段。虽然近年来机器人技术多有突破,但是在关键核心零部件(伺服电机、操作系统、核心芯片等)、研发设计软件、面向新兴应用的系统架构设计、核心算法、整机可靠性、测试及应用验证等众多方面均存在“卡脖子”的技术痛点。

机器人的发展,并非一朝一夕之功。从全球第一台商业款工业机器人问世以来,只过去40余年。机器人虽然已经迎来新的纪元和发展期盼,但仍然需要冷静的战略规划和稳定的战术发展路线。后面的路仍然需要一步一步地前行,国际竞争合作只会越来越激烈和活跃,这一定是一场旷日持久的硬仗。为此,我们应该保持优势强项引领地位,积极营造并扩大国内竞争合作平台,积极参与国际竞争合作,弥补关键短板,开源创新,用好科技创新的窗口期,做好机器人技术和产业发展的本职工作。




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