為什么要發展機器人？
人類社會已進入信息化時代，機器人在信息化時代發揮著重要作用。回顧機器人的發展歷程，最早可以追溯到中國東漢時期的指南車。1978年工業機器人就已廣泛應用于電子和汽車生產線，這也是工業機器人產業應用的開始。
近幾年，機器人在各大領域發揮著重要作用，成為高端裝備、智能制造的核心重要工具。同時，機器人在重大基礎設施建設和運維方面也發揮著不可替代的重要作用。
為什么要發展機器人？近年來，制造業面臨轉型升級，人類社會老齡化趨勢加深，在勞動力短缺和制造業轉型升級的雙重壓力下，機器人的應用需求愈發迫切。
近幾年，世界各國對于發展機器人非常重視，紛紛出臺機器人戰略規劃，其中又以美國、德國、中國、日本等國推動機器人發展最為迅速。
美國發布國家機器人計劃，發展多機器人協作等技術，包括人機協同，期望將協作機器人無縫集成到人類社會；德國是工業制造大國，希望通過大力發展智能工廠、智能生產和智能物流機器人，提升德國工業競爭力；日本是機器人發展比較成熟的國家，提出最多的就是發展服務機器人和醫療機器人；歐盟對農業發展非常重視，提出通過機器人推動農業發展；中國圍繞機器人技術發展也出臺了一系列政策，希望通過機器人推動制造業轉型升級。機器人是最有活力、最有潛力的產業，也是未來推動數字經濟發展的引擎。
簡單定義機器人，其就是一種機械自動化裝置，具有感知、規劃、決策、控制等功能，能夠協助或替代人類完成部分工作。機器人按用途分類，可分為工業機器人、農業機器人、醫療機器人等；按結構劃分，包括仿人機器人、模塊化機器人、串聯機器人、并聯機器人等；從空間角度劃分，分為面向地面的、空中的、水下的機器人等。
不管機器人如何復雜，有四個核心關鍵技術需要掌握：機器人的本體機構、感知系統、決策規劃調度系統以及執行系統。所以，機器人是一個典型的閉環反饋自動化控制系統。機器人技術涵蓋多學科領域，涉及人工智能、機械工程、控制論、計算機、電子、材料等多學科交叉融合。
通過工業機器人、飛行機器人、移動機器人、醫療機器人、海洋機器人、空間機器人等平臺載體，機器人已廣泛應用于多個領域，其中最有活力的就是智能制造、智能物流和精準農業等。此外，在特殊行業如搶險救災中，機器人也發揮了重要作用。新冠肺炎疫情期間就涌現出一大批防疫機器人，它們的出現降低了醫務人員的工作強度，減少了交叉感染風險，起到了重要作用。
2019年，發表于Science Robotic的文章指出，近幾年全世界機器人的發展面臨十大挑戰，其中智能機器人、新材料、仿生、機器人的能源動力、腦機接口、醫療機器人、機器人的倫理和安全都是未來機器人發展和挑戰的方向，這意味著未來機器人一定會朝著更強的自主性、更好的自主學習能力以及多機協作的方向發展。
智能機器人感知與控制關鍵技術
研制一臺完整的機器人需要開發五大功能模塊——感知能力、運動能力、規劃能力、學習能力和決策控制能力。機器人是一個閉環反饋的自動化控制系統，其中三個關鍵核心技術起到支撐作用——環境感知、規劃決策和協同控制。
第一個是機器人感知技術。機器人視覺感知系統的重點在于視覺傳感器和成像系統研制、視覺信息處理、視覺的硬件和軟件嵌入式系統、感知軟硬件測試與評估四個方面。通過打造高速高精的視覺傳感器，可以給機器人配上一雙明亮的“眼睛”。在感知方面，近幾年研究較多的是自適應光學成像，可實現高實時、高可靠、高性能的視覺感知；高分辨率視覺感知，可實現復雜場景中的微小物體清晰成像；三維視覺識別定位，能解決高端制造異形無序工件的識別定位與引導抓取作業。
第二個是機器人控制技術。機器人感知環境信息后，需要依托感知到的環境信息控制機器人的操作。目前機器人的控制系統發展非常迅速，大致分為柔順控制、視覺伺服控制、學習智能控制以及多機協同控制四個方面。
對于學習控制，機器人的學習過程十分漫長，通過不斷學習可以讓機器人擁有感知決策的能力，而控制器可以通過硬件固化，在機器人大腦實現關節控制與系統控制。近幾年發展非常迅速的強化學習控制器就是典型代表。比如，加工一個大型復雜構件、完成一個醫療手術，需要的是深度迭代的運動控制學習，通過設計好的反饋控制不斷迭代、不斷訓練，讓機器人能夠完成復雜的作業。又如，在一個非常復雜且雜亂無序的零部件場景中，怎樣有效抓取、有效識別、有效裝配，這需要將視覺感知、視覺伺服和精準控制三個方面的工作有機結合起來，真正形成一個基于三維深度學習感知的學習控制器。
第三個是多機器人協同控制，主要解決三個關鍵性的核心問題：多傳感器信息融合、協同感知、協同規劃和控制。解決好這三個關鍵技術，就能夠加工一個大型復雜部件。在多機系統控制中，網絡控制也非常重要，網絡一旦遭受攻擊該怎樣解決？首先是發現網絡攻擊，剔除攻擊網絡的病毒，最后是重組，這些就是分布式彈性控制需要解決的問題。
基于上述控制外，機器人還有一個最核心的末端執行機構，要讓機器人精準的操作、精準的完成任務、精準的手術，還需要研制精準靈巧控制，這里涵蓋了光機電一體化控制。
此外，機器人集成創新技術非常重要，可以歸結為機器人的第五大技術，這五大技術可廣泛應用到不同的領域和需求。
例如，我們團隊近年來基于這五大技術做成了幾個典型應用場景：研制了高速飲料自動化生產線智能檢測分揀機器人，實現了飲料行業關鍵崗位換人；研制的醫藥和疫苗制造機器人做到了高速無菌化、無人化生產，并與工業互聯網絡配合推動了高端疫苗的生產自動化；通過視覺引導技術研制出了輪胎裝配機器人，應用于汽車制造自動化生產線；研制的機器人機械加工、激光焊接控制系統，可完成超大型構件的焊接與加工。
除了工業領域，我們團隊還面向特種重大工程應用，研發了一系列特種服務機器人。2008年南方冰災期間，我們研發了一系列電力作業機器人，應用于國家電網等30余家企業，使其發展成為了一個產業。2020年初研發了一系列防疫機器人，已推廣應用于各大醫院。
智能機器人的未來
最初的機器人主要包括控制器、減速器、伺服器，加上完備的人機界面，就是自動化的機器人1.0時代。
在機器人2.0時代，機器人進入數字化階段，加入了視覺感知、軌跡規劃、示教引導等。現在學術界、工業界以及產業界需要的是智能服務機器人，即向機器人3.0也就是協作機器人發展，讓機器人具備認知學習、人機交互、語義分析等更多功能。
將來，機器人4.0還要具備更強的自主能力，這就需要更多的技術突破。機器人的發展過程是技術不斷迭代的過程，由此讓機器人變得更加聰明、更加有效、更加可靠，從而能夠為人類帶來更好的服務。
人工智能技術決定了未來機器人的發展，例如聯想記憶技術、環境感知技術、行動規劃、機器深度學習等。未來需開發具有智能化、自主化、網絡化的類腦控制系統，提高機器人的智能化。
未來的機器人要像人類一樣能夠看懂說明書，進行自動裝配。要完成這項任務，機器人需要通過視覺傳感器感知并分析判斷理解說明書的內容。從感知智能到認知智能再到行為智能的轉變，這些都需要人工智能技術的賦能。同樣，未來智能工廠的發展方向也體現了人工智能的作用，如網絡化協同制造需要完成小批量、定制化、多品種、柔性化智能化生產，這需要更加智能的機器人。
未來，機器人也將廣泛應用于軍事領域，例如無人戰車、無人駕駛飛機、無人潛航器等無人作戰系統。這就需要研發面向陸海空天自主無人系統的協同感控算法與類腦芯片、自主集群交互系統以及無人集群協同作戰智能算法，這些都需要人工智能技術賦能無人系統。
未來機器人將朝著網絡化、自主化、協同化、靈巧化、智能化方向發展。而要想推動機器人產業的發展，一定要研究制定好機器人的發展戰略和規劃，建立一個良好的協同創新環境，制定好機器人下一代研發的技術標準，最為關鍵的是要培養一大批創新人才。■
（作者系中國工程院院士，記者高雅麗整理）