機(jī)器人技術(shù)在制造業(yè)中重要戰(zhàn)略意義

機(jī)器人技術(shù)對(duì)經(jīng)濟(jì)的推動(dòng)

上個(gè)世紀(jì)，美國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的基礎(chǔ)來(lái)源于以制造業(yè)為核心的工業(yè)化。制造業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)造了14%的GDP以及11%的就業(yè)崗位。由于美國(guó)70%的凈出口產(chǎn)品與制造業(yè)相關(guān)，因此制造業(yè)對(duì)美國(guó)經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展極為重要。在制造業(yè)中，機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)規(guī)模每年以8%的速度增長(zhǎng)。制造業(yè)是機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的核心部分，加上其所使用的儀器儀表、輔助自動(dòng)化設(shè)備，整個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)可達(dá)到200億美元的規(guī)模。

美國(guó)制造業(yè)在近30年內(nèi)發(fā)生了極大改變。雖然加拿大、中國(guó)、墨西哥以及日本制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)美國(guó)制造業(yè)產(chǎn)生了極大影響，但制造業(yè)在美國(guó)經(jīng)濟(jì)中仍占據(jù)重要地位。在過(guò)去的30年里，美國(guó)的人均勞動(dòng)生產(chǎn)率提高了100%以上，這在很大程度上要?dú)w因于技術(shù)上的創(chuàng)新及其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中的應(yīng)用。

但這種情況正在發(fā)生改變，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手正投資于制造業(yè)的基礎(chǔ)研究與教育，而美國(guó)政府投資于制造業(yè)研發(fā)上的資金在近30年里沒(méi)有絲毫的增長(zhǎng)，其全球所占份額已經(jīng)顯著下降，只有28%。其他國(guó)家也在使用與美國(guó)相同的技術(shù)，而其中一些國(guó)家還具有更為低廉的人力成本優(yōu)勢(shì)。因此，美國(guó)制造業(yè)正面臨越來(lái)越大的壓力。美國(guó)制造業(yè)產(chǎn)品的貿(mào)易差額以每10年500億美元的驚人速度下降。隨著人口老齡化，工人的數(shù)量也在迅速下降。機(jī)器人必須在人類(lèi)工人持續(xù)減少的情況下保持生產(chǎn)率的持續(xù)增長(zhǎng)。機(jī)器人技術(shù)及自動(dòng)化技術(shù)的巨大進(jìn)步對(duì)依賴嵌入式計(jì)算機(jī)、先進(jìn)傳感器、微電子技術(shù)以及微納米級(jí)組件的新一代高價(jià)值產(chǎn)品來(lái)說(shuō)更加重要，所以，依賴于工人的勞動(dòng)密集型制造業(yè)不再是可行的選擇。

與美國(guó)不同的是，中國(guó)、韓國(guó)、日本以及印度在高等教育和研發(fā)上的投資更大，并且中國(guó)與印度在系統(tǒng)性地召回在美國(guó)進(jìn)行深造的科學(xué)家和工程師。韓國(guó)將機(jī)器人技術(shù)研究與教育作為其“21世紀(jì)前沿計(jì)劃”的一部分且在2002年-2012年這10年里，每年都在該領(lǐng)域投入1億美元。在“地平線2020計(jì)劃”中，歐盟將在制造業(yè)與機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域投入9億美元。與韓國(guó)和歐盟相比，日本的投入相對(duì)較小。在未來(lái)10年，日本將在仿人機(jī)器人技術(shù)、服務(wù)機(jī)器人技術(shù)以及智能環(huán)境領(lǐng)域投資3.5億美元。與上述投資相比，美國(guó)政府的投入是最小的。

同時(shí)，機(jī)器人技術(shù)在自動(dòng)化與物流領(lǐng)域獲得了非常重要的應(yīng)用。由于認(rèn)識(shí)到機(jī)器人技術(shù)的重要性，亞馬遜于2012年花費(fèi)7億美元建立的Kiva系統(tǒng)已成為倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化的最佳應(yīng)用實(shí)例。此外，由于亞洲的外包項(xiàng)目不再具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，蘋(píng)果和聯(lián)想都將其外包項(xiàng)目轉(zhuǎn)為內(nèi)包。2011年，特斯拉汽車(chē)公司在加利福尼亞開(kāi)設(shè)了自動(dòng)化程度極高的工廠，進(jìn)行替代燃料汽車(chē)的生產(chǎn)，使其所有的制造業(yè)部門(mén)都位于美國(guó)境內(nèi)。

制造業(yè)的增長(zhǎng)領(lǐng)域

美國(guó)聯(lián)邦商務(wù)部與競(jìng)爭(zhēng)力委員會(huì)分析了大量的公司數(shù)據(jù)以統(tǒng)計(jì)其綜合年增長(zhǎng)率。各主要工業(yè)部門(mén)分類(lèi)的數(shù)據(jù)如表1所示。

美國(guó)制造業(yè)目前的增長(zhǎng)領(lǐng)域包括物流、物料搬運(yùn)以及機(jī)器人技術(shù)。鑒于制造業(yè)的重要性，考慮如何利用機(jī)器人等技術(shù)增強(qiáng)美國(guó)制造業(yè)的實(shí)力勢(shì)在必行。

機(jī)器人技術(shù)的“消費(fèi)化”

許多先進(jìn)技術(shù)都已證明，一旦技術(shù)被引入廣闊的消費(fèi)市場(chǎng)，必定會(huì)引起創(chuàng)新的增加與成本的降低。最顯著的例子就是個(gè)人計(jì)算機(jī)與移動(dòng)通訊的出現(xiàn)，這兩種技術(shù)最初都是由于企業(yè)的需要而進(jìn)行研發(fā)的。一旦這些技術(shù)被引入消費(fèi)市場(chǎng)，企業(yè)投入的研發(fā)金額便成倍增加，引發(fā)技術(shù)的高速發(fā)展與成本的顯著降低。同時(shí)，也將促進(jìn)大量新興行業(yè)與公司的建立。目前，這些行業(yè)內(nèi)的公司貢獻(xiàn)了很大的GDP并且正主宰著美國(guó)股市。

表1 2004-2011年280家美國(guó)公司的綜合年增長(zhǎng)率

對(duì)機(jī)器人以及機(jī)器人相關(guān)技術(shù)市場(chǎng)的培育也會(huì)造成類(lèi)似影響。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就是微軟為家庭電腦游戲市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的Kinect接口。它在語(yǔ)音與手勢(shì)互動(dòng)方面具有優(yōu)勢(shì)，使其在數(shù)量眾多的商業(yè)應(yīng)用中極具賣(mài)點(diǎn)。機(jī)器人技術(shù)“消費(fèi)化”的另一個(gè)好處就是使工人對(duì)機(jī)器人更加熟悉。當(dāng)人們習(xí)慣于在生活中與機(jī)器人進(jìn)行互動(dòng)時(shí)，才能更加適應(yīng)與機(jī)器人一起工作而不會(huì)將其視作威脅。比如，iRobot公司生產(chǎn)的自動(dòng)真空吸塵器的用戶中，有三分之二為他們的吸塵器取了名字，并且有三分之一的消費(fèi)者承認(rèn)，他們會(huì)帶上吸塵器去拜訪朋友。

制造業(yè)的前景

今天的美國(guó)制造業(yè)就像是60年代的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，只是一個(gè)拼湊起來(lái)的解決方案，缺乏嚴(yán)格的方法論指導(dǎo)，無(wú)法進(jìn)行科學(xué)地創(chuàng)新。1970年，IBM公司的數(shù)學(xué)家Ted Codd發(fā)明了關(guān)聯(lián)代數(shù)——一個(gè)優(yōu)雅的數(shù)學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)模型。這項(xiàng)技術(shù)得到了美國(guó)政府的資助，并最終成長(zhǎng)為如今140億美元的數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)業(yè)。如果能夠發(fā)展出類(lèi)似的模型，制造業(yè)將極大地受益。就像將兩個(gè)數(shù)字相加的方法并不依賴于你所使用的鉛筆一樣，制造業(yè)的抽象模型也與產(chǎn)品是被單獨(dú)地制造出來(lái)還是由生產(chǎn)線組裝生產(chǎn)完全無(wú)關(guān)。

由阿蘭·圖靈于20世紀(jì)30年代發(fā)明的一個(gè)優(yōu)雅的抽象模型，確立了如今高科技產(chǎn)業(yè)的數(shù)學(xué)與科學(xué)基礎(chǔ)。與圖靈機(jī)相比，制造業(yè)的抽象模型也將為制造業(yè)帶來(lái)巨大回報(bào)。目前，計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息科學(xué)的發(fā)展將使物理制造過(guò)程模型化、使研究人員“將圖靈機(jī)帶進(jìn)制造業(yè)”成為可能。其最終的結(jié)果會(huì)像數(shù)據(jù)庫(kù)及計(jì)算機(jī)一樣，使美國(guó)制造業(yè)所生產(chǎn)的產(chǎn)品具有更高質(zhì)量、更好的可靠性，更低的成本，并可更快交付。

研究流程

美國(guó)制造業(yè)技術(shù)路線圖描述了制造業(yè)通過(guò)發(fā)展一系列機(jī)器人的基礎(chǔ)性技術(shù)使其關(guān)鍵能力得到發(fā)展的前景。每一項(xiàng)關(guān)鍵能力都由一個(gè)或多個(gè)在制造業(yè)中廣泛應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展而來(lái)（如圖1）。

圖1 路線圖流程：技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)成果影響制造業(yè)的關(guān)鍵能力

具有前景的研究方向

要實(shí)現(xiàn)上一段中描述并列舉的影響制造業(yè)的關(guān)鍵能力，需要圖1中左邊第一列所給出的一系列基礎(chǔ)技術(shù)的研發(fā)。上述技術(shù)將在下文中與具有前景的研究方向一起簡(jiǎn)單的描述。需要注意的是，一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)能夠?qū)Σ恢挂豁?xiàng)關(guān)鍵能力提供支持。比如，“感知”技術(shù)直接影響到“非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的作業(yè)”、“與人類(lèi)一同工作的內(nèi)稟安全機(jī)器人”、“自動(dòng)化導(dǎo)航”以及“類(lèi)人的靈巧操作技術(shù)”。

學(xué)習(xí)與適應(yīng)

在工廠內(nèi)使用機(jī)器人的最大障礙之一就是工作單元的工程成本高（比如設(shè)計(jì)、制造、安裝夾具、固定件、輸送帶、第三方傳感器以及軟件）。這些工程成本通常是主要機(jī)器人硬件成本的好幾倍。

使機(jī)器人通過(guò)人類(lèi)的演示進(jìn)行學(xué)習(xí)是指，人類(lèi)工人在非工程環(huán)境下對(duì)工作任務(wù)進(jìn)行多次演示，而機(jī)器人則進(jìn)行觀察。隨后，機(jī)器人會(huì)模仿人類(lèi)所執(zhí)行的任務(wù)，并將其工作結(jié)果與人類(lèi)的工作結(jié)果進(jìn)行對(duì)比尋找差異。人類(lèi)也可以通過(guò)監(jiān)視機(jī)器人的行為，對(duì)參數(shù)化的任務(wù)描述進(jìn)行比較，然后調(diào)整參數(shù)以優(yōu)化機(jī)器人的行為。機(jī)器人系統(tǒng)也可通過(guò)“迭代學(xué)習(xí)”技術(shù)在工作完成的速度與可靠性上超過(guò)為它們演示的人類(lèi)。

建模、分析、仿真與控制

建模、分析、仿真與控制對(duì)了解復(fù)雜系統(tǒng)，如制造系統(tǒng)至關(guān)重要。未來(lái)的制造系統(tǒng)需要將具有各種聯(lián)系的系統(tǒng)與組件的模型、閉環(huán)鏈條、具有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)以及相關(guān)的微納米尺度部件組合在一起。利用上述部件對(duì)制造系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，模型與仿真技術(shù)需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證、與研究結(jié)合并且對(duì)其優(yōu)化。在經(jīng)過(guò)改進(jìn)的模型、仿真技術(shù)以及性能更加強(qiáng)勁計(jì)算能力的幫助下，可對(duì)原材料、產(chǎn)品部件以及組裝與測(cè)試等制造系統(tǒng)的各方面進(jìn)行仿真。

形式方法

在某些領(lǐng)域中，數(shù)學(xué)模型以及邏輯工具已經(jīng)被用于指導(dǎo)軟件與硬件系統(tǒng)的研發(fā)、驗(yàn)證以及規(guī)范制定。由于形式方法應(yīng)用的高成本，大多被用于那些系統(tǒng)完整性極為重要的制造業(yè)領(lǐng)域，如航天器與商用飛機(jī)的制造等。然而，成本并非是阻礙形式方法從普通應(yīng)用轉(zhuǎn)向制造業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)（以及其他一些工程系統(tǒng)）的唯一阻礙。很少使用形式方法的原因還由于制造業(yè)系統(tǒng)本身的表征框架的限制所造成，比如零件的裝配可被視為具有很多連續(xù)變量且具有分離非線性不等式約束的混合系統(tǒng)。

控制與規(guī)劃

未來(lái)的機(jī)器人需要更加先進(jìn)的控制與規(guī)劃算法以處理具有更大不確定性、更大的容忍度以及更多自由度的系統(tǒng)。機(jī)器人手臂將配有可移動(dòng)底座且具備執(zhí)行精密操作的能力。這些機(jī)器人可能具有總共12個(gè)自由度。另一個(gè)極端則是擬人化的仿真機(jī)器人，可能具有60個(gè)左右的自由度。融合來(lái)自于拓?fù)鋵W(xué)的新技術(shù)以及目前使用的基于采樣的新型規(guī)劃技術(shù)，從而能夠有效地對(duì)高維空間進(jìn)行搜索。

感知技術(shù)

未來(lái)工廠中的機(jī)器人，需要具有更加先進(jìn)的感知系統(tǒng)來(lái)對(duì)自己正在進(jìn)行的任務(wù)進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)自己周?chē)沫h(huán)境進(jìn)行感知。不止是任務(wù)監(jiān)控，機(jī)器人還要能夠?qū)崟r(shí)對(duì)零件進(jìn)行檢查，以避免在不合規(guī)的產(chǎn)品上浪費(fèi)時(shí)間與金錢(qián)。機(jī)器人還要能夠?qū)θ祟?lèi)工人的心理與生理狀況進(jìn)行評(píng)估，因?yàn)榇祟?lèi)信息對(duì)保持最大的生產(chǎn)力至關(guān)重要。要達(dá)到上述要求，需要更好的觸覺(jué)和力學(xué)傳感器以及更好的圖像理解算法。其中最為重要的挑戰(zhàn)包括非植入性的生物辨識(shí)傳感器以及可用的人類(lèi)行為與心理模型。

機(jī)器人必須能夠通過(guò)高精度的傳感器與動(dòng)作控制減少不確定性。傳感器必須能夠?qū)ρb配任務(wù)中需要的幾何與物理模型進(jìn)行構(gòu)建并能追蹤任務(wù)的進(jìn)度。如果是人類(lèi)工人從事此項(xiàng)工作，那外部生物傳感器還必須對(duì)人類(lèi)工人的狀態(tài)進(jìn)行確定。之前依賴于昂貴工具的抓取動(dòng)作與組裝策略，會(huì)由于不確定的消除而被重新設(shè)計(jì)。

新機(jī)械結(jié)構(gòu)與高性能執(zhí)行器

改進(jìn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與執(zhí)行器，將會(huì)推動(dòng)機(jī)器人性能的提高。在執(zhí)行器的發(fā)展歷史上科學(xué)家往往聚焦于其力學(xué)性能指標(biāo)，如精確性、重復(fù)性及分辨率。隨著機(jī)器人技術(shù)在微納尺度零件制造，敏感環(huán)境中作業(yè)（如全身核磁共振掃描器）以及與人類(lèi)共事等新領(lǐng)域的應(yīng)用，執(zhí)行器與機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)（包括材料的選擇）都需要重新進(jìn)行考慮。機(jī)器人技術(shù)在人機(jī)共事上的應(yīng)用，會(huì)極大推動(dòng)安全驅(qū)動(dòng)方面的基礎(chǔ)研究。新的機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)推動(dòng)包括外骨骼、智能義肢以及其他器件的研發(fā)與使用。上述系統(tǒng)需要高推重比、低排放（包括噪音與電磁）的執(zhí)行器，以及人機(jī)間的自然接口。

人機(jī)交互

在制造業(yè)中，人機(jī)交互中最重要的因素是安全。在具有安全保障之后，工程師才可考慮降低成本和提升效率的方法。如果人機(jī)共事與單純的人類(lèi)工作或單純的機(jī)器人工作相比效益更高，那么人機(jī)共事的工作策略就會(huì)被采納并細(xì)化。

在最終用戶的心目中，機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造及測(cè)試，將會(huì)帶來(lái)更加安全、更低成本、更高效率及更高生產(chǎn)力的人機(jī)互動(dòng)。簡(jiǎn)單說(shuō)，清晰的接口與可視化的行為將使與機(jī)器共事如同與人類(lèi)共事一樣直觀。在工作中，人類(lèi)與機(jī)器人都需要提供簡(jiǎn)單易懂的意圖指示（語(yǔ)言的或非語(yǔ)言的）。當(dāng)機(jī)器人與人類(lèi)共事時(shí)，機(jī)器人必須能夠識(shí)別人類(lèi)的活動(dòng)以保持任務(wù)的同步性。同樣，人類(lèi)必須能夠讀取與識(shí)別機(jī)器人的行為以解釋機(jī)器人對(duì)任務(wù)的理解（比如，一個(gè)機(jī)器人在正確的位置進(jìn)行了鉆孔，但鉆孔深度有誤，那么這就表明此項(xiàng)工作對(duì)機(jī)器人來(lái)說(shuō)并未得到清晰的描述）。最后，機(jī)器人必須非常易于訓(xùn)練。機(jī)器人系統(tǒng)中必須為初次使用、維護(hù)、學(xué)習(xí)以及錯(cuò)誤診斷與故障恢復(fù)建立學(xué)習(xí)幫助。

要達(dá)到上述要求，需要具有更大的帶寬與更高分辨率的傳感系統(tǒng)；還需要在機(jī)器人控制領(lǐng)域一直被忽略的由傳感系統(tǒng)捕捉到人類(lèi)工人的生物特征識(shí)別數(shù)據(jù)；在人機(jī)通信的設(shè)計(jì)中，還需要可選擇的自然語(yǔ)言、手勢(shì)、視覺(jué)以及觸覺(jué)等多種方式。

構(gòu)建與表達(dá)

新型的制造機(jī)器人必須具有足夠的智能，以有效地與人類(lèi)和其他機(jī)器人共享空間，并且能夠自我學(xué)習(xí)提高效率與經(jīng)驗(yàn)。要達(dá)到這一學(xué)習(xí)能力，機(jī)器人操作系統(tǒng)以及其后的建模與算法都必須進(jìn)行充分的表達(dá)及合理地構(gòu)建。機(jī)器人需要將各種操作技能與相關(guān)環(huán)境的物理特性進(jìn)行梳理，以將其納入對(duì)任務(wù)執(zhí)行影響的考慮。機(jī)器人系統(tǒng)需要高層級(jí)推理控制和持續(xù)低層級(jí)的感知與動(dòng)作循環(huán)。機(jī)器人將能夠在觀察人類(lèi)與其他機(jī)器人的過(guò)程中利用自身的靈活性與豐富的技能表達(dá)，對(duì)新技能進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。機(jī)器人將學(xué)會(huì)對(duì)環(huán)境中的不確定性進(jìn)行表達(dá)，并通過(guò)觀察任務(wù)執(zhí)行來(lái)改正錯(cuò)誤，還能夠基于錯(cuò)誤對(duì)自身技能進(jìn)行加強(qiáng)。

測(cè)量科學(xué)

大學(xué)實(shí)驗(yàn)室中所取得的研究成果，通常很難轉(zhuǎn)換為工業(yè)應(yīng)用。為了保證研究成果能夠在制造業(yè)領(lǐng)域中得到發(fā)展，需要廣泛地發(fā)展基礎(chǔ)測(cè)量科學(xué)用以對(duì)技術(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行評(píng)估與促進(jìn)。測(cè)量科學(xué)可以用來(lái)描述基礎(chǔ)技術(shù)的成熟程度，其中包括以下元素：基本計(jì)量方法、性能指標(biāo)、測(cè)試方法、參考用件與數(shù)據(jù)、參考體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)投入以及標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試基準(zhǔn)與測(cè)試平臺(tái)。這些元素可幫助研究者評(píng)估進(jìn)度、重復(fù)試驗(yàn)及驗(yàn)證新技術(shù)。在現(xiàn)實(shí)條件下對(duì)其預(yù)期性能進(jìn)行過(guò)預(yù)判的新技術(shù)，將會(huì)減少實(shí)施中的風(fēng)險(xiǎn)。

“云”機(jī)器人技術(shù)與制造業(yè)自動(dòng)化

2010年，“云機(jī)器人技術(shù)”的出現(xiàn)，將需求處理與數(shù)據(jù)管理轉(zhuǎn)移到了“云”端。這種模式被概括為：“沒(méi)有機(jī)器人是一座孤島”。這種想法受到了谷歌以及思科等大公司的關(guān)注。

“云機(jī)器人技術(shù)”的推廣需要：迅速擴(kuò)大并改進(jìn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、可用的大型快速需求（彈性）計(jì)算集群、用于收集與存儲(chǔ)共享數(shù)據(jù)的大型數(shù)據(jù)中心、“大數(shù)據(jù)”技術(shù)、具有無(wú)線射頻標(biāo)簽或內(nèi)部服務(wù)器的“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”、眾包、數(shù)據(jù)域代碼的開(kāi)源分享、定期備份、軟件升級(jí)與安全補(bǔ)丁。

谷歌的自動(dòng)駕駛汽車(chē)對(duì)一個(gè)龐大的地圖與圖像圖書(shū)館進(jìn)行索引，充分體現(xiàn)了“云機(jī)器人技術(shù)”的概念，即將“云”視為一個(gè)巨大且快速增長(zhǎng)的，用于大規(guī)模并行計(jì)算與實(shí)施海量數(shù)據(jù)共享的資源池。蘋(píng)果公司的Siri系統(tǒng)，使用本地及遠(yuǎn)程處理結(jié)合的技術(shù)應(yīng)用與判斷分析。Siri系統(tǒng)的每一個(gè)需求實(shí)例與輸出都被存儲(chǔ)下來(lái)以供全球各地的Siri系統(tǒng)學(xué)習(xí)。

在不同工廠中不同的制造設(shè)備間分享數(shù)據(jù)，能夠?qū)χ圃煸O(shè)備進(jìn)行更好地診斷、降低生產(chǎn)中的異常并提高生產(chǎn)效率。機(jī)器人在執(zhí)行操作任務(wù)或者僅僅在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中，自主導(dǎo)航都能夠進(jìn)行互相學(xué)習(xí)。通過(guò)模塊化及快速設(shè)計(jì)、測(cè)試、再設(shè)計(jì)，能夠制造出更加健壯的機(jī)器人系統(tǒng)。

“云機(jī)器人技術(shù)”將至少在以下五個(gè)方面得到極大地發(fā)展。

其一，提供全球的帶有幾何及力學(xué)屬性的地圖、圖像以及對(duì)象數(shù)據(jù)的圖書(shū)館；

其二，基于對(duì)樣本的統(tǒng)計(jì)模型分析及動(dòng)態(tài)規(guī)劃的大規(guī)模并行計(jì)算技術(shù)；

其三，機(jī)器人之間共享成果、軌跡以及動(dòng)態(tài)控制策略；

其四，在機(jī)器人操作系統(tǒng)日益普及的情況下，人們對(duì)開(kāi)源代碼、數(shù)據(jù)、編程、實(shí)驗(yàn)及硬件搭建的共享；

其五，問(wèn)題檢測(cè)以及按需請(qǐng)求人類(lèi)的診斷與指導(dǎo)。

由于間歇或突發(fā)性通訊造成的安全性、隱私性、延遲及質(zhì)量控制等問(wèn)題是機(jī)器人技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。

工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)

美國(guó)工業(yè)機(jī)器人路線圖中最重要的內(nèi)容，是將能夠?qū)I(yè)產(chǎn)生極大影響的機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行梳理。除去對(duì)機(jī)器人領(lǐng)域的教育、培訓(xùn)以及推廣計(jì)劃外，共有以下八大關(guān)鍵技術(shù)。

具備可適應(yīng)性及重構(gòu)性的生產(chǎn)線技術(shù)

在當(dāng)前的制造業(yè)中，一種新產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制造的時(shí)間相當(dāng)漫長(zhǎng)。對(duì)于汽車(chē)制造業(yè)來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)間間隔可能長(zhǎng)達(dá)兩年。當(dāng)面對(duì)一個(gè)新的產(chǎn)品以及可以進(jìn)行生產(chǎn)的生產(chǎn)線子系統(tǒng)時(shí)，子系統(tǒng)能夠進(jìn)行重構(gòu)設(shè)置以進(jìn)行新產(chǎn)品的生產(chǎn)，其15年技術(shù)路線圖如下表。

自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)

自動(dòng)導(dǎo)航是現(xiàn)代工業(yè)中的一項(xiàng)基本功能，能夠影響采礦與建筑行業(yè)的設(shè)備自動(dòng)化、原材料的運(yùn)輸效率以及倉(cāng)儲(chǔ)與配送的物流支持。其基本能力，即是使機(jī)器人在包含靜止障礙物、車(chē)輛、行人以及動(dòng)物的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中進(jìn)行安全地運(yùn)行。自動(dòng)導(dǎo)航的路線圖包含以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)。

綠色制造技術(shù)

綠色制造技術(shù)著眼于對(duì)制造業(yè)中各個(gè)環(huán)節(jié)的原材料及設(shè)備進(jìn)行回收和重用，從而達(dá)到降低能耗的目的。

機(jī)器人臂的靈巧操作技術(shù)

機(jī)器人臂在速度與強(qiáng)度以及精確度方面，已經(jīng)超越了人類(lèi)手臂，但其靈巧程度還無(wú)法與人類(lèi)相比。這種差距要?dú)w結(jié)于機(jī)器感知、高性能傳感器以及動(dòng)態(tài)規(guī)劃與控制等技術(shù)的相對(duì)滯后。機(jī)器人的靈巧操作技術(shù)路線圖包含以下的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。

基于模型的供應(yīng)鏈整合技術(shù)

如果計(jì)算機(jī)領(lǐng)域與信息科學(xué)的發(fā)展能夠?qū)⑽锢碇圃爝^(guò)程模型化，那么制造業(yè)將迎來(lái)真正的全面革新，使產(chǎn)品具有更好的質(zhì)量、更高的可靠性以及更低的成本。其技術(shù)節(jié)點(diǎn)如下。

納米級(jí)制造技術(shù)

傳統(tǒng)的基于COMS的集成電路與計(jì)算模式，目前正被新的納米級(jí)制造與計(jì)算技術(shù)所超越。微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、低功耗超大規(guī)模集成電路以及納米技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)使次毫米級(jí)自供能機(jī)器人的出現(xiàn)成為可能。在納米級(jí)制造技術(shù)的支持下，新的并行甚至隨機(jī)裝配技術(shù)有望出現(xiàn)。

非結(jié)構(gòu)化環(huán)境感知技術(shù)

在目前的制造業(yè)中，固定的自動(dòng)化設(shè)備被用于進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。因?yàn)槠錇樽陨順?gòu)建了一個(gè)結(jié)構(gòu)化，可預(yù)測(cè)的環(huán)境，極大地簡(jiǎn)化“智能”制造所面臨的挑戰(zhàn)。但未來(lái)，小批量、定制化、符合自動(dòng)化制造要求的機(jī)器人將更加智能、靈活并能在低結(jié)構(gòu)化甚至非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中與人類(lèi)工人共同工作。非結(jié)構(gòu)化環(huán)境感知技術(shù)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)如下。

機(jī)器人安全技術(shù)

任何技術(shù)都會(huì)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)，這就需要對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效地管理，并引入風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，使用戶對(duì)風(fēng)險(xiǎn)具有認(rèn)知。機(jī)器人安全技術(shù)的路線圖如下表。

（本文節(jié)選自《美國(guó)機(jī)器人技術(shù)路線圖——從因特網(wǎng)到機(jī)器人技術(shù)》其中的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)路線圖部分，略作刪減與調(diào)整）