□文/何玉慶、趙憶文、韓建達、于海斌、王越超、王天然

與人共融
——機器人技術(shù)發(fā)展的新趨勢

□文/何玉慶、趙憶文、韓建達、于海斌、王越超、王天然

經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，機器人技術(shù)已經(jīng)對人類的生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生了深遠影響，并成為衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志。當前，國際機器人技術(shù)新的發(fā)展趨勢是什么？與人共融機器人的基本概念及內(nèi)涵是什么？我國機器人技術(shù)發(fā)展又面臨哪些機遇與挑戰(zhàn)？這些問題亟待我們思考和解決。

自上世紀中葉起，機器人技術(shù)經(jīng)歷了半個多世紀的發(fā)展，已經(jīng)深入到人類生產(chǎn)、生活的各個方面，給人類社會發(fā)展帶來重大變革。進入二十一世紀后，在科技水平的快速發(fā)展以及人們?nèi)找嬖鲩L的需求的共同作用下，機器人技術(shù)得到了空前的關(guān)注，被認為是新技術(shù)革命的核心。

“制造出像人一樣的機器”幾千年前就已經(jīng)是人類的偉大愿望，但目前，人和機器人仍然是一種使用和被使用，替代和被替代的關(guān)系，機器人更多的作為一種功能替代工具出現(xiàn)。

新的社會發(fā)展趨勢表明：未來新一代機器人系統(tǒng)將從更多的方面模仿人，尤其是，機器人與人之間應(yīng)更多地表現(xiàn)出一種和諧共存、優(yōu)勢互補的合作伙伴關(guān)系，即：與人共融是新一代機器人系統(tǒng)的最本質(zhì)特征。

2013年，麥肯錫全球研究所發(fā)布的《引領(lǐng)全球經(jīng)濟變革的顛覆性技術(shù)》報告將先進機器人列入12項技術(shù)之中，并預計2025年潛在年度市場影響力約1.7萬億美元~4.5萬億美元。正是看到了機器人對經(jīng)濟、社會發(fā)展的重大推動作用，近年來，機器人技術(shù)的發(fā)展得到了全世界的空前關(guān)注，世界發(fā)達國家紛紛將機器人作為國家計劃進行了細致的梳理和規(guī)劃。

2013年出版的美國機器人發(fā)展路線圖，將機器人列為繼互聯(lián)網(wǎng)之后可能對人類社會產(chǎn)生深遠影響的技術(shù)。而歐盟早在2006年就成立專門機構(gòu)，對歐洲機器人技術(shù)的發(fā)展進行了長期、細致的研究，并于2014年1月頒布了機器人發(fā)展路線圖，用以指導歐洲各國機器人技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

機器人技術(shù)發(fā)展的國際新趨勢

美國于2011年啟動了先進制造伙伴計劃（the Advanced Manufacturing Partnership，AMP）。其中明確指出：“下一代機器人將與人類操作者緊密合作，為產(chǎn)業(yè)工人、健康服務(wù)者、士兵、手術(shù)醫(yī)生以及宇航員等完成復雜任務(wù)提供新的能力”，這是迄今為止國家級計劃中，對下一代機器人功能內(nèi)涵的最清晰描述。

歐盟于2006-2008年制定的CARE計劃（Coordination Action for Robotics in Europe）結(jié)合6個方面應(yīng)用，對機器人技術(shù)的發(fā)展給出了較清晰的路線圖。以此為基礎(chǔ)，歐盟第七框架計劃（2007-2013）歸納出下一代機器人的核心特征：安全、自主的“人—機器人—物理世界”的交互，并給出了其所包含的7方面共性關(guān)鍵技術(shù)：柔順機電系統(tǒng)設(shè)計、實時認知、交互式控制、人類行為的學習與理解、反應(yīng)式行為產(chǎn)生、適應(yīng)人的任務(wù)規(guī)劃、安全技術(shù)。在2013年4月德國推出的工業(yè)4.0計劃中指出：智能工廠、智能生產(chǎn)是第四次工業(yè)革命的主題（圖1），而這種“智能”的物理實體就是機器人，通過智能機器人、機器設(shè)備以及人之間的相互合作，提高生產(chǎn)過程的智能性。

圖1 歷史上的四次工業(yè)革命

日本機械學會將機器人作為其十個重點發(fā)展方向之一。把機器人的智能劃分為五個等級。級別1為非自主運動；級別2為弱自主運動；級別3為部分自主運動；級別4為半自主運動；級別5為完全自主運動。1990年以前的機器人處于級別1，只是簡單的“示教再現(xiàn)”，幾乎沒有智能；1990-2000年，機器人的進步主要體現(xiàn)在開始使用視覺傳感器以及離線示教技術(shù)，其智能水平處于級別2~3；2000-2010年，隨著視覺技術(shù)的進一步發(fā)展以及部分環(huán)境認知技術(shù)的采用，機器人智能開始突破第3級；2010-2020年，機器人將有望完全突破并進入第4級范疇，即：認知能力與靈活的物體操作、與人的合作交互以及弱化機器人的定位需求，并減少示教時間；在2020-2030年，要重點突破無示教作業(yè)、完全環(huán)境認知，推進機器人突破級別4。

圖2 美國通用汽車公司（GM）的自主機器人與人合作發(fā)展預測

除了上述國家級的規(guī)劃，作為傳統(tǒng)工業(yè)機器人的使用大戶、也是使用期最長的用戶，美國通用汽車公司（GM）給出了下一代機器人的發(fā)展期望（圖2）。機器人的前50年（上世紀五十年代中期到2008年）只是個開端，后續(xù)的發(fā)展包括：靈活的感知（二歲兒童的目標認知能力）、人與機器人之間的主動交互（四歲兒童的語言理解能力）、通過觸覺和力覺反饋實現(xiàn)靈巧/細致的操作（六歲兒童的靈巧操作能力）、與人的安全交互以及理解知識（八歲兒童的社會理解能力）、人-機器人和諧工作。GM明確指出，下一代制造業(yè)的使能技術(shù)是具有人的能力的機器人。

“替代某些人類功能”還遠遠不夠

從上一節(jié)關(guān)于機器人的國際發(fā)展趨勢的分析不難看出，各國紛紛將機器人的發(fā)展趨勢與人與機器人之間的關(guān)系建立了緊密聯(lián)系。為此，我們有必要重新梳理一下，在機器人發(fā)展的歷史中，人與機器人之間的關(guān)系如何？

機器人誕生于上世紀中期，經(jīng)歷了半個多世紀的發(fā)展，截至目前，大部分機器人系統(tǒng)遵循一個基本的設(shè)計宗旨：在人類不可達、以及不適合于人類生產(chǎn)生活的環(huán)境中，代替人高效率、高精度、高可靠地完成使命。傳統(tǒng)的工業(yè)機器人，以及以空間、深海探測為代表的專業(yè)服務(wù)機器人，很好地貫徹了上述宗旨。工業(yè)機器人在汽車生產(chǎn)線上的大規(guī)模應(yīng)用，極大地提升了生產(chǎn)效率，降低了成本，為締造以汽車為代表的當代物質(zhì)文明作出了重大貢獻；機器人代替人登上了火星、月球，深入萬米的海底，為人類探索不可到達的未知世界，發(fā)揮了不可替代的作用。到目前為止，機器人的設(shè)計更多地是代替人完成某種類人的功能。然而，進入二十一世紀，環(huán)境、資源、老齡化等關(guān)乎人類可持續(xù)發(fā)展的重大問題，正在迫使人們重新思考機器人在人類生產(chǎn)、生活中的地位。

過去的五十年中，大規(guī)模消耗資源、粗放式的生產(chǎn)、消費模式，給人類社會的發(fā)展帶來了巨大動力，但隨之而來的資源匱乏、環(huán)境污染等問題，對整個世界的發(fā)展也帶來了極大挑戰(zhàn)。在此背景下，綠色制造、再制造、柔性制造、個性化制造等新的制造模式正在成為制造業(yè)的發(fā)展方向。在剛性生產(chǎn)線上高速、高精度地完成重復性使命的傳統(tǒng)工業(yè)機器人難以滿足這些新制造模式對自動化、智能化裝備的需求，研制新一代工業(yè)機器人理所當然就成為傳統(tǒng)制造業(yè)強國要保持其地位的迫切需求。

同時，除制造業(yè)以外，各發(fā)達經(jīng)濟體、以及像中國這樣依賴相對廉價勞動力快速發(fā)展的新興經(jīng)濟體，其人口老齡化引發(fā)的社會服務(wù)及民生問題迫在眉睫。截至2013年，我國有逾8000萬的殘障人士和超過2億的老齡人口，如何提升殘障人士的生活質(zhì)量、解決未來勞動力短缺和老人護理等問題，已經(jīng)成為我國經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展所面臨的巨大挑戰(zhàn)。研制新一代家庭服務(wù)機器人，被認為是解決此類問題的一個主要手段之一。為此，人類需要一種智能化的裝備，不僅能夠更大程度、更廣泛地代替人類從事生產(chǎn)勞作，而且能夠直接服務(wù)老年人、輔助殘疾人。

然而，盡管機器人技術(shù)已有近60年的發(fā)展，但其一直未能脫離自動化機器的范疇；人和機器人仍然被定義為使用和被使用，替代和被替代的關(guān)系；機器人在設(shè)計過程中很少考慮與人在同一空間的緊密協(xié)調(diào)合作，使得如本質(zhì)安全、人機協(xié)同認知和行為互助等基本問題，沒有得到很好地解決。綜上分析，現(xiàn)有機器人技術(shù)與新需求之間的差距如下表1所述。

表1 機器人技術(shù)新需求

從上表可看出：目前被廣泛使用的機器人，是一種與人隔離的、幾乎不具備人的智能能力的自動化機器；而下一代機器人將是可以融入人的正常生產(chǎn)生活環(huán)境、可以與人合作交互、具備人的靈巧作業(yè)以及智能決策能力的智能化機器。要想滿足社會發(fā)展的新需求，未來新一代機器人，必須從根本上反思現(xiàn)有的設(shè)計理念；機器人與人之間的關(guān)系應(yīng)該擺脫使用與被使用、替代與被替代的禁錮；應(yīng)從機器人融入人的生產(chǎn)、生活環(huán)境，與人優(yōu)勢互補、合作互助的角度，重新審視其核心技術(shù)的發(fā)展理念，研究、發(fā)展新的機器人理論與技術(shù)，即：與人共融機器人。

與人共融機器人的四大挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)機器人的能力特征，可以歸納為：人機物理空間隔離、機器人與人非接觸、預編程自主能力、示教盒/遙控器交互。與之相比較，“與人共融”機器人的核心特征是：人機同一自然空間、機器人與人自然交互、配合人的需求、學習人的技能、與人協(xié)調(diào)互補、確保人機物安全。

在人與機器人的關(guān)系上，人的優(yōu)勢是智能，包括思維與邏輯推理、學習與技能增長、經(jīng)驗與快速決策等；而機器人的優(yōu)勢是作業(yè)能力，包括速度、精度、負重、重復一致性、耐疲勞、連續(xù)作業(yè)等。要使二者協(xié)調(diào)形成優(yōu)勢互補，亟需機器人在能力上突破四個方面的挑戰(zhàn)。

圖3 德國KUKA新一代工業(yè)機器人

其一是環(huán)境挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)機器人只能在人工布局及可控的、預先已知的環(huán)境中工作，具有靜態(tài)、結(jié)構(gòu)化、已知、確定性等特點。而新領(lǐng)域要求機器人在自然（非人工）、不可預知動態(tài)、復雜的環(huán)境中完成使命，對機器人的感知、認知、決策能力提出了更高要求。

其二是任務(wù)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)機器人只能完成固定時序、重復性工作，以高速、高精度為主要指標，自主性，適應(yīng)性，學習性差。新一代機器人任務(wù)目標及指標更加多樣、操作靈活性要求更高、任務(wù)變化更頻繁、人機合作程度加深、任務(wù)過程更復雜多變。機器人在控制、認知、自主學習等方面，面臨挑戰(zhàn)。

其三是行為及安全挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)機器人在物理空間上基本與人隔離，但隨著機器人進入人類社會，與人之間的物理界限逐步消失，安全成為必須考慮的問題。人和機器人將頻繁接觸，機器人在行為過程中要求確保人-機-物的安全，而機器人故障、人類誤操作、其它設(shè)備故障不可避免，如何保障這種行為的安全性，對機器人機構(gòu)、控制、感知等技術(shù)提出挑戰(zhàn)。

其四是交互挑戰(zhàn)。目前，機器人作為專用的生產(chǎn)設(shè)備，由培訓良好的技術(shù)人員操作，其人機友好性低、魯棒性差、智能程度低、真實感弱。一旦機器人成為非(機器人)專業(yè)人員的助手、甚至進入普通人的生活，對人機交互即提出更高要求，包括：以人為中心，提高宜人化水平；提供語音、手勢、表情等多交互手段；具有人類意圖理解的能力；通過虛擬現(xiàn)實等手段增強操控過程的臨場感；以網(wǎng)絡(luò)為媒介實現(xiàn)更廣泛的信息交互等。

圖4 達芬奇微創(chuàng)手術(shù)機器人

與人共融機器人的三個內(nèi)涵

上述四方面挑戰(zhàn)，是機器人與人融合中亟待突破的瓶頸問題，也是目前國際機器人學領(lǐng)域研究的重點。“與人共融”是新一代機器人最本質(zhì)的能力特征，是解決工業(yè)、民生、特種服務(wù)等領(lǐng)域?qū)C器人技術(shù)新需求的核心。所謂與人共融機器人，是人與機器人關(guān)系的一種抽象凝練，它包括以下三方面內(nèi)涵。

其一為智能融合。通過人與機器人在感知、認知、決策等不同層面上的互補，提升人機共融系統(tǒng)的智能水平；其二為行為協(xié)調(diào)。在緊密接觸的情況下，人與機器人在行為上一致、協(xié)調(diào)、互助；其三為任務(wù)合作。在人機共享動態(tài)環(huán)境下，人與機器人相互配合共同完成一個指定的任務(wù)。

例如，在工業(yè)領(lǐng)域，新型的“與人共融”工業(yè)機器人，應(yīng)該能夠融入“有人的生產(chǎn)線”，配合產(chǎn)業(yè)工人共同完成動態(tài)生產(chǎn)任務(wù)，即任務(wù)合作；在民生服務(wù)領(lǐng)域，新型的“與人共融”服務(wù)機器人，應(yīng)該能夠融入普通人（老人、殘疾人、家庭主婦等）的工作和生活，為其提供必要的行為輔助，即行為協(xié)調(diào)；對于特殊服役環(huán)境下的作業(yè)，新型的“與人共融”特種機器人，應(yīng)該能夠融合人的智能，降低對人在回路遙操作的依賴，提升完成使命的效率，即智能融合。

美、歐、日等國家和地區(qū)，已經(jīng)開始重視新一代與人共融機器人系統(tǒng)的研究，并研制出一些新一代機器人樣機雛形。在工業(yè)領(lǐng)域，研制出具有柔順機械臂及多指靈巧手的機器人、與人近距離工作確保安全性的機器人（圖3）；在醫(yī)療領(lǐng)域，機器人直接操作的對象是人體組織器官，完成更小（微創(chuàng)）手術(shù)切口、甚至自然腔道介入的手術(shù)作業(yè)（圖4）；在康復領(lǐng)域，研制出可以穿戴的、與人體直接耦合在一起的康復以及行為輔助機器人（圖5）；在特種應(yīng)用領(lǐng)域，研制出可在地面、空中、水下作業(yè)的多種類型的國防機器人、以及在人類不可達區(qū)域（特殊服役環(huán)境）移動作業(yè)的機器人（圖6）。

圖5 上、下肢助力機器人

圖6 美國研制的空間站作業(yè)機器人

與人共融機器人研究中的關(guān)鍵技術(shù)

如前所述，為了使人-機器人二者協(xié)調(diào)、能力互補，突破現(xiàn)有機器人在環(huán)境適應(yīng)性、任務(wù)適應(yīng)性、安全性、交互能力等四方面的挑戰(zhàn)，研究新一代與人共融機器人已刻不容緩，而這方面的研究面臨的技術(shù)瓶頸，主要包括如下五個方面。

其一是行為合作的機器人機構(gòu)與本體技術(shù)。傳統(tǒng)機器人的關(guān)節(jié)，一般為剛性機構(gòu)，由這種剛性傳動構(gòu)成的機器人系統(tǒng)在與人合作時存在嚴重的安全隱患，因此，研發(fā)具有本質(zhì)安全性的柔性機構(gòu)是保證人-機器人合作首先需考慮的問題；同時，利用新的輕型材料代替現(xiàn)有的機器人鋼鐵結(jié)構(gòu)，也是提升機器人本體性能和與人共融時安全性的關(guān)鍵技術(shù)。此外，現(xiàn)有機器人系統(tǒng)的驅(qū)動方式，多采用電機、液壓等方式，驅(qū)動效率低，這就需要探索全新的驅(qū)動機理，發(fā)展高效安全的驅(qū)動裝置。該部分的具體技術(shù)瓶頸包括：靈活操作機構(gòu)與控制、新型類肌肉驅(qū)動與本體材料、柔性驅(qū)動與控制、新傳感機理與器件等。

其二是機器人對環(huán)境、以及人行為的感知與理解技術(shù)。機器人理解環(huán)境、理解合作者意圖與需要，支撐安全、協(xié)同、互助工作。為了實現(xiàn)機器人與人在同一物理空間安全共存、緊密合作，機器人需要具備對人機共享環(huán)境、以及合作者需求的實時/準確感知、建模與理解的能力，從而為協(xié)同行為與決策提供依據(jù)。這其中，標識物輔助的人的行為判斷、非結(jié)構(gòu)/動態(tài)環(huán)境的數(shù)學描述與理解、多感知信息的融合理解、仿生視覺感知與認知等均是其面臨的挑戰(zhàn)性技術(shù)。

其三是人機互助優(yōu)化決策與自主學習技術(shù)。突破機器人只能在人為設(shè)定任務(wù)框架下進行決策的局限，實現(xiàn)機器人知識經(jīng)驗的積累、智能發(fā)育。這方面的研究，包括三方面技術(shù)難題：基于人腦智力形成及發(fā)育機理的類人智能行為建模；知識的獲取、表示與抽象方法，以及可實現(xiàn)知識存儲、更新及在線檢索的智能發(fā)育模型及自主學習技術(shù)；面向與人共融機器人平臺的自主知識獲取，及人機智能行為協(xié)同與決策等實用化技術(shù)。

其四是行為方式與安全機制技術(shù)。解決機器人在人機共享環(huán)境下的安全自主行為方式問題。與人共融的新一代機器人，需要工作在日常的、非結(jié)構(gòu)化的、動態(tài)的環(huán)境中，此時機器人自主行為能力低下的問題日益突出。因此，基于對合作者需求、操作對象、所處環(huán)境的態(tài)勢認知，研究包括安全行為的實時（重）規(guī)劃、確保人機物安全的剛-柔智能切換控制等自主行為技術(shù)，構(gòu)建人機協(xié)同時的安全機制，對于發(fā)展新一代與人共融機器人的行為能力和安全性具有重要的作用。

其五是人機自然交互技術(shù)。研究多模態(tài)人-機自然交互方法與技術(shù)，突破機器人只能利用專用設(shè)備進行人機交互的局限。具體包括：非編程的、人-機器人直接示教技術(shù)，基于語音指令集及機器人自主識別的語音交互技術(shù)，基于手勢/姿態(tài)指令集及機器人自主識別的視覺交互技術(shù)，生-機-電融合交互技術(shù)，以及人機多層次指令融合技術(shù)。

我國在國家863計劃、自然科學基金等支持下，也開展了新一代機器人技術(shù)與樣機的研發(fā)工作，包括仿人機器人、四足仿生機器人、微創(chuàng)手術(shù)輔助機器人、康復機器人等。但與美、歐、日相比，我國的相關(guān)研究處于分散、非系統(tǒng)的狀態(tài)，缺乏有針對性的總體規(guī)劃與系統(tǒng)布局，缺乏專項的重點、持續(xù)支持；這導致我國下一代機器人技術(shù)水平處于相對落后（與國際頂尖水平相比）的狀態(tài)，特別是在技術(shù)驗證與示范應(yīng)用階段。因此，我國需要加強對下一代機器人技術(shù)與系統(tǒng)研發(fā)的專項支持，確立我國在技術(shù)源頭上的領(lǐng)先地位，支撐后續(xù)產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化的良性發(fā)展，占領(lǐng)國際制高點。

何玉慶 中國科學院沈陽自動化研究所 研究員

趙憶文 中國科學院沈陽自動化研究所 研究員

韓建達 中國科學院沈陽自動化研究所 研究員

于海斌 中國科學院沈陽自動化研究所 研究員

王越超 中國科學院沈陽自動化研究所 研究員

王天然 中國工程院院士 中國科學院沈陽自動化研究所 研究員