周末科普 | 机器人发展现状和未来趋势

2018 年 8 月 19 日 德先生

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机器人简介

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如今，机器人被称为影响人类生产和生活的四大技术之一，是引领第三次工业革命和全球经济变革的颠覆性技术之一。世界各国风将机器人作为国家计划进行重点部署。美国发布机器人发展路线图，将机器人与互联网放在同等地位。欧盟则发布了SPARC计划，即全球最大民用机器人研发计划。日本提出机器人革命，将机器人作为七大重点扶持产业之一。韩国制定了智能机器人基本计划，并发布机器人未来战略展望2022。我国发布中国制造2025战略规划，将机器人发展提升到战略层面。

据国际机器人联合会统计，全球机器人市场规模持续扩大，工业机器人增速稳定，服务机器人增速显著加快，技术创新围绕仿生、人工智能和人机协作不断深入。2017年，全球机器人市场规模超过230亿美元，其中工业机器人147亿美元，服务机器人29亿美元，特种机器人56亿美元。全球机器人基础与前沿技术迅猛发展，涉及工程材料、机械控制、传感器等方面，大量学科交融。技术创新趋势主要围绕人机协作、人工智能和仿生三个重要方向。

当前，我国机器人市场进入告诉增长期，工业机器人市场连续5年成为全球第一大市场核心部件国产化进程逐渐加快。我国目前已掌握工业机器人的设计技术，积累了多年应用经验，取得显著地科技成果。诞生了沈阳新松、深圳大疆、广州数控设备有限公司等一系列优秀的机器人企业。但整体而言，我国机器人产业规模偏小，国际市场占有率低，一些关键元部件依赖进口等问题依然存在。2017年，我国机器人市场规模达到62.8亿美元，近5年的平均增长率达到28%。目前我国机器人研发仍以突破关键核心技术为主要目标，初步实现工业机器人控制器国产化，初步形成产业链。机器人智能水平快速提升，研发水平基本达到国际先进水准。

进入21世纪，机器人研究的重点已经从移动、受力、视觉、传感等方向逐渐转向人机交互、学习、环境、自主、仿真、算法等方向。可以看出，机器人正朝着智能化、复杂环境适应性、人机交互友好等方面转变。

2009年，RoboEarth项目在欧洲启动，目标为建立一个机器人的万维网。该项目建立了Rapyuta平台，该平台提供远程计算中心和数据库服务，机器人可以在其中共享信息并相互学习。除了RoboEarth之外，许多其他正机器人知识引擎项目也陆续被提出，如RoboBrain和Open-Ease。这些项目为云机器人的应用奠定了基础。

同一时期，机器人中间件引起了学者的重视。机器人中间件，又称机器人系统的“软件胶水”，可以看作是集成机器人底层组件的高级软件层，驻留在操作系统和软件应用程序之间。有了机器人中间件，机器人研发人员可以将注意力集中在自己感兴趣的部分，也有利于形成分布式计算和提升软件和算法复用率。2009年，Willow Garage发布机器人操作系统ROS。ROS是一个机器人中间件，或者换句话说，机器人的元操作系统，它提供硬件抽象、常用功能、消息传递和包管理，甚至是强大的机器人平台，如PR2和Baxter。一经发布，ROS便受到了研究人员和爱好者的广泛关注，这使得它目前已成为当今机器人软件的实际标准。ROS将机器人的每个子系统视为独立的节点，这促进了模块与模块之间的解耦，硬件与驱动之间的解耦，算法与数据之间的解耦。组件之间的这种松散链接框架为机器人的开发提供了很大的自由度。

2010年，Kuffner在仿人机器人大会的报告中提出了云机器人的概念，并阐述了它的潜在优势，从那时起就引起了研究者的极大关注。顾名思义，云机器人不是在本地集成所有功能，而是通过接入远程云服务中的数据或代码，以支持其应用的机器人技术。这样，机器人就可以突破其固有的板载存储和计算能力的限制。为了实现这一概念，在提出之后不久，研究人员陆续提出了DAvinCI项目和Rapyuta项目。前者为机器人生态系统提供了云计算的软件框架，后者为机器人地球知识引擎提供了安全的云计算服务平台。

云机器人带来了4大优势，即大数据、云计算、集成学习和众包。大数据是指机器人可以接入数据库并获取更多知识，云计算在于机器人可以将繁重的计算任务转移到云端服务器，集成学习是指多个机器人可以共享学习数据和结果从而更容易得到可行解，众包则是用户可以通过网络贡献自己的力量，比如提供数据和解决方案。云机器人的终极目标在于形成机器人和自动化作为服务的模式RAaaS，具体而言，使用功能模块，在线为机器人形成交互的工作流，从而形成一个从传感器读数到控制指令的直接映射。截至目前，云机器人已经在许多机器人领域的热点问题，如SLAM、抓取和导航任务中取得很好的效果。