論機器人的發(fā)展前景與挑戰(zhàn)

 一、機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景

機器人技術(shù)毫無疑問是未來的戰(zhàn)略性高技術(shù)，充滿機遇和挑戰(zhàn)。目前，國際上機器人市場大概有80億至100億，其中工業(yè)機器人占的比重最大。2025年，整個機器人市場將達到500億，服務(wù)機器人從原來的300多萬臺增加到1200多萬臺，特種機器人（如：排爆機器人、醫(yī)療機器人等）的呼聲也越來越高。另外，微軟等IT企業(yè)，豐田、奔馳等汽車公司，甚至還有家具、衛(wèi)生潔具企業(yè)都紛紛參與機器人的研制。

在各種機器人中，工業(yè)機器人應(yīng)用較早，發(fā)展最為成熟。同時，技術(shù)的不斷進步一直在牽引著機器人學(xué)科的發(fā)展，使機器人的應(yīng)用領(lǐng)域從工業(yè)機器人擴展到特種機器人和服務(wù)機器人等。機器人技術(shù)也正越來越深刻地影響著我們的生活。機器人不但將在工廠、實驗室與人一起工作，還將在車站、機場、碼頭、交通路口為人們指引路徑、回答問題、幫助行人。機器人還將步入千家萬戶，為老人端茶送水，護理傷病人等等。未來機器人將會越來越廣泛地進入人類社會，人類對機器人的依賴會如同現(xiàn)時對待計算機一樣，即使是短時間的離開都可能會造成很大不便。

機器人化是先進制造領(lǐng)域的重要標(biāo)志和關(guān)鍵技術(shù)，針對先進制造業(yè)生產(chǎn)效率提高的諸多瓶頸問題，尤其是在汽車產(chǎn)業(yè)中，機器人得到了廣泛的應(yīng)用。如在毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中，機器人都已逐步取代了人工作業(yè)。目前汽車制造業(yè)是所有行業(yè)中人均擁有機器人密度最高的行業(yè)，如2004年德國制造業(yè)中每1萬名工人中擁有機器人的數(shù)量為162臺，而在汽車制造業(yè)中每1萬名工人中擁有機器人的數(shù)量則為1140臺；意大利的這一數(shù)值更能說明問題，2004年意大利制造業(yè)中每1萬名工人中擁有輔助操作的機器人數(shù)量為123臺，而在汽車制造業(yè)中每1萬名工人中機器人的擁有數(shù)量則高達1600臺。

在國外，應(yīng)用于制造業(yè)的機器人取得了較顯著進展，已成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備而得到工業(yè)界廣泛應(yīng)用，從而也形成了一批在國際上較有影響力的、知名機器人公司。如德國的KUKA、瑞典的ABB、日本的安川等。據(jù)專家預(yù)測，機器人產(chǎn)業(yè)是繼汽車、計算機之后出現(xiàn)的一種新的大型高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會(UNECE)和國際機器人聯(lián)合會(IFR)的統(tǒng)計，2002年至2004年，世界機器人市場年增長率平均在10%左右，2005年達到創(chuàng)紀錄的30%，2007年全球機器人實際安裝量達到650萬臺，機器人安裝量比2006年增加3%，達到了114365臺。據(jù)統(tǒng)計，近年來全球機器人行業(yè)發(fā)展迅速，2008年全球機器人行業(yè)總銷售量比2006年增長25％。

在發(fā)達國家，以工業(yè)機器人為基礎(chǔ)的自動化生產(chǎn)線成套裝備已成為自動化裝備的主流及未來發(fā)展方向。國外汽車行業(yè)、電子電器行業(yè)、工程機械等行業(yè)已大量使用機器人自動化生產(chǎn)線，以保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。目前，典型的成套裝備有：大型轎車殼體沖壓自動化系統(tǒng)技術(shù)和成套裝備，大型機器人車體焊裝自動化系統(tǒng)技術(shù)和成套裝備，電子電器等機器人柔性自動化裝配及檢測成套技術(shù)和裝備，機器人發(fā)動機、變速箱裝配自動化系統(tǒng)技術(shù)成套裝備及板材激光拼焊成套裝備等。這些機器人自動化成套裝備的使用，大大推動了其行業(yè)的快速發(fā)展。

從制造業(yè)的發(fā)展歷程看，生產(chǎn)手段必然要經(jīng)歷機械化、自動化、智能化、信息化的變革，工業(yè)制成品也將經(jīng)歷數(shù)量、質(zhì)量、柔性低成本的發(fā)展階段，目前制造業(yè)普遍需要技術(shù)和設(shè)備升級改造，以增強競爭力，提高經(jīng)濟效益，因此，機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展空間很大。

二、機器人發(fā)展目前所面臨的挑戰(zhàn)

機器人的研究與開發(fā)是當(dāng)今學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱點之一，機器人的發(fā)布數(shù)量較之過去有明顯增長。過去人們往往只能在實驗室或高科技競賽中見到機器人的身影，而如今它們已經(jīng)走入工業(yè)應(yīng)用甚至是普通人的生活中。現(xiàn)在，機器人應(yīng)用所覆蓋的領(lǐng)域包括無人駕駛車輛、險情救援、個人與服務(wù)機器人、醫(yī)療機器人、農(nóng)業(yè)與采礦、教育與智力開發(fā)等，并且隨著科技的發(fā)展，機器人的應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷擴展。 

但是機器人的快速發(fā)展也為該領(lǐng)域的研究與開發(fā)人員帶來了巨大的挑戰(zhàn)。機器人領(lǐng)域的著名科學(xué)家David Barrett博士（曾任iRobot公司副總裁、迪士尼夢幻工程公司主管，現(xiàn)任美國Olin學(xué)院SCOPE項目主管，）在2009年NIWeek圖形化系統(tǒng)設(shè)計會議上總結(jié)了當(dāng)前機器人開發(fā)所面臨的三大挑戰(zhàn)：創(chuàng)造更小、更輕、更強大的電池；創(chuàng)造更小、更輕、更強大的執(zhí)行機構(gòu)；需要一個工業(yè)級的、并且具有良好兼容性的軟件開發(fā)平臺。這些挑戰(zhàn)也獲得了業(yè)內(nèi)其他領(lǐng)導(dǎo)者的響應(yīng)：Segway思維車的發(fā)明人、FIRST機構(gòu)及DEKA研發(fā)公司的創(chuàng)始人Dean Kamen表達了對機器人開發(fā)中傳統(tǒng)嵌入式方法的顧慮；美國國防部地面機器人和自主系統(tǒng)主管Ellen Purdy關(guān)注于自主系統(tǒng)的進一步標(biāo)準(zhǔn)化和持久性（電池能力）需要；韓國浦項智能機器人研究所的Hee Chang Moon博士強調(diào)了對于集成的嵌入式系統(tǒng)以及直觀式開發(fā)軟件的需求。認識到這些挑戰(zhàn)，世界各地的業(yè)內(nèi)人士都在努力尋求解決的方法。

挑戰(zhàn)一. 創(chuàng)造更小、更輕、更強大的電池 ：

許多機器人需要在野外或嚴苛的環(huán)境中長時間獨立工作，需要可長時間獨立供電的電源。目前全世界有多家公司和研究機構(gòu)致力于這方面研究。許多廠商選擇NI平臺用于設(shè)計仿真、生產(chǎn)優(yōu)化、驗證測試等各個環(huán)節(jié)，推動其創(chuàng)新產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用，這些創(chuàng)新產(chǎn)品包括新型燃料電池、太陽能電池、基于小型移動平臺的高效發(fā)電和蓄能裝置等。 

能夠長時間獨立運行的機器人系統(tǒng)不僅需要更高效的新型電池，還需要對能源的使用進行優(yōu)化，例如通過增加電源管理功能有效地監(jiān)測電量消耗并選擇不同的節(jié)電模式，這樣才能真正發(fā)揮出新型電池的效能優(yōu)勢。

挑戰(zhàn)二. 更小、更輕、更強大的執(zhí)行機構(gòu)：

出于機器人體積和自重的考慮，一般希望執(zhí)行機構(gòu)也更輕更小；但同時由于不同的運動要求，又希望執(zhí)行機構(gòu)具有強大的功能。隨著移動性需求從傳統(tǒng)的四輪系統(tǒng)向新型仿生機械的不斷演進，對精密執(zhí)行機構(gòu)的需求也隨之大幅提升。世界上眾多的專業(yè)廠商一直從事這方面的研發(fā)，不斷推出高性能的產(chǎn)品。 

對于機器人應(yīng)用領(lǐng)域來說，創(chuàng)造更小、更輕、更強大的執(zhí)行機構(gòu)的最終目標(biāo)是將它們用于機器人設(shè)計中，而且執(zhí)行機構(gòu)的強大功能往往需要通過復(fù)雜的編程才能發(fā)揮出來。因此，隨著執(zhí)行機構(gòu)變得越來越精密復(fù)雜，如何通過編程完成高精度和高復(fù)雜度的控制，也成為機器人系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵問題之一。許多機器人領(lǐng)域的開發(fā)人員并不具有運動控制方面的專業(yè)背景，在這種情況下，執(zhí)行機構(gòu)的交互式控制開發(fā)更顯得尤為重要。NI依靠超過25年與執(zhí)行機構(gòu)連接的經(jīng)驗，通過提供基于各種平臺的硬件接口模塊和交互式的軟件工具不斷降低控制開發(fā)的復(fù)雜性，同時提高交互性和靈活性。但這還遠遠不夠。

挑戰(zhàn)三. 對工業(yè)級軟件開發(fā)平臺的需求：

1. 該軟件必須是直觀式的 

許多機器人研發(fā)人員都具有機械工程或電子工程背景，但沒有時間和精力去學(xué)習(xí)復(fù)雜的計算機軟件技術(shù)，所以需要一款集成常用函數(shù)和算法的軟件開發(fā)工具，該工具還必須具有良好的交互性和易用性。此外，自主系統(tǒng)的終端用戶往往是營救人員（如消防員）、士兵或老年人等，他們也不一定具備計算機知識，因此用戶界面也必須足夠直觀。

2. 軟件必須具備與硬件的良好集成性

每個自主系統(tǒng)都必須感知或察覺周圍世界的環(huán)境并做出反應(yīng)。感知系統(tǒng)需要外部傳感器（如激光測距儀、聲納傳感器等），做出反應(yīng)則要依靠不同類型的執(zhí)行機構(gòu)完成。因此軟件工具必須能夠直接驅(qū)動各種傳感器和執(zhí)行機構(gòu)。除了感知系統(tǒng)和執(zhí)行控制，往往還需要在真實硬件上實現(xiàn)決策規(guī)劃，這意味著軟件必須具有與實時系統(tǒng)、實時嵌入式硬件、甚至FPGA的強大交互性。目前的許多機器人軟件開發(fā)包缺乏類似功能，它們能夠仿真并在開發(fā)機器上運行，但不具備在實時硬件目標(biāo)上的執(zhí)行能力。

3. 軟件必須具備良好的交互性 

完成機器人設(shè)計并不簡單，它需要反復(fù)修改和原型設(shè)計。因此機器人領(lǐng)域的研發(fā)人員需要一款可以輕松調(diào)試的軟件包，既可進行直觀的仿真，又能在實時硬件系統(tǒng)上快速實現(xiàn)，從而測試算法和真實I/O。每次硬件實驗之后都可能再回到開發(fā)環(huán)境，對代碼進行進一步優(yōu)化或調(diào)整。這些都要求軟件開發(fā)工具具有極佳的交互性。

結(jié)論 ：

毫無疑問，目前機器人對我們當(dāng)今工業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的盈利，對其他的科技產(chǎn)業(yè)也有一定的幫助，有著巨大的發(fā)展?jié)摿ΑｋS著機器人領(lǐng)域的快速發(fā)展，開發(fā)人員面臨著多方面的挑戰(zhàn)。全世界的研究機構(gòu)和相關(guān)廠商都在研究應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的辦法。事實上，現(xiàn)在已經(jīng)有一些工具可以幫助機器人領(lǐng)域的研發(fā)人員應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，但是我們深信隨著科技的發(fā)展，必然會有更多的工具與技術(shù)來促進機器人的發(fā)展，為人類造福。