機(jī)器人是力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、材料學(xué)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、光電、通訊、傳感、仿生學(xué)等多學(xué)科交叉的結(jié)晶。

下表是機(jī)器人領(lǐng)域代表期刊international journal of robotics research (IJRR) 上發(fā)表的部分研究方向的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。從目前來看控制與傳感技術(shù)仍是目前成果最多的領(lǐng)域，相信隨著時(shí)間的推進(jìn)和對(duì)智能的需求，機(jī)器人在人工智能與認(rèn)知融合等領(lǐng)域?qū)?huì)有更多的進(jìn)展。

2013年，《美國機(jī)器人發(fā)展路線圖—從互聯(lián)網(wǎng)到機(jī)器人》預(yù)言機(jī)器人是一項(xiàng)能像網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣對(duì)人類未來產(chǎn)生革命性影響的新技術(shù)，有望像計(jì)算機(jī)一樣在未來幾十年里遍布世界的各個(gè)角落。

目前，盡管工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于各大門類工業(yè)領(lǐng)域，但主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化環(huán)境中執(zhí)行各類確定性任務(wù)，其面臨著操作靈活性不足、感知與實(shí)時(shí)作業(yè)能力弱等問題；協(xié)作機(jī)器人雖已有多款產(chǎn)品問世，但仍有許多問題亟待解決。

首先，目前對(duì)協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)的理論研究仍處于發(fā)展階段，尚沒有一套成熟的理論作指導(dǎo)，如何降低機(jī)器人的使用門檻，讓機(jī)器人更好用，是一個(gè)很好的切入點(diǎn)和創(chuàng)業(yè)方向。其次，目前協(xié)作機(jī)器人的生產(chǎn)成本普遍較高，部分核心零部件需要專門訂做，價(jià)格不菲。對(duì)于國內(nèi)而言，問題更多，挑戰(zhàn)更大。由于起步較晚，國內(nèi)機(jī)器人領(lǐng)域人才資源匱乏，組建高水平的機(jī)器人團(tuán)隊(duì)并非易事。此外，由于技術(shù)條件限制，關(guān)鍵零部件的國產(chǎn)化目前還沒有完全實(shí)現(xiàn)，如果采用進(jìn)口零部件，成本勢必大大提高，國內(nèi)企業(yè)也將失去價(jià)格的優(yōu)勢。

借用Rethink Baxter的一句宣傳語，協(xié)作機(jī)器人的目標(biāo)應(yīng)用場合可以概括為：協(xié)作機(jī)器人最終將變成一個(gè)過渡概念，隨著技術(shù)的發(fā)展，未來所有的機(jī)器人都應(yīng)該具備與人類一起安全的協(xié)同工作的特性。本質(zhì)安全應(yīng)該是理想機(jī)器人的必備且基礎(chǔ)的特征。就像我們現(xiàn)在不再區(qū)分黑白電視和彩色電視而統(tǒng)稱為電視，不再區(qū)分功能機(jī)和智能機(jī)而統(tǒng)稱為手機(jī)，未來所有的機(jī)器人也將不再區(qū)分協(xié)作與非協(xié)作，而統(tǒng)稱為機(jī)器人。

7.1 工業(yè)機(jī)器人演變

機(jī)器人正經(jīng)歷從“機(jī)器”到人的轉(zhuǎn)變。我們可以將機(jī)器人分為三代：

第一代為傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人，其形態(tài)已經(jīng)接近60年未發(fā)生重大改變。

第二代為“有感覺” 的機(jī)器人。它們對(duì)外界有一定的感知能力（安全性），具備視覺，觸覺及聽覺等功能。例如協(xié)作機(jī)器人、根據(jù)激光反饋的自動(dòng)跟蹤焊縫的弧焊焊接機(jī)器人。第二代機(jī)器人代表：UR協(xié)作機(jī)器人。目前協(xié)作機(jī)器人以其安全、低成本、易于上手的使用方式、低的改造成本占據(jù)一部分市場，特別適用于以小批量、定制化為主的中小型企業(yè)。但長期來看人機(jī)協(xié)作是方向，協(xié)作機(jī)器人市場潛力巨大。

第三代為依靠人工智能技術(shù)進(jìn)行規(guī)劃，控制的機(jī)器人，它們根據(jù)感知的信息，進(jìn)行獨(dú)立思考、識(shí)別及推理，并做出判斷和決策，不用人的干預(yù)自動(dòng)完成，例如云服務(wù)機(jī)器人。云服務(wù)機(jī)器人，將最新的信息技術(shù)予以融合，人工智能、云服務(wù)等技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人的碰撞將產(chǎn)生更加劇烈的變化。

7.2 研究方向與進(jìn)展

結(jié)構(gòu)、感知和認(rèn)知是機(jī)器人的三要素。同時(shí)，期待未來的協(xié)作機(jī)器人在人機(jī)交互、柔性機(jī)電一體化、云機(jī)器人、人工智能、安全性等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得進(jìn)一步突破。

日本機(jī)械學(xué)會(huì)將機(jī)器人智能分為五個(gè)等級(jí)：級(jí)別I：非自主運(yùn)動(dòng)；級(jí)別II：弱自主運(yùn)動(dòng)；級(jí)別III：部分自主運(yùn)動(dòng)；級(jí)別IV：半自主運(yùn)動(dòng)；級(jí)別V：完全自主運(yùn)動(dòng)。

7.2.1 結(jié)構(gòu)——機(jī)械結(jié)構(gòu)的仿生化

彈性和軟物質(zhì)材料的應(yīng)用提升了機(jī)器人與人／環(huán)境協(xié)作的適應(yīng)性，使機(jī)器人呈現(xiàn)小型化、輕量化的趨勢。其快速發(fā)展在一定程度上促進(jìn)了機(jī)器人研究的步伐。但在結(jié)構(gòu)—驅(qū)動(dòng)—控制一體化設(shè)計(jì)、高效驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)理、非線性動(dòng)力學(xué)控制等方面仍面臨新的挑戰(zhàn)。

未來的研究方向?yàn)榧稍O(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)控制。構(gòu)建多場約束運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新及剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)集成設(shè)計(jì)理論，突破高能量密度新型傳動(dòng)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)，研究剛—柔—軟耦合機(jī)器人動(dòng)力學(xué)控制及高效計(jì)算方法。

動(dòng)力學(xué)一直以來都是機(jī)器人領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。尤其在協(xié)作機(jī)器人當(dāng)中，準(zhǔn)確獲取外部力信息成為其運(yùn)動(dòng)控制及安全防護(hù)的關(guān)鍵。較為直觀的方法是在每個(gè)關(guān)節(jié)都安裝力矩傳感器進(jìn)行測量，進(jìn)而估算出機(jī)器人末端的外部力。這種方法對(duì)硬件設(shè)計(jì)要求較高，在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中成本也很大。因此，不少研究人員正努力通過其他方法進(jìn)行力測量以擺脫傳感器的束縛。例如，有研究人員利用干擾觀測器進(jìn)行機(jī)器人末端外部力及各關(guān)節(jié)的干擾力矩的估算；還有研究者通過獲取電機(jī)的電流／轉(zhuǎn)矩及關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角信號(hào)重建外部力信息。隨著動(dòng)力學(xué)的深入研究，協(xié)作機(jī)器人成本將進(jìn)一步降低，更多柔性材料將會(huì)被引入，大大提高協(xié)作機(jī)器人的安全性與靈活性。

7.2.2 感知——與其它前沿技術(shù)融合

感知是機(jī)器人與人、機(jī)器人與環(huán)境、以及機(jī)器人之間進(jìn)行交互的基礎(chǔ)。就感知技術(shù)而言，除了多傳感信息融合依然是研究熱點(diǎn)之外，機(jī)器人越發(fā)呈現(xiàn)出與腦神經(jīng)科學(xué)、生物技術(shù)、人工智能、認(rèn)知科學(xué)、網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)技術(shù)等深度交叉融合的態(tài)勢。

未來的研究方向?yàn)橹鲃?dòng)感知與自然交互理論及方法，更多傳感器加入，使機(jī)器人能夠理解人類指令（通過聲音、手勢、圖形）。研究復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境下知識(shí)的主動(dòng)獲取、學(xué)習(xí)與推理方法，視覺認(rèn)知與基于動(dòng)態(tài)環(huán)境的主動(dòng)行為意圖理解與預(yù)測理論，機(jī)器人的自主學(xué)習(xí)與機(jī)器人知識(shí)增殖方法，以及多模態(tài)人機(jī)協(xié)作的態(tài)勢感知與自然交互方法。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與人之間相互的意圖理解、信息交流，以及自然和諧的情感交互。

7.2.3 認(rèn)知——以自動(dòng)化為目的的人工智能

高度智能是對(duì)新一代機(jī)器人的重大共性技術(shù)需求。當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用面雖然越來越廣，但在復(fù)雜作業(yè)能力、自適應(yīng)可重構(gòu)的裝配能力、對(duì)非結(jié)構(gòu)環(huán)境的感知能力、以及與人協(xié)作能力方面需要更加智能化。服務(wù)機(jī)器人市場正面臨爆發(fā)，主要挑戰(zhàn)包括自然交互、人機(jī)安全、環(huán)境適應(yīng)、復(fù)雜靈巧作業(yè)等方面，智能化是應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的可行技術(shù)途徑。工作于復(fù)雜環(huán)境的特種機(jī)器人，需要更為智能化的環(huán)境感知和適應(yīng)能力、人機(jī)協(xié)同作業(yè)能力和異常處理能力。先進(jìn)的控制算法是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高度智能的主要手段。

未來的研究方向?yàn)樽灾骺刂婆c靈巧操作。深入研究面向復(fù)雜環(huán)境與復(fù)雜任務(wù)的自主控制，辨識(shí)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)行為和智能操控與環(huán)境之間的關(guān)系和影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人靈巧作業(yè)與自主控制。

根工業(yè)機(jī)器人新趨勢之一：機(jī)器人與人工智能技術(shù)的結(jié)合越來越緊密，將成為生產(chǎn)體系的“主角”。

目前業(yè)內(nèi)有幾家公司在進(jìn)行這方面的嘗試，例如日本的MUJIN，他們提供了一種簡單快速的3D環(huán)境重建方法，以及一種針對(duì)復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)軌跡規(guī)劃的技術(shù)，可以極大的降低機(jī)器人部署時(shí)間和工作量。

7.2.4 機(jī)器人系統(tǒng)生態(tài)化

操作系統(tǒng)與軟件體系的研究。揭示機(jī)器人多態(tài)性的共性譜系和差異表型的內(nèi)在機(jī)理，構(gòu)建多態(tài)智能群體機(jī)器人操作系統(tǒng)以及面向共融機(jī)器人的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與支撐環(huán)境等。

進(jìn)一步加強(qiáng)易用性，簡化操作；加強(qiáng)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的連通性。如果你使用過UR、Franka、或者是ABB的Wizard，你會(huì)發(fā)現(xiàn)他們提供的圖形化編程環(huán)境能完成一些簡單的Pick & Place任務(wù)。

隨著協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，為了讓更多的人可以使用機(jī)器人，提供更簡單直觀，功能更強(qiáng)大但簡潔的編程方法是一個(gè)必然的趨勢。

7.2.5 人機(jī)交互

人與機(jī)器交流互動(dòng)是實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作的關(guān)鍵。這里的“交互”并不僅僅停留于語音或肢體層面，更多是指廣義上的控制與反饋。在控制手段上，目前多數(shù)協(xié)作機(jī)器人依然保留了傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的控制模式，即配備專門的控制面板。一些創(chuàng)新產(chǎn)品，如Sawyer以及Franka Emika已經(jīng)在一定程度上脫離了對(duì)外部設(shè)備的依賴，實(shí)現(xiàn)了由“臺(tái)式機(jī)”向“一體機(jī)”的轉(zhuǎn)變。

在控制方法上，可拓展空間巨大。傳統(tǒng)方法是使用控制器編輯指令對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，如今隨著人與機(jī)械臂的近距離接觸，拖動(dòng)示教已被廣泛應(yīng)用。其中部分機(jī)器人還集成了視覺系統(tǒng)。此外，還有研究人員利用慣性測量單元（IMU）對(duì)機(jī)器人進(jìn)行體感示教，讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)與人的非接觸同步運(yùn)動(dòng)，這在對(duì)精度要求不高的服務(wù)業(yè)非常實(shí)用。目前最受關(guān)注的當(dāng)數(shù)協(xié)作機(jī)器人在人工智能領(lǐng)域的探索。隨著Alpha GO的強(qiáng)勢表現(xiàn)，人工智能尤其是深度學(xué)習(xí)在全球掀起了一股狂潮，讓協(xié)作機(jī)器人具備自學(xué)能力已成為各企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)的熱門選題。

人機(jī)交互是操控機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于協(xié)作機(jī)器人直接和人打交道，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器人之間的信息傳遞，及時(shí)準(zhǔn)確地理解對(duì)方的意圖就顯得非常重要。未來，為了使協(xié)作機(jī)器人更容易操控，人機(jī)接口技術(shù)需要得到進(jìn)一步的發(fā)展，其主要發(fā)展方向包括視覺和語音交互 、力覺和觸覺交互等。

7.2.6 結(jié)合特定產(chǎn)品的研究

近年來，協(xié)作機(jī)器人發(fā)展勢頭迅猛，許多產(chǎn)品不僅為工業(yè)生產(chǎn)提供了新思路，還為高校及科研院所提供了新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。結(jié)合特定產(chǎn)品的研究在各地高校展開，形式多種多樣。其中包括對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部參數(shù)的研究，如對(duì)KUKA LWR 4 + 動(dòng)力學(xué)參數(shù)的研究，以及對(duì)Baxer的D-H運(yùn)動(dòng)學(xué)模型重建；以產(chǎn)品為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)合其他設(shè)備或技術(shù)的研究，如以KUKA LWR-IV為平臺(tái)結(jié)合Kinect傳感器對(duì)機(jī)器人避障的研究，以及以Baxter為平臺(tái)結(jié)合人體工程學(xué)問題對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)人性化的研究；還有對(duì)產(chǎn)品應(yīng)用的拓展，如為Baxter增加下棋功能，以及利用Baxter進(jìn)行高度可變性材料的研究等。

7.3 安全性問題來源與如何保證

要使機(jī)器人與人類更加親密地合作，人類的安全必須首先得到保障。當(dāng)下協(xié)作機(jī)器人的發(fā)展雖然還處于初級(jí)階段，但在主動(dòng)安全性方面已經(jīng)率先得到了加強(qiáng)。

對(duì)于協(xié)作機(jī)器人的安全性研究，ABB的科研人員做出了突出貢獻(xiàn)。首先，他們對(duì)人與機(jī)器的接觸部位及受傷類型進(jìn)行了分類，提出了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法；其次他們進(jìn)行了碰撞實(shí)驗(yàn)，故障診斷及故障隔離；最近他們又提出了以安全為硬約束的運(yùn)動(dòng)控制策略。完備的理論及實(shí)驗(yàn)支撐，讓YuMi在安全性方面得到了業(yè)內(nèi)的一致好評(píng)．除此之外，許多其他科研人員也進(jìn)行了廣泛深入的研究，其中包括對(duì)協(xié)作機(jī)器人在工作過程中保持高度依從性的研究，以及利用殘余信號(hào)探測人與機(jī)器是否接觸，并利用深度傳感器確定接觸位置的研究等。相信隨著研究的深入，人與機(jī)器共處將不再有任何心理負(fù)擔(dān)，同時(shí)能更高效地協(xié)同完成工作任務(wù)。

機(jī)器人事故類型 ：1. 撞擊或碰撞事故， 2. 擠壓和拍擊事故，3. 機(jī)械零件事故，4. 其他事故。

七個(gè)危險(xiǎn)源： 人為錯(cuò)誤 、控制錯(cuò)誤、未經(jīng)授權(quán)的訪問、機(jī)械故障、環(huán)境原因、電源系統(tǒng)、不正確的安裝。

2016年3月，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織針對(duì)協(xié)作機(jī)器人發(fā)布了最新的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——ISO/TS 15066: Robots and Robotic devices – Collaborative Robots作為支持ISO 10218的補(bǔ)充文檔，該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步明確了協(xié)作機(jī)器人的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)及系統(tǒng)安全技術(shù)規(guī)范。ISO/TS 15066中提到協(xié)作機(jī)器人使用以下四個(gè)安全措施之一：

a）安全等級(jí)受監(jiān)控的停止：這類似于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人使用的方法，當(dāng)工人想進(jìn)入機(jī)器人的工作空間時(shí)，工作停止。

b）手動(dòng)示教： 機(jī)器人只能在操作員的控制下移動(dòng)。

c）速度和分離監(jiān)控。：當(dāng)工作人員接近時(shí)，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)降低其速度，直至機(jī)器人將要被觸摸時(shí)停止。

d）功率和力限制：機(jī)器人在可攜帶的有效載荷以及如果意外撞到人身上會(huì)施加的力量受到限制。 功率/力限制的機(jī)器人往往設(shè)計(jì)成具有圓滑的邊緣和較柔軟的表面，降低了發(fā)生接觸時(shí)受傷的風(fēng)險(xiǎn)。

7.4 國內(nèi)外比較

在世界范圍內(nèi)，協(xié)作機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人以及軟體機(jī)器人被提及的頻率最高，近幾年在國內(nèi)這些領(lǐng)域更是成為炙手可熱的方向。在此提議國內(nèi)機(jī)器人行業(yè)的從業(yè)者們多關(guān)注以上這些趨勢，同時(shí)：

1. 尋找自己的風(fēng)口，從人口紅利向工程師紅利轉(zhuǎn)變；

2. 敢于追求卓越（選擇一條最難走的路，一門心思制造打動(dòng)人心的產(chǎn)品）；

3. 養(yǎng)成真知灼見，把問題“看清楚，想明白”。

很多媒體喜歡用“彎道超車”這個(gè)詞，好像我們?cè)趥鹘y(tǒng)工業(yè)機(jī)器人落后了，就可以憑借協(xié)作機(jī)器人翻身，這是一個(gè)非常不現(xiàn)實(shí)的想法。由于供應(yīng)鏈和技術(shù)積累的原因，國內(nèi)協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)品化的難度實(shí)際上比傳統(tǒng)機(jī)器人還要高。

但近幾年選擇從國外著名實(shí)驗(yàn)室、高校以及公司回國的人才越來越多，帶來很多新的思想和技術(shù)，這對(duì)國內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展打下了一些技術(shù)基礎(chǔ)。此外，我們國內(nèi)的勞動(dòng)力市場由人口紅利轉(zhuǎn)到了工程師紅利，相對(duì)于國外技術(shù)公司較高的運(yùn)營成本，國內(nèi)公司的總體運(yùn)營成本要低很多。再一個(gè)，市場的突破并不一定是技術(shù)領(lǐng)先，創(chuàng)新的市場策略同樣可以帶領(lǐng)公司成功突圍。

來源：伊頓王