共融機器人的基礎理論和關鍵技術

□文/丁漢

未來機器人將有3個特徵：1.機器人與環境的共融；2.機器人與人之間的協同；3.機器人與機器人之間的共融。將來，機器人可能具有多模態感測，能夠更加理解人類的需求。未來機器人的發展具有非常廣闊的前景，尤其是隨著人工智慧技術、新材料技術以及各方面應用技術的快速發展，機器人的明天會更加美好。

丁漢 中科院院士、機械電子工程專家，現任華中科技大學數字製造裝備與技術國家重點實驗室主任，主要從事機器人與智能製造研究, 研究成果在航天、能源和汽車領域得到重要應用。

現在，製造業處於非常關鍵的轉型階段。這個階段的挑戰性會更大，面臨的問題也會更多。我國製造業經歷了從無到有、從小到大的過程，但是的如何解決從大到強這個使命，還是非常艱巨的，並且花費的時間也會比較漫長，所以，我們需要以平和的心態去面對。

目前，我國製造業發展參差不齊，表現為同一時期規模化、數字化，智能化並行。有些企業的產業水平較高一點，可能已經達到了部分數字化和智能化的要求，但是大部分製造企業還處於一個低水平階段、人工作業的階段。

在這個過程中我們如何能夠創新驅動發展呢？我認為解決好產品創新是關鍵。因為，產品創新是引領製造，包括機器人技術的一個保障。所以產品創新應該是一個行業前進的命脈，一個產品可以帶動一個行業的發展，同時，產品模式的創新也是很重要的。

但是，我國製造業整體的創新能力和關鍵技術與發達國家還有較大差距。近年來，我國開始高度重視創新能力的建設。2015年，國務院頒布了《中國製造2025》規劃綱要，把中國製造提到國家戰略高度，製造業轉型升級與製造強國建設是我國未來立足於世界的必然選擇。

《中國製造2025》核心是以智能製造為主攻方向。所謂工業智能化，發展起來可能會更加漫長一點，而且智能化跟感測技術、信息技術、人工智慧技術、大數據技術等密切相關，所以智能化技術面臨的挑戰也會更多。每個企業的特點不一樣，不是每一家企業都必須實現智能化。我覺得實現什麼化並不重要，重要的是如何提高產品質量，提升工作效率，贏得市場。

一個企業首先得在市場上站穩腳跟，這點非常重要。基於有些企業所在行業的特點具有非常快速的變化周期，所以必須要驅動創新。通過現在的信息化手段，加強裝備的性能和適應能力，同時使它在工藝知識上不斷的積累。這是因為製造業很重要的一個特點就是要長期進行知識積累，而並不是購買了幾台機器人就可以稱之為智能化。

智能製造的發展應該具有一定的積累，智能製造最早得益於數字化，數字化是發展智能化的堅實基礎，離開數字化來談智能化就是空話。

隨著互聯網的出現，資源可以動態地存儲，慢慢地通過一些方法，就能夠實現智能化。智能化的體現可能在產品設計里更加重要，因為設計是靈魂，設計可以帶動產業向前發展。從製造層面上來說，設計包括兩方面——智能設計和製造過程。其中，製造過程是對狀態進行感知、分析、決策，最後到執行。因此，智能製造不是一蹴而就的，也是分幾個階段進行，從最早的互聯網資源共享到人工智慧的出現，慢慢才走向智能化。所以，智能製造是個長遠的堅持不懈的追求目標，而現在它還處在一個概念階段。

智能製造有幾個核心特徵，我覺得最主要的就是通過數字化、智能化手段把客戶的需求反饋到產品的開發、生產、服務中去，形成一個閉環的反饋，把每個步驟都串成一條整線。另外還有很重要的一條線，就是在內部設計、生產、物流到營銷上也形成一條整線，實現智能製造就是要將這兩條線集成起來。第一，客戶到產品服務這條線要貫穿；第二，從設計到生產再到物流要貫穿。這個集成過程將是一個很大的範疇，每個人和每個企業只能做其中的一部分，所以希望企業都能參與進來，行動起來，共同推動智能製造的發展。

無論如何，這兩條線里最為關鍵的核心還是產品的智能化。人們都知道智能的產品能給社會帶來很大變化，就像人們常提到的大疆無人機。幾年前，幾個青年在深圳的小辦公室里搗鼓無人機，並創立了大疆品牌。而今天，大疆已經發展成為市值六七十億元的公司。目前，我國很多中低端產品過剩，但中高端產品卻供不應求。所以好的設計能改變生活。我個人認為，智能製造很重要的特點就是產品的智能化。由於人們對產品的要求不斷提高，企業的產品增加了智能的設備後，競爭力立刻會有所提升，所以，產品創新是重中之重。

離開了產品創新，單獨談智能製造，純粹是概念炒作。

產品創新是必要的，也是一個過程。所以，人們應該思考智能製造該如何進行創新的過程，使它縮短周期，使創新更加方便。有的產品創新，無非就是設備外加感測器，而且還可以實現個性化定製生產。不過，還能做到更好。除了加感測器外，還可以輸入一些演算法，使其具有一定的自主性，跟人實現交互。雖然能夠與人交互的機器人已經誕生了，不過這些產品還不夠成熟。現在，大家都是在市場中摸索前行，尋找一條正確的產品創新道路。

當然，在智能製造的創新上的高校也做了較多的裝備智能化。眾所周知，裝備加工過程中有很多狀態，需要大量地積累，所以這是一個長時期的過程。很多國外的中小企業在裝備領域做得很好，這是為什麼？因為他們幾十年、數百年就專註只做一件事。裝備的智能化也是同樣的道理，只有把裝備做到極好，每個細節做到極致，中國的裝備在國際高端市場才能有出路。

這樣廣闊的市場，也不是一蹴而就的。需要大量的融合，大量的實驗，大量的抗干擾能力測試，把裝備實驗慢慢地做起來。裝備的智能化道路對我國來說，還是條艱苦漫長的道路。

現在，車間智能化的建設可謂是蒸蒸日上。在數字化車間的建設上，很多企業做得非常好。數字化車間就是對每個狀態信息進行採集，實時監測這個車間的需求，這對中小企業來講，只是一個工作量的問題。但是，大型企業工廠的智能化做得相當不錯。越大反而越好做，越小反而比較難。就像加工一個複雜零件，一個平面點要做到光滑可能花費十年時間都很難做成功，而數字化車間可能兩年就做出來了。所以說，在製造過程中，有時很小的一件事情或許要花很長的時間才能得到解決。

智能製造最核心的幾個技術中，一個是數字製造技術，一個是感測技術。

先來說數字製造技術。數字化製造要求製造過程要有模型，還要有方針，包括產品的設計、創新設計以及數控技術，還有產品管理，企業協同技術等等，這些都是數字化製造的基礎。離開了數字化就根本談不上智能化。

第二個技術是感測技術。各式各樣的感測器在企業里用得越多，企業掌握的信息也就越多。這些信息可能有嵌入的，有絕對的，有相對的，有靜止的，有動態的，這些感測器是支撐我們獲取信息的重要手段。它們可以靈活配置，非常方便，不像機床那樣「傻大笨粗。」這些技術都很關鍵，都是智能製造非常重要的組成部分，並且快速推動著機器人的發展。

自1959年第一台機器人誕生以來，機器人在服務業、製造業方面發揮了極其重要的作用。工業機器人的最大應用在汽車領域，汽車製造用的機器人個頭最大。現在慢慢擴大到老人護理、安保，太空勘探等領域，在各行各業發揮著不可替代的作用。

但是，目前機器人各方面感知能力都很差，只能在結構化的環境中工作。人機合作也都是進行簡單的工作，特種機器人很多的交互過程是遠遠不能滿足人們要求的。今天的機器人，它的功能和實用性與人類的願望有很大差距，需要我們幾代人為之努力工作，並且還要伴隨著其他學科的進步共同推動機器人的發展，所以，大家對機器人的期望值不能太高。今年的世界達沃斯論壇談到，機器人將是一場新的工業革命，將會成為經濟領域新的增長點，並且會帶來萬億美元的產值。

機器人的先進性是可以看出來的。世界各國都在制訂機器人的計劃，其實全球最大的機器人市場是在中國。隨著《中國製造2025》的實施，我國在機器人應用發展上正在迎來新的機遇。機器人的發展歷程，最早是模擬生命體簡單的應用，慢慢地模擬生命體的智能自主決策，到現在機器人做得比較多的是模擬智能，模擬整個群體智能。

未來的機器人怎麼發展，可能將會由現在的簡單交互，發展到與環境、人的交互，機器人發展一定會呈現出這樣的變化趨勢。有兩點可以肯定，無論機器人怎麼發展，高速、重載，安全性是必須的。不管什麼學科，例如機器人動力學、機器人感測、機器人結構、並聯機構等，未來機器人的特點，一個是效率可靠、安全、力氣大和靈活。另一個特點可能就是人與機器人怎樣共融。機器人和人類共同把一件事情做好，而不是機器人代替人做好，人發揮人的優勢，機器人發揮機器人的優勢，兩者相鋪相成。未來的機器人要能夠與人共融，實現自然交互，也能夠適應複雜的環境，實現與環境的交互。

共融，一定是機器人未來的發展趨勢

還有一個很重要的問題，就是機器人和機器人之間要相互了解。一方面，牽扯到個體的自主，能夠獨立地判斷。另一方面，群體之間，有感知、認知博弈。當然，不管與人還是與群體之間的交互都很重要。將來，人可以通過和機器人舒服地接觸來增強人體的感觸，並且機器人能夠精確理解人的問題，所思即所答。這是未來機器人主要的發展方向，也就是人們所說的融合。

呼籲一下，我國的機器人發展一定要深深地紮根在技術理論上。離開了技術研究，離開了基本問題的研究，機器人的發展就會缺乏後續動力。因此，機器人發展的動力一定來源於科學的發展。把科學發展的問題解決了，機器人的技術才會更進一步。

機器人將來的核心問題可能在三個方面。一個是機構，需要有這樣的順應性。另一個是外感知、多模態，機器人要對環境有所認知。還有一個是分布協調控制。這些都是支持我們改變機器人發展必不可少的一部分。所以，大家拚命做機器人產業的同時，也要建立機器人科學中心、機器人研發基地。離開了這樣的科學中心，後續的發展就會缺乏動力。有了這些研究機構的支撐，我們才能在機器人的競爭過程中不會落後。

製造技術的發展體現在很多方面，值得一提的是德國弗勞恩霍夫研究所，它的每個部門都只專註研究一個關鍵技術，然後把這個技術做透，能夠在企業里應用，成熟度可以做到九成，這種模式非常好。就算得到政府長期的支持，但政府也只能提供研發經費的三分之一。所以，我有一點思考，因為自己做過一些國家支持的科研項目，但是有些技術為什麼走不到市場上去，這裡可能有兩個問題。一個是，高校老師太關注論文；另一個是，企業關注的只是成套的徹底性解決方案。所以在這個過程當中，我們的後備力量不足。實驗室的技術成果雖有很小的誤差，但這個技術就是走不出實驗室。在這樣的思考下，我們在江蘇也成立了無錫研究院，目的是和德國弗勞恩霍夫研究所對標。同時，我們也跟企業的聯繫非常密切，感覺到企業對智能製造的需求量是很大的。所以，這樣的機會很難得。一些高校博士、研究生畢業之後進入到研究院，然後我們一起花時間研究這個領域的技術，讓它在未來更加的可靠。截止到目前，無錫研究院已經發展到有100多名專職人員，這些人都是推動技術發展的中堅力量。那麼，我們主要做三個技術：數字化技術，智能化技術，還有智能化車間技術。

大型風電葉片生產項目是我們做過的較滿意的項目。葉片生產現場環境惡劣，工人十分辛苦，所以機器人要儘快進入這個行業，通過6~7台機器人並行加工的方式就能夠對葉片進行高效率加工。將來一定會出現一些「能工巧匠」的機器人，但是「能工巧匠」的機器人在機構、控制、測量上都有一些新的挑戰。機器人代替工人加工是大勢所趨，這是一個很好的方向。我們可以充分發揮機器人的優點，同時彌補數控機床加工一些大型零件的不足。

將來，製造技術的發展可能不單單是一個經驗的傳承，更多則是一個學科的交叉。尤其是和信息、材料、力學、物理的交叉，通過學科交叉慢慢走向智能化。總而言之，智能製造追求的一定是適應性以及自律性，同時也面向我國的高端裝備的重大需求，一旦離開了國家的需求，可能會很難有所發展。還要加強基礎研究，拓展學科新的增長點，培養高水平、高素質的人才，同時在國際舞台上加強合作等等。能夠真正實現我國的製造業從數字化走向智能化，從而為國家邁向製造強國貢獻力量。

（根據作者近期演講整理，未經本人確認。）