文/談自忠華盛頓大學(xué)（圣路易斯）系統(tǒng)科學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)系圣路易斯63130

機(jī)器人學(xué)與自動化的未來發(fā)展趨勢*

文/談自忠
華盛頓大學(xué)（圣路易斯）系統(tǒng)科學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)系圣路易斯63130

機(jī)器人，自動化，智能，趨勢

DOⅠ10.16418/j.issn.1000-3045.2015.06.008

自人們開始研究機(jī)器人以來，其應(yīng)用領(lǐng)域主要有兩個(gè)方面：（1）應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域。在工業(yè)制造過程中，生產(chǎn)車間通常具有結(jié)構(gòu)化環(huán)境，要求機(jī)器人在這種環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高速、精確的操作。（2）應(yīng)用于遠(yuǎn)程操作領(lǐng)域。有些工作人類不能參與或者不愿參與，利用機(jī)器人是一種很好的選擇。如2013年9月15日日本福島核電站遭臺風(fēng)“萬宜”襲擊，致使蓄水罐周圍的防漏圍堰內(nèi)積蓄大量雨水。東京電力公司隨后承認(rèn)向太平洋排放上千噸受污染的積水。這種情況下核電站情況復(fù)雜，人員不能進(jìn)入，即使隨后排查認(rèn)為核電站情況對人員不會造成危害，不了解情況的工作人員仍不愿進(jìn)入。在這種情況下，可以利用機(jī)器人通過遠(yuǎn)程操作排查險(xiǎn)情。機(jī)器人在遠(yuǎn)程操作時(shí)所處環(huán)境通常不具有結(jié)構(gòu)性（雖然核電站本身具有結(jié)構(gòu)性，但受臺風(fēng)破壞后結(jié)構(gòu)性被部分破壞），如利用機(jī)器人進(jìn)行火山口、深海探測。這種情況下要求機(jī)器人本身安全性、可靠性較強(qiáng)，可以應(yīng)對各種復(fù)雜突發(fā)情況。

一直以來，機(jī)器人與自動化技術(shù)的發(fā)展動力來源有兩個(gè)：（1）技術(shù)推動（Technology Pushing）。隨著電子技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多新的研究發(fā)現(xiàn)被引入機(jī)器人領(lǐng)域，成為機(jī)器人與自動化領(lǐng)域的新技術(shù)。（2）應(yīng)用牽引（Application Pulling）。工業(yè)、服務(wù)業(yè)與國防安全等領(lǐng)域，利用機(jī)器人的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于人工完成的效果。這種應(yīng)用需求使得相關(guān)的機(jī)器人與自動化研究不斷增加和深入。以上兩種力量共同驅(qū)使機(jī)器人技術(shù)向前發(fā)展（圖1）。

圖1　機(jī)器人與自動化技術(shù)的發(fā)展動力

過去30年來，機(jī)器人最大的進(jìn)步可以用“Trade”這個(gè)詞表示，即利用電子電路和計(jì)算能力替代機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性（Trade mechanical complexity for electronics and computation）。早先，為了實(shí)現(xiàn)多流程、復(fù)雜性的操作，需要設(shè)計(jì)非常精密、復(fù)雜的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。隨著數(shù)字控制器的發(fā)展，很多復(fù)雜的控制機(jī)構(gòu)已經(jīng)可以使用數(shù)字控制器代替。舉例來說，過去的汽車剎車系統(tǒng)完全由機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，包含上百個(gè)零部件；現(xiàn)在的汽車剎車系統(tǒng)則部分由芯片和相應(yīng)的控制軟件組成，機(jī)械結(jié)構(gòu)得到了大大的精簡。這一變化的主要原因是“硅革命”（Silicon Revolution）。世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)ENⅠAC具有18 000個(gè)電子管，占地170平方米，重達(dá)30噸，耗電功率約150千瓦，每秒鐘僅可進(jìn)行5 000次加法運(yùn)算。而今天任何一部智能手機(jī)已經(jīng)可以每秒響應(yīng)百億條指令。硅革命將大型的、復(fù)雜的、昂貴的機(jī)械系統(tǒng)用小型的、高性能的、相對廉價(jià)的微電子系統(tǒng)取代。這種微型芯片能夠?qū)崿F(xiàn)感知、思考、交流等復(fù)雜功能，而包含這種芯片的機(jī)器就被稱為“智能機(jī)器”（Ⅰntelligent Machine）。

現(xiàn)在，機(jī)器人與各學(xué)科的交叉研究變得非常豐富。在信息學(xué)方面，機(jī)器人得到了最廣泛的應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)業(yè)機(jī)器人以及國防機(jī)器人逐漸開始代替人工完成制造業(yè)、服務(wù)業(yè)以及國防安全領(lǐng)域的各種工作；在納米技術(shù)方面的研究，促進(jìn)了微納機(jī)器人的發(fā)展，并逐漸在環(huán)境監(jiān)測、生物學(xué)方面找到應(yīng)用結(jié)合點(diǎn)；在生物醫(yī)學(xué)方面，許多原型機(jī)給科學(xué)家們提供了機(jī)理驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)平臺……可以看到，機(jī)器人已經(jīng)不再是簡單的自動化機(jī)器，而是人們在各種領(lǐng)域的得力“助手”。

如何從根本上提升機(jī)器人的智能，是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要問題。經(jīng)歷了長期的發(fā)展過程，人們普遍認(rèn)為機(jī)器通常在動力、速度、精巧性方面優(yōu)于人類，而人類具有智能、感知、情感等機(jī)器部分具有或者不具有的能力和特點(diǎn)。人們自然希望可以將二者各自的優(yōu)點(diǎn)融合在一起，實(shí)現(xiàn)“人-機(jī)協(xié)作”。早在20世紀(jì)50年代，已有研究人員開展了相關(guān)的工作，從具體任務(wù)出發(fā)（如工業(yè)制造），研究離線狀態(tài)下的人-機(jī)交互。20世紀(jì)90年代，人們開始研究實(shí)時(shí)交互問題，將服務(wù)機(jī)器人與人結(jié)合在一起。然而這種協(xié)作主要從功能角度使人和機(jī)器人共享智能，并不算真正意義上的融合。在這一過程中，人做一部分，機(jī)器人做一部分，二者分工完成同一任務(wù)。自2010年來，人們更加關(guān)注“認(rèn)知-合作”，機(jī)器人作為人的“同事”，和人在一起工作。

圖2　機(jī)器人“人-機(jī)協(xié)作”路線圖

在未來，人們希望可以將人的智能引入機(jī)器人系統(tǒng)，使機(jī)器人能夠像人一樣思考，從而“配合”人的工作，共同完成任務(wù)。這種類腦智能不同于以往讓機(jī)器人從功能上“像人”的思路，而是從細(xì)胞等微觀層面入手，從機(jī)理上對人進(jìn)行模仿，從而讓機(jī)器人由內(nèi)向外都“像人”（圖2）。

談自忠美國華盛頓大學(xué)資深教授，清華大學(xué)自動化系客座教授，ⅠEEE Fellow，ⅠFAC Fellow。曾任ⅠEEE董事會董事、ⅠEEE系統(tǒng)與控制部主任、ⅠEEE機(jī)器人與自動化學(xué)會主席等職。長期致力于系統(tǒng)科學(xué)與控制理論研究，涉及隨機(jī)濾波與控制；雙線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)與神經(jīng)系統(tǒng)控制；量子力學(xué)濾波與控制；機(jī)械臂動態(tài)控制等領(lǐng)域。在以上領(lǐng)域發(fā)表國際期刊文章上百余篇。曾多次被列入美國當(dāng)代科學(xué)技術(shù)名人錄以及國際工程界名人錄。2010年獲中科院“愛因斯坦講座教授獎”和美國自動控制協(xié)會的“John R.Ragazzini”獎。E-mail：tarn@wurobot.wustl.edu

Tzyh Jong Tarn，senior professor with the Department of Electrical and Systems Engineering,Washington University in St.Louis,the Guest Professor with the Department of Automation,Tsinghua University in Beijing.He is a Fellow ofⅠEEE andⅠFAC.As an active member of theⅠEEE,he served as a member of theⅠEEE Board of Directors,the Director of theⅠEEE Division X（Systems and Control）,the President of theⅠEEE Robotics and Automation Society,etc.Prof.Tarn devoted his time to the research for science and control theory of systems,including stochastic filtering and control；control of bilinear,nonlinear, and neutral systems；quantum-mechanical filtering and control；and dynamic control of robot arms.He has been listed in Who’s Who in American Science and Engineering,Who’s Who in Engineering Academia for several times.Ⅰn 2010,He received the Einstein Chair Professorship Award from Chinese Academy of Sciences and John R.Ragazzini Education Award from AmericanAutomatic Control Council.E-mail：tarn@wurobot.wustl.edu

The Future Trend of Robotics and Automation

Tzyh Jong Tarn

（System Science andApplied Mathematics Department,Washington University,St.Louis 63130,USA）

This paper first discussed the application area of robots,and the motivation power for the promotion of the science and technology of robotics and automation.By a brief review of the last Technology Revolution,the significant changes in robotics and automation was analyzed.Nowadays,the robots have been combined with numerous research areas,resulting in novel prototype robots appearing every day.Ⅰn the future,the intelligence of robot will be the main breakthrough,in which the human’s intelligence should be considered.

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*修改稿收到日期：2015年10月20日