□文/丁漢

共融機(jī)器人的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)

□文/丁漢

未來(lái)機(jī)器人將有3個(gè)特征：1.機(jī)器人與環(huán)境的共融；2.機(jī)器人與人之間的協(xié)同；3.機(jī)器人與機(jī)器人之間的共融。將來(lái)，機(jī)器人可能具有多模態(tài)傳感，能夠更加理解人類的需求。未來(lái)機(jī)器人的發(fā)展具有非常廣闊的前景，尤其是隨著人工智能技術(shù)、新材料技術(shù)以及各方面應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人的明天會(huì)更加美好。

丁漢 中科院院士、機(jī)械電子工程專家，現(xiàn)任華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，主要從事機(jī)器人與智能制造研究, 研究成果在航天、能源和汽車領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。

現(xiàn)在，制造業(yè)處于非常關(guān)鍵的轉(zhuǎn)型階段。這個(gè)階段的挑戰(zhàn)性會(huì)更大，面臨的問題也會(huì)更多。我國(guó)制造業(yè)經(jīng)歷了從無(wú)到有、從小到大的過(guò)程，但是的如何解決從大到強(qiáng)這個(gè)使命，還是非常艱巨的，并且花費(fèi)的時(shí)間也會(huì)比較漫長(zhǎng)，所以，我們需要以平和的心態(tài)去面對(duì)。

產(chǎn)品創(chuàng)新是第一要素

目前，我國(guó)制造業(yè)發(fā)展參差不齊，表現(xiàn)為同一時(shí)期規(guī)?；?shù)字化，智能化并行。有些企業(yè)的產(chǎn)業(yè)水平較高一點(diǎn)，可能已經(jīng)達(dá)到了部分?jǐn)?shù)字化和智能化的要求，但是大部分制造企業(yè)還處于一個(gè)低水平階段、人工作業(yè)的階段。

在這個(gè)過(guò)程中我們?nèi)绾文軌騽?chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展呢？我認(rèn)為解決好產(chǎn)品創(chuàng)新是關(guān)鍵。因?yàn)椋a(chǎn)品創(chuàng)新是引領(lǐng)制造，包括機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)保障。所以產(chǎn)品創(chuàng)新應(yīng)該是一個(gè)行業(yè)前進(jìn)的命脈，一個(gè)產(chǎn)品可以帶動(dòng)一個(gè)行業(yè)的發(fā)展，同時(shí)，產(chǎn)品模式的創(chuàng)新也是很重要的。

但是，我國(guó)制造業(yè)整體的創(chuàng)新能力和關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家還有較大差距。近年來(lái)，我國(guó)開始高度重視創(chuàng)新能力的建設(shè)。2015年，國(guó)務(wù)院頒布了《中國(guó)制造2025》規(guī)劃綱要，把中國(guó)制造提到國(guó)家戰(zhàn)略高度，制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)與制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)是我國(guó)未來(lái)立足于世界的必然選擇。

《中國(guó)制造2025》核心是以智能制造為主攻方向。所謂工業(yè)智能化，發(fā)展起來(lái)可能會(huì)更加漫長(zhǎng)一點(diǎn)，而且智能化跟傳感技術(shù)、信息技術(shù)、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等密切相關(guān)，所以智能化技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)也會(huì)更多。每個(gè)企業(yè)的特點(diǎn)不一樣，不是每一家企業(yè)都必須實(shí)現(xiàn)智能化。我覺得實(shí)現(xiàn)什么化并不重要，重要的是如何提高產(chǎn)品質(zhì)量，提升工作效率，贏得市場(chǎng)。

一個(gè)企業(yè)首先得在市場(chǎng)上站穩(wěn)腳跟，這點(diǎn)非常重要?；谟行┢髽I(yè)所在行業(yè)的特點(diǎn)具有非?？焖俚淖兓芷冢员仨氁?qū)動(dòng)創(chuàng)新。通過(guò)現(xiàn)在的信息化手段，加強(qiáng)裝備的性能和適應(yīng)能力，同時(shí)使它在工藝知識(shí)上不斷的積累。這是因?yàn)橹圃鞓I(yè)很重要的一個(gè)特點(diǎn)就是要長(zhǎng)期進(jìn)行知識(shí)積累，而并不是購(gòu)買了幾臺(tái)機(jī)器人就可以稱之為智能化。

智能制造的發(fā)展應(yīng)該具有一定的積累，智能制造最早得益于數(shù)字化，數(shù)字化是發(fā)展智能化的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，離開數(shù)字化來(lái)談智能化就是空話。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，資源可以動(dòng)態(tài)地存儲(chǔ)，慢慢地通過(guò)一些方法，就能夠?qū)崿F(xiàn)智能化。智能化的體現(xiàn)可能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)里更加重要，因?yàn)樵O(shè)計(jì)是靈魂，設(shè)計(jì)可以帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展。從制造層面上來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)包括兩方面——智能設(shè)計(jì)和制造過(guò)程。其中，制造過(guò)程是對(duì)狀態(tài)進(jìn)行感知、分析、決策，最后到執(zhí)行。因此，智能制造不是一蹴而就的，也是分幾個(gè)階段進(jìn)行，從最早的互聯(lián)網(wǎng)資源共享到人工智能的出現(xiàn)，慢慢才走向智能化。所以，智能制造是個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)的堅(jiān)持不懈的追求目標(biāo)，而現(xiàn)在它還處在一個(gè)概念階段。

智能制造有幾個(gè)核心特征，我覺得最主要的就是通過(guò)數(shù)字化、智能化手段把客戶的需求反饋到產(chǎn)品的開發(fā)、生產(chǎn)、服務(wù)中去，形成一個(gè)閉環(huán)的反饋，把每個(gè)步驟都串成一條整線。另外還有很重要的一條線，就是在內(nèi)部設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、物流到營(yíng)銷上也形成一條整線，實(shí)現(xiàn)智能制造就是要將這兩條線集成起來(lái)。第一，客戶到產(chǎn)品服務(wù)這條線要貫穿；第二，從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)再到物流要貫穿。這個(gè)集成過(guò)程將是一個(gè)很大的范疇，每個(gè)人和每個(gè)企業(yè)只能做其中的一部分，所以希望企業(yè)都能參與進(jìn)來(lái)，行動(dòng)起來(lái)，共同推動(dòng)智能制造的發(fā)展。

無(wú)論如何，這兩條線里最為關(guān)鍵的核心還是產(chǎn)品的智能化。人們都知道智能的產(chǎn)品能給社會(huì)帶來(lái)很大變化，就像人們常提到的大疆無(wú)人機(jī)。幾年前，幾個(gè)青年在深圳的小辦公室里搗鼓無(wú)人機(jī)，并創(chuàng)立了大疆品牌。而今天，大疆已經(jīng)發(fā)展成為市值六七十億元的公司。目前，我國(guó)很多中低端產(chǎn)品過(guò)剩，但中高端產(chǎn)品卻供不應(yīng)求。所以好的設(shè)計(jì)能改變生活。我個(gè)人認(rèn)為，智能制造很重要的特點(diǎn)就是產(chǎn)品的智能化。由于人們對(duì)產(chǎn)品的要求不斷提高，企業(yè)的產(chǎn)品增加了智能的設(shè)備后，競(jìng)爭(zhēng)力立刻會(huì)有所提升，所以，產(chǎn)品創(chuàng)新是重中之重。

離開了產(chǎn)品創(chuàng)新，單獨(dú)談智能制造，純粹是概念炒作。

產(chǎn)品創(chuàng)新是必要的，也是一個(gè)過(guò)程。所以，人們應(yīng)該思考智能制造該如何進(jìn)行創(chuàng)新的過(guò)程，使它縮短周期，使創(chuàng)新更加方便。有的產(chǎn)品創(chuàng)新，無(wú)非就是設(shè)備外加傳感器，而且還可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制生產(chǎn)。不過(guò)，還能做到更好。除了加傳感器外，還可以輸入一些算法，使其具有一定的自主性，跟人實(shí)現(xiàn)交互。雖然能夠與人交互的機(jī)器人已經(jīng)誕生了，不過(guò)這些產(chǎn)品還不夠成熟?，F(xiàn)在，大家都是在市場(chǎng)中摸索前行，尋找一條正確的產(chǎn)品創(chuàng)新道路。

當(dāng)然，在智能制造的創(chuàng)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(guò)程中有很多狀態(tài)，需要大量地積累，所以這是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)期的過(guò)程。很多國(guó)外的中小企業(yè)在裝備領(lǐng)域做得很好，這是為什么？因?yàn)樗麄儙资?、?shù)百年就專注只做一件事。裝備的智能化也是同樣的道理，只有把裝備做到極好，每個(gè)細(xì)節(jié)做到極致，中國(guó)的裝備在國(guó)際高端市場(chǎng)才能有出路。

這樣廣闊的市場(chǎng)，也不是一蹴而就的。需要大量的融合，大量的實(shí)驗(yàn)，大量的抗干擾能力測(cè)試，把裝備實(shí)驗(yàn)慢慢地做起來(lái)。裝備的智能化道路對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)，還是條艱苦漫長(zhǎng)的道路。

現(xiàn)在，車間智能化的建設(shè)可謂是蒸蒸日上。在數(shù)字化車間的建設(shè)上，很多企業(yè)做得非常好。數(shù)字化車間就是對(duì)每個(gè)狀態(tài)信息進(jìn)行采集，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這個(gè)車間的需求，這對(duì)中小企業(yè)來(lái)講，只是一個(gè)工作量的問題。但是，大型企業(yè)工廠的智能化做得相當(dāng)不錯(cuò)。越大反而越好做，越小反而比較難。就像加工一個(gè)復(fù)雜零件，一個(gè)平面點(diǎn)要做到光滑可能花費(fèi)十年時(shí)間都很難做成功，而數(shù)字化車間可能兩年就做出來(lái)了。所以說(shuō)，在制造過(guò)程中，有時(shí)很小的一件事情或許要花很長(zhǎng)的時(shí)間才能得到解決。

智能制造核心技術(shù)在哪里

智能制造最核心的幾個(gè)技術(shù)中，一個(gè)是數(shù)字制造技術(shù)，一個(gè)是傳感技術(shù)。

先來(lái)說(shuō)數(shù)字制造技術(shù)。數(shù)字化制造要求制造過(guò)程要有模型，還要有方針，包括產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)以及數(shù)控技術(shù)，還有產(chǎn)品管理，企業(yè)協(xié)同技術(shù)等等，這些都是數(shù)字化制造的基礎(chǔ)。離開了數(shù)字化就根本談不上智能化。

第二個(gè)技術(shù)是傳感技術(shù)。各式各樣的傳感器在企業(yè)里用得越多，企業(yè)掌握的信息也就越多。這些信息可能有嵌入的，有絕對(duì)的，有相對(duì)的，有靜止的，有動(dòng)態(tài)的，這些傳感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(jī)床那樣“傻大笨粗?！边@些技術(shù)都很關(guān)鍵，都是智能制造非常重要的組成部分，并且快速推動(dòng)著機(jī)器人的發(fā)展。

自1959年第一臺(tái)機(jī)器人誕生以來(lái)，機(jī)器人在服務(wù)業(yè)、制造業(yè)方面發(fā)揮了極其重要的作用。工業(yè)機(jī)器人的最大應(yīng)用在汽車領(lǐng)域，汽車制造用的機(jī)器人個(gè)頭最大?，F(xiàn)在慢慢擴(kuò)大到老人護(hù)理、安保，太空勘探等領(lǐng)域，在各行各業(yè)發(fā)揮著不可替代的作用。

但是，目前機(jī)器人各方面感知能力都很差，只能在結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中工作。人機(jī)合作也都是進(jìn)行簡(jiǎn)單的工作，特種機(jī)器人很多的交互過(guò)程是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們要求的。今天的機(jī)器人，它的功能和實(shí)用性與人類的愿望有很大差距，需要我們幾代人為之努力工作，并且還要伴隨著其他學(xué)科的進(jìn)步共同推動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展，所以，大家對(duì)機(jī)器人的期望值不能太高。今年的世界達(dá)沃斯論壇談到，機(jī)器人將是一場(chǎng)新的工業(yè)革命，將會(huì)成為經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域新的增長(zhǎng)點(diǎn)，并且會(huì)帶來(lái)萬(wàn)億美元的產(chǎn)值。

機(jī)器人的先進(jìn)性是可以看出來(lái)的。世界各國(guó)都在制訂機(jī)器人的計(jì)劃，其實(shí)全球最大的機(jī)器人市場(chǎng)是在中國(guó)。隨著《中國(guó)制造2025》的實(shí)施，我國(guó)在機(jī)器人應(yīng)用發(fā)展上正在迎來(lái)新的機(jī)遇。機(jī)器人的發(fā)展歷程，最早是模擬生命體簡(jiǎn)單的應(yīng)用，慢慢地模擬生命體的智能自主決策，到現(xiàn)在機(jī)器人做得比較多的是模擬智能，模擬整個(gè)群體智能。

未來(lái)的機(jī)器人怎么發(fā)展，可能將會(huì)由現(xiàn)在的簡(jiǎn)單交互，發(fā)展到與環(huán)境、人的交互，機(jī)器人發(fā)展一定會(huì)呈現(xiàn)出這樣的變化趨勢(shì)。有兩點(diǎn)可以肯定，無(wú)論機(jī)器人怎么發(fā)展，高速、重載，安全性是必須的。不管什么學(xué)科，例如機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、機(jī)器人傳感、機(jī)器人結(jié)構(gòu)、并聯(lián)機(jī)構(gòu)等，未來(lái)機(jī)器人的特點(diǎn)，一個(gè)是效率可靠、安全、力氣大和靈活。另一個(gè)特點(diǎn)可能就是人與機(jī)器人怎樣共融。機(jī)器人和人類共同把一件事情做好，而不是機(jī)器人代替人做好，人發(fā)揮人的優(yōu)勢(shì)，機(jī)器人發(fā)揮機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)，兩者相鋪相成。未來(lái)的機(jī)器人要能夠與人共融，實(shí)現(xiàn)自然交互，也能夠適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)與環(huán)境的交互。

共融，一定是機(jī)器人未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

還有一個(gè)很重要的問題，就是機(jī)器人和機(jī)器人之間要相互了解。一方面，牽扯到個(gè)體的自主，能夠獨(dú)立地判斷。另一方面，群體之間，有感知、認(rèn)知博弈。當(dāng)然，不管與人還是與群體之間的交互都很重要。將來(lái)，人可以通過(guò)和機(jī)器人舒服地接觸來(lái)增強(qiáng)人體的感觸，并且機(jī)器人能夠精確理解人的問題，所思即所答。這是未來(lái)機(jī)器人主要的發(fā)展方向，也就是人們所說(shuō)的融合。

呼吁一下，我國(guó)的機(jī)器人發(fā)展一定要深深地扎根在技術(shù)理論上。離開了技術(shù)研究，離開了基本問題的研究，機(jī)器人的發(fā)展就會(huì)缺乏后續(xù)動(dòng)力。因此，機(jī)器人發(fā)展的動(dòng)力一定來(lái)源于科學(xué)的發(fā)展。把科學(xué)發(fā)展的問題解決了，機(jī)器人的技術(shù)才會(huì)更進(jìn)一步。

機(jī)器人將來(lái)的核心問題可能在三個(gè)方面。一個(gè)是機(jī)構(gòu)，需要有這樣的順應(yīng)性。另一個(gè)是外感知、多模態(tài)，機(jī)器人要對(duì)環(huán)境有所認(rèn)知。還有一個(gè)是分布協(xié)調(diào)控制。這些都是支持我們改變機(jī)器人發(fā)展必不可少的一部分。所以，大家拼命做機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的同時(shí)，也要建立機(jī)器人科學(xué)中心、機(jī)器人研發(fā)基地。離開了這樣的科學(xué)中心，后續(xù)的發(fā)展就會(huì)缺乏動(dòng)力。有了這些研究機(jī)構(gòu)的支撐，我們才能在機(jī)器人的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中不會(huì)落后。

制造業(yè)的思考

制造技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)在很多方面，值得一提的是德國(guó)弗勞恩霍夫研究所，它的每個(gè)部門都只專注研究一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，然后把這個(gè)技術(shù)做透，能夠在企業(yè)里應(yīng)用，成熟度可以做到九成，這種模式非常好。就算得到政府長(zhǎng)期的支持，但政府也只能提供研發(fā)經(jīng)費(fèi)的三分之一。所以，我有一點(diǎn)思考，因?yàn)樽约鹤鲞^(guò)一些國(guó)家支持的科研項(xiàng)目，但是有些技術(shù)為什么走不到市場(chǎng)上去，這里可能有兩個(gè)問題。一個(gè)是，高校老師太關(guān)注論文；另一個(gè)是，企業(yè)關(guān)注的只是成套的徹底性解決方案。所以在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，我們的后備力量不足。實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)成果雖有很小的誤差，但這個(gè)技術(shù)就是走不出實(shí)驗(yàn)室。在這樣的思考下，我們?cè)诮K也成立了無(wú)錫研究院，目的是和德國(guó)弗勞恩霍夫研究所對(duì)標(biāo)。同時(shí)，我們也跟企業(yè)的聯(lián)系非常密切，感覺到企業(yè)對(duì)智能制造的需求量是很大的。所以，這樣的機(jī)會(huì)很難得。一些高校博士、研究生畢業(yè)之后進(jìn)入到研究院，然后我們一起花時(shí)間研究這個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)，讓它在未來(lái)更加的可靠。截止到目前，無(wú)錫研究院已經(jīng)發(fā)展到有100多名專職人員，這些人都是推動(dòng)技術(shù)發(fā)展的中堅(jiān)力量。那么，我們主要做三個(gè)技術(shù)：數(shù)字化技術(shù)，智能化技術(shù)，還有智能化車間技術(shù)。

大型風(fēng)電葉片生產(chǎn)項(xiàng)目是我們做過(guò)的較滿意的項(xiàng)目。葉片生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，工人十分辛苦，所以機(jī)器人要盡快進(jìn)入這個(gè)行業(yè)，通過(guò)6~7臺(tái)機(jī)器人并行加工的方式就能夠?qū)θ~片進(jìn)行高效率加工。將來(lái)一定會(huì)出現(xiàn)一些“能工巧匠”的機(jī)器人，但是“能工巧匠”的機(jī)器人在機(jī)構(gòu)、控制、測(cè)量上都有一些新的挑戰(zhàn)。機(jī)器人代替工人加工是大勢(shì)所趨，這是一個(gè)很好的方向。我們可以充分發(fā)揮機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)彌補(bǔ)數(shù)控機(jī)床加工一些大型零件的不足。

將來(lái)，制造技術(shù)的發(fā)展可能不單單是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的傳承，更多則是一個(gè)學(xué)科的交叉。尤其是和信息、材料、力學(xué)、物理的交叉，通過(guò)學(xué)科交叉慢慢走向智能化?？偠灾?，智能制造追求的一定是適應(yīng)性以及自律性，同時(shí)也面向我國(guó)的高端裝備的重大需求，一旦離開了國(guó)家的需求，可能會(huì)很難有所發(fā)展。還要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，拓展學(xué)科新的增長(zhǎng)點(diǎn)，培養(yǎng)高水平、高素質(zhì)的人才，同時(shí)在國(guó)際舞臺(tái)上加強(qiáng)合作等等。能夠真正實(shí)現(xiàn)我國(guó)的制造業(yè)從數(shù)字化走向智能化，從而為國(guó)家邁向制造強(qiáng)國(guó)貢獻(xiàn)力量。

（根據(jù)作者近期演講整理，未經(jīng)本人確認(rèn)。）