王天然院士:机器人产业应着眼“人机共融”

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■本报记者 冯丽妃

变“主仆关系”为“伙伴关系”的人机共融机器人,或是机器人制造产业下一个突破口。现阶段工业机器人乃至服务机器人发展得并不理想的原因之一,就是没有跟人融合在一起,而机器人发展的下一个阶段,人机共融的模式将成为主流,制造服务将成为新的业态。

现在是机器人发展的最好时期,但依然有很多不足,如工业机器人在船舶焊接、飞机装配等很多方面力所不能及,服务机器人不能真正地照顾、护理老人。“其根本原因在于不能和人融合在一起。

“在技术进步和需求增长促进下,中国正在掀起机器人热潮:机器人园区和机器人企业如雨后春笋般快速增长。”近日,在2015国家机器人发展论坛上,中国工程院院士王天然指出,过去13年间,中国机器人销量“增长了两个数量级”,已超越日本成为全球第一大市场。

机器人足球场上,一个机器人“队员”仰面摔倒在地。只见它两只脚撑地、腰部发力,企图挺着“爬”起来,笨拙的样子让人着急。“好费劲啊,还能这样站起来。”围观的一位小朋友忍不住喊道。这是《中国科学报》记者近日在2018Robot Cup机器人世界杯开幕式上看到的一幕。同行的一位记者朋友半开玩笑地评论说:“机器替代人的事情可以先不用担心了。”

“人机共融”时代:机遇?挑战?

中原机器人销量,现在是机器人发展的极端时代。尽管近年来中国机器人市场突飞猛进,但IFR对中国相关产业并不乐观,认为中国机器人产业缺少技术创新;没有可以参与国际竞争的骨干企业;国产产品市场占有率低;关键部件品质和可靠性落后世界先进水平5ued赫塔菲官方 ,~10年。

“机器人的发展还有很多不足。比如现在特别需要的高层建筑擦玻璃机器人、船舶焊接机器人、飞机装配机器人等,都还没有真正实现。”在同期举办的2018国家机器人发展论坛上,中国工程院院士王天然举例说,不仅工业机器人,现如今“大部分服务机器人都只是个玩具”,需要进一步寻求技术上的突破。

“下一代机器人将‘与人共融’,如果能抓住这个机遇,中国将在机器人创新舞台上扮演一个特殊的角色。失掉这个机会,也许会更加落后。”4月13日,在2018国家机器人发展论坛暨2018Robo Cup机器人世界杯中国赛开幕式上,中国工程院院士王天然说。

对此,王天然表示没必要因此悲观。“我国经过多年的努力,已经掌握了工业机器人的设计和应用技术,一些先驱企业已经走向了自主发展道路。”他举例说,当前国内已经有相当多的民营企业自掏腰包制造减速器,尽管产品与日本和德国相比仍有差距,但产业“已经起来了,可以指望不久的将来中国减速器的诞生”,而且相关产业可以做大。

在诸多酝酿着突破的领域中,王天然认为,变“主仆关系”为“伙伴关系”的人机共融机器人,或是机器人制造产业下一个突破口。

图为2018国家机器人发展论坛暨2018RoboCup机器人世界杯中国赛开幕式启动现场

“当然我们也存在问题,主要是企业规模小,企业整体创新动力不足,部分关键部件还要依赖进口。”王天然说。

人机共融将成为主流

王天然表示,现在是机器人发展的最好时期,但依然有很多不足,如工业机器人在船舶焊接、飞机装配等很多方面力所不能及,服务机器人不能真正地照顾、护理老人。“其根本原因在于不能和人融合在一起。”王天然说。

就当前市场应用来说,他表示,机器人目前主要集中应用于“有钱”的行业——即高成本、大批量的生产领域,如机器人几乎参与了汽车生产的所有制造过程。然而,在再制造行业如车辆、飞机、冰箱以及其他消费品的装配与拆卸行业,还有劳动密集型行业,仍然是100%的手工操作。

在国家机器人发展论坛的主题演讲中,王天然提到,当前有相当多的劳动密集型工业产业,一直在喊着机器换人、黑灯工厂,但实际上,最终的结果并不是很理想。

未来机器人将实现“人机共融”,即机器人和人的关系发生根本转变,由奴仆变为伙伴。机器人技术正蕴含着突破,中国该如何抓住这个机遇?

同时,当前机器人产业仍然面临许多技术挑战。如现有工业机器人仍然无法与人高效交流,缺乏本质安全机制,无法接受抽象命令等。服务机器人也存在诸如机器人无法准确识别人体运动意图,柔顺性、运动协调性以及人体舒适度比较差,缺乏高效、高密度能源以及动力装置等问题。

“相当多的劳动密集型的工作,机器人未必能够胜任。”他举例说,富士康公司曾经希望用100万台机器人代替人工,但最终发现,很多工作机器人代替不了。“此外,包括风靡全球的‘再制造’产业,也都是‘手工作坊’——把发动机拆下来、洗净油污、维修翻新,并没有现成的规律可循。”

何为“人机共融”

在此背景下,由不断发展的材料和信息技术带动的“机器人革命”将有望成为“第三次工业革命”的一个切入点和重要增长点,并将影响全球制造业格局。而在此过程中,中国“将成为全球最大的机器人市场”。

王天然认为,现阶段工业机器人乃至服务机器人发展得并不理想的原因之一,就是“没有跟人融合在一起”,而机器人发展的下一个阶段,“人机共融的模式将成为主流”,制造服务将成为新的业态。

工厂里,机器人在有序地抓取零件,外面是高高的护栏,人只能远远地看着,这是人们常见的情景。现在人和机器人的关系,主要是控制,如果出现故障,机器人“发脾气”就很危险。

“新一代机器人并非是简单地取代人,而是要响应环境、要灵活、要与人合作。”王天然说,“它将重新定义机器人与人的关系,从原来‘奴仆—主人’关系向合作伙伴转变。”比如,未来工业机器人将走下神坛,成为生产系统中的一个部件,实现“即连即用”。它们将更灵活地变更作业、更快地编写程序,灵活地移动和更快组成新的工作单元,费用也将更加便宜。

机器人走向人机共融有其必然。当前,机器人主要有工业机器人、服务机器人和特种机器人三大类。其中,工业机器人在3C装配制造、物流仓储搬运以及农副产品制造等领域应用最广;服务机器人则在机器人助理、聊天和陪护等领域有着很大的市场空间;特种机器人的主要应用市场是智能汽车、无人机、医疗手术和金融交易决策等领域。

“共融是人和机器人很近。”王天然说,就是能在同一自然空间里工作,能够紧密地协调,能够自主地提高自己的技能,能够自然地交互,同时要保证安全。实现这样的与人共融的机器人,人与机器人的关系就会改变,是一种朋友关系,可以相互理解、相互感知、相互帮助。

王天然表示,当前实现人机共融仍有许多新的技术需要攻克,比如提高机器人的感知技术,进行行为和结构优化,使它们拥有像人一样的学习、感知技能。“面向未来,与人共融——任务融合、行为融合、智能融合——的新一代机器人应该成为我国产业界高度关注的方向。”王天然说。

尽管想象空间巨大,但现实中的机器人与人们期望值还有很大的差距。中国科学院自动化所研究员乔红告诉记者,一方面,机器人融合了多个学科体系,需要整合软件、硬件等方面的不同知识,产品开发非常困难,需要大规模的研发团队和很长的研发周期,要进入市场就要花更多时间。另一方面,目前工业机器人大多在结构化的环境中工作,服务机器人只能完成一些简单任务,特种机器人还要依靠遥控完成特定工作。

图为中国工程院院士王天然在做大会主题报告

“有人预言人机共融机器人Cobot从Robot演化而来,将在2025年以后成为机器人中的主流,未来还将衍生出大量新的工作领域,带来更大的发展机会。”王天然说,Cobot的使命不是取代人,而是响应环境、要灵活、与人合作。“人机关系的改变,将成为一个新的突破。”

王天然表示,与人共融,就是要让机器人把人的符号化、学习、预见、自我调节以及逻辑推理能力与机器的精准、力量、重复能力、作业时间、环境耐受力结合在一起。

人机共融助力智能制造

通俗地讲,未来工业机器人将走下神坛,成为生产系统中的一个部件,实现“即连即用”。它们将更灵活地变更作业,更快地编写程序、移动和组成新的工作单元,费用也将更加便宜。

在国家机器人论坛上,德国菲尼克斯电气公司副总裁杜品圣在题为《人工智能助力机器人行业的发展》的演讲中提到,在人机共融机器人时代,人工智能将扮演重要角色。

新一代机器人并非取代人

“人工智能是按照人的器官功能,如模拟人的眼睛、耳朵、大脑等机能进行开发研究,没有这些,机器人不会成为实现智能制造的有力武器。”杜品圣说,在过去的十年里,人工智能一直在对制造业起提升作用。正如德国人工智能研究中心教授Wahlster所言,如果没有人工智能,就不可能充分实现工业4.0。

有数字显示,2016年,全球工业机器人销量增长16%,服务机器人销量增长24%。中国成为了全球工业机器人的第一大市场,工业机器人产销量连年刷新世界纪录。

杜品圣告诉记者,将智能机器人应用于整个生产制造链,意味着更大范畴上的人机共融。“未来的自动化制造,不是机器换人、工厂无人、机器造人,而是机器助人、工厂要人、智能学人。”他举例说,比如,人同时操控多个机器人协同工作,可以提高效率、增加灵活性;人与机器人协调互动,不仅将提高机器人的加工精度和加工速度,还能增强机器人的自学习功能。

因此,一些人担忧,机器人如此聪明,会取代人的劳动,从而统治人。事实真的如此吗?

“未来,人机共融机器人系统,还将进一步利用专家系统和最优决策系统,开发新一代智能机器人。”杜品圣表示。

“新一代机器人并非是简单地取代人,而是要响应环境、要灵活、要与人合作。”王天然说。

今年3月,有媒体报道浙江义乌“世界杯订单”机器换人的问题,指出工厂并未找到适合中小规模工厂的柔性换线方案,认为“机器换人后的效率并不明显”。

对此,“工业4.0之父”沃尔夫冈⋅瓦尔斯特曾指出,人工智能是工业4.0的驱动力,很多人认为工业4.0就是无人化生产,事实是即使在未来十年里,其要实现的也不是无人生产,而是组合性的生产。

“这说明仅依靠传统的工业机器人已经不能胜任人们对效率提升的要求,感知型机器人或协作机器人市场潜力巨大。”美的集团电机技术研究高级工程师龚黎明认为,协作机器人以其安全、低成本、易于上手的使用方式和较低的改造成本,特别适用于以小批量、定制化为主的中小型企业。“长期来看人机协作是方向,人机融合机器人市场潜力巨大。”

确实,菲尼克斯电气中国公司杜品圣博士表示,人工智能是按照人的功能,如模拟人的眼睛、耳朵、大脑等机能进行开发研究,从而助力制造业发展。“并非此前人们担心的机器换人、工厂无人、智能造人,而是机器助人、工厂要人、智能学人。”

关键部件亟待国产化

机器人精度、柔顺性亟待突破

在跟上机器人发展新趋势的同时,龚黎明提醒,我国工业机器人目前国产化率不足30%,大量进口自日本和德国,特别是在成本占比约70%的伺服驱动系统、控制器、减速器三大核心部件上,亟待实现国产化替代。

足球场上,一个机器人摔倒了,两条腿弓着,腰使劲往上仰,企图爬起来,感觉像两三岁的孩子摔倒一样。“好费劲啊,还能这样站起来。”边上有小朋友说,这是记者在开幕式上看到的情景。

“我国在‘中国制造2025’战略中制定了在2020年实现50%的工业机器人国产化的目标,目前来看,形势不容乐观。”龚黎明说,国产化的关键是三大核心部件的国产化,但现在除国产控制器较为成熟、是机器人关键核心部件中与国外差距最小的零部件之外,2017年的统计数据显示,国外品牌占据了中国交流伺服市场80%左右的市场份额,高端市场国内企业整体份额不足10%;国产品牌减速器占国内市场不到20%。

“这就说明机器人的柔顺性还不够,其关节不像人的关节那样灵活,人手一个简单的撑地动作,对机器人都是极大的考验。”中国工程院院士郑南宁说。

“我国低水平重复建设的隐患初步显现,小、散、弱等问题仍未得到根本改变。”龚黎明告诉记者,除了在机器人成本结构中比重较大的减速机、伺服驱动系统、控制器都严重依赖进口之外,机器人的顶层架构设计和基础技术也被发达国家控制,“国产机器人并不具备显著成本优势”。

确实,在中科院自动化所研究员乔红看来,目前,高精度是机器人需要突破的关键技术之一,很多工业级装备标准已经将误差控制在0.02—0.04毫米内,但在一些要求极高的操作中,精度仍然不够。为此,乔红提出“环境吸引域”的概念,将机器人的系统映射到另外一个空间,约束对系统形成了广泛存在的“吸引域”,利用存在条件以及相应的依赖吸引域实现高精度计算。

关键核心技术是利器。“发达国家不会轻易向中国转移或授权机器人核心技术、专利,我国机器人企业通过参与国际标准制定、技术合作研发进入中高端市场的阻碍还未完全扫除。”龚黎明认为,在中美贸易战背景下,我国应该看到通信行业的前车之鉴,在制备预案的同时,正视我国在工业机器人领域的问题,认真发展国产机器人产业。

“再就是高柔顺性。”乔红说,由于柔顺性操作没有解决,我国3C制造业2016年收入达9.84万亿元,仍以女工装配为主;2017年3C行业机器人密度仅为11台/万人。

因此,乔红认为,未来的机器人应具备速度更快、精度更高、强度更大、可靠性更强、安全性更好、人机更融合等特点,只有这样,才能做到“心灵手巧”,中国一定要抓住这个机遇。