美的工业技术旗下高创亮相第八届机器人峰会

“第八届中国机器人峰会暨智能经济人才峰会在浙江余姚盛大开幕，峰会以“机器智联、赋能万物”为主题，围绕机器人核心关键技术、数字化产业链技术、机器人高端技术应用等重点领域，推动数字经济和实体经济融合发展，推动壮大机器人产业规模能级，近百家国内外翘楚企业、机构与科研平台汇聚，现场实体展示500余件最新应用产品、技术成果和解决方案。”5月24日，第八届中国机器人峰会暨智能经济人才峰会在浙江余姚盛大开幕，峰会以“机器智联、赋能万物”为主题，围绕机器人核心关键技术、数字化产业链技术、机器人高端技术应用等重点领域，推动数字经济和实体经济融合发展，推动壮大机器人产业规模能级，近百家国内外翘楚企业、机构与科研平台汇聚，现场实体展示500余件最新应用产品、技术成果和解决方案。美的集团旗下美的工业技术、机器人与自动化、美云智数三大业务与美的蓝橙实验室联合亮相峰会，展现美的在机器人领域的硬件、软件及研发强大的整体实力，尤其是更契合国内本土需求，推动机器人产业高质量发展，引领行业发展，助力国家“智造”升级。中国工程院原常务副院长潘云鹤院士、科技部高技术研究发展中心副主任卞曙光、工信部产业发展促进中心副主任李进忠、国家重点研发计划“智能机器人”重点专项总体专家组组长赵杰教授等峰会重要嘉宾莅临美的集团展位指导交流。中国工程院院士、原常务副院长潘云鹤教授（右一）到美的集团展位交流打造“工业之眼”：软硬件一体视觉方案2021年底，《“十四五”机器人产业发展规划》发布，提出我国到2025年成为全球机器人技术创新策源地、高端制造集聚地和集成应用新高地。其中工业视觉作为“工业之眼”，基于机器视觉技术的软件、硬件及解决方案，具备高感知效率、高精度、基本无人化等优势，是高端智能制造的核心要素之一。美的蓝橙实验室主任刘前进在展会现场接受采访时表示，实验室以战略装备产业重大需求为牵引，围绕产业链布局创新链，核心攻关重载机器人的全面自主化，助力国家战略产业的未来发展。该实验室打造的软硬件一体化机器人视觉方案，与美的工业技术旗下高创运动控制公司合作、研发的3D结构光工业相机以精度高、抗干扰力强、极致设计，以及智能化程度高引发行业关注。美的工业技术旗下高创研发的高精度3D结构光工业相机该3D相机首创仿真与成像回环优化算法自适应多样场景；拥有行业唯一数据生成技术精确快速生成海量标注数据，打破工业视觉数据私密性壁垒，AI落地时间减少95%；首创工件为中心的加工工艺快速配置方案，满足工件加工柔性化生产及免示教快速加工；具有自主知识产权的2D/3D视觉核心算法及高速机器人视觉伺服等核心技术，实现行业领先的0.5mm/0.5°精度及200hz高速视觉伺服。目前，该3D相机已完成工件上下料，工件焊接，精密装配及物流分拣等机器人视觉应用场景批量化落地，如配合库卡机器人，实现美的智能家电自动化产线上核心零部件的装配。高创PH2-R系列伺服电机此外，高创行业领先的运动控制综合解决方案也亮相本届峰会。其中，直驱系列高性能伺服驱动器，包括CDHD、CDHD2、CDHDE、LDHD2，采用高级控制算法支持多种反馈类型，具有高精度、高性能等特点，广泛适用于光伏、半导体、锂电、机器人、纺织、印刷、3C、CNC机床、食品饮料、新能源行业；高性能的PH2-R系列机器人专用伺服电机，拥有高精度、高可靠性、高功率密度的特点，电机长度达行业最短，紧急制动2000次，寿命500万次，其高性能的伺服系统是助力机器人提升生产效率的关键要素。高创的系统解决方案具有高效、高速、高精度特点，适合上下料、精密装配、搬运、点胶、涂胶等应用场景。

机器人

2023-05-30 09:23:11

人形机器人：“通吃”工业、商业和家用场景？

在2021年特斯拉的首个AI Day活动上，马斯克（Elon Musk）首次公开他关于人形机器人（Humanoid Robort）Tesla Bot的构想时，很多人也许认为这只是个玩笑——他让一位舞者扮成机器人在台上跳舞，并表示这将是2022年特斯拉最重要的产品。一年后的第二个特斯拉AI Day，特斯拉的双足类人机器人 Optimus（擎天柱）的原型机正式登场。 “擎天柱”首度自主登台向人群挥手，特斯拉还现场展示了其搬运箱子、为植物浇水在汽车工厂中移动金属棒的视频。图源：特斯拉官网马斯克强调，擎天柱是第一个没有外部稳定辅助、没有遥控、没有外带电源，完全靠AI算法、自身电池电控，以及高集成的电驱执行器驱动的人形机器人。这些年来，“工程师”马斯克种草了很多“技术单品”——从电动汽车、自动驾驶到脑机接口，从地球到火星……而过去一两年来，他则力推人形机器人。马斯克想让人形机器人在汽车生产线上工作。作为当前全球自动化程度最高的行业，汽车工厂内的自动化进程早在半个世纪前就开始了，而特斯拉的汽车生产线是目前全世界最先进、自动化程度最高的。不过一直以来，汽车的生产车间里，往往都是一个个庞大笨重的大型工业机器人，并且为了保障安全，这些机器人与人类员工相互隔离。至今尚无人形机器人应用在汽车工厂里。目前人类正处在一个由信息时代向人工智能时代进阶的过渡期，如果说智能手机的消费普及加速了信息时代的黄金发展，那么下一个引领人类从信息时代进阶到智能时代的科技硬件赛道或者现象级别大品类将会是什么？人形机器人会是其中之一吗？“擎天柱”背后的AI黑科技特斯拉团队表示，擎天柱的设计基于人体，希望其行为方式和人的行为尽可能接近。根据公布的参数，“擎天柱”身高172CM，体重57公斤，行动速度最高可达5.8英里每小时（约合9.33公里/小时），最多可提45磅重（约合20.41Kg）的物品。马斯克称这是他们 2022 年最重要的产品开发项目，甚至可能比汽车业务更重要。而按照马斯克的说法，具备智能驾驶功能的汽车正像是一种“有轮子的半智能机器人”。据介绍，特斯拉最先进的 AI 技术运用其中，擎天柱的头部配备了与特斯拉汽车相同的智能驾驶摄像头，算力支持由其FSD（Full Self-driving，自动驾驶）芯片提供，与汽车共用 AI 系统，利用Dojo超级计算机的训练机制去提升机器人的功能。Dojo图源：特斯拉官网特斯拉在AI日上表示，计划2023年之前在美国加州的PaloAlto建造第一台Dojo ExaPod——利用特斯拉自研计算芯片D1打造的超级计算机集群。据介绍，Dojo由D1芯片集成，25块D1集成为一个计算模块。一个计算模块，相当于6个通用GPU的性能，而成本和能耗仅相当于1个GPU。据此前公开报道，D1芯片由台积电代工，采用7nm工艺，拥有500亿个晶体管。特斯拉称，Dojo ExaPod预计将成为世界上最强大的超级计算机之一，将大幅提升计算效率，可望将花费数月的工作缩减至一周。此外，还有一些汽车的技术也运用到了擎天柱上，例如电池组、冷却系统等，还使用与汽车测试类似的技术来进行擎天柱的运动和对外部碰撞的模拟。特斯拉还展示了“擎天柱”人形机器人研发过程的不同版本，包括准备投产的擎天柱机器人版本——包含一个2.3千瓦时的电池组，在特斯拉SoC上运行并支持Wi-Fi和LTE连接。马斯克表示，他们的目标是“尽快制造出对人类有用的人形机器人”，工程师正在努力降低擎天柱机器人的功耗和零件数量。马斯克还透露，擎天柱未来的产量可以达到数百万台，预计价格不到2万美元（约合人民币14.23万元），比汽车便宜。入局人形机器人背后：曾深陷“自动化陷阱”马斯克萌生入局人形机器人领域的念头或许要追溯到2018年。当时特斯拉的新款电动车Model 3销售火爆，但是特斯拉工厂却因为过度自动化而深陷“产能地狱”。众所周知，生产一辆汽车，需要经过冲压、焊接、喷漆、总装以及质检等一系列环节。其中，整个汽车行在前三个环节的自动化程度都较高，而在总装和质检环节，传统汽车厂商一般采取人工操作。马斯克则想在后面两个环节也用机器人替代人工，他希望打造一座全线自动化的工厂。但实际情况却事与愿违，在总装和质检环节，相比人工的灵活性，机器的执行性和准确性很难把控，就连最简单的拧紧螺丝动作，机器人的工作效率也远低于人类。马斯克2018年在接受CBS的一次采访中承认，“特斯拉过度自动化是个错误，人类被低估了。”他举了个例子，他们试图用一种“绒毛机器人”来将绒毛材质的玻璃纤维垫放到Model 3电池组顶部进行粘合。这对于普通人来说操作起来不在话下，但机器总是问题百出，或是没能拾起垫子，或是把垫子放错位置，导致这条生产线常常崩溃。也许，正是从那个时候，马斯克萌生了要让机器人像人类一样完成特定任务的想法。而要实现这一目标，在他看来，自然是通过人工智能（AI）技术。据悉，特斯拉得克萨斯州工厂甚至已经制定雄心勃勃的计划，准备在工厂中部署数千台“擎天柱”人形机器人。该公司还计划最终将机器人部署到全球各地的特斯拉工厂，规模将达数百万台。如今，汽车行业不仅涉及重复、快速、大批量的生产，汽车消费者转而期望定制化产品。对于已经高度自动化的汽车生产工厂来说，如何进一步提升的智能化水平的方向，或许就是一条更灵活、更柔性的生产线。那么人形机器人未来或许有望在工厂里大展身手，成为智能制造应用中的重要一环。而在全球自动化程度最高的汽车生产线上，巨大的重型工业机器人往往是车间内的主角，至今为止，尚未有人形机器人在汽车生产线上工作的案例。而在复杂的离散型场景中，人们需要机器人替代人工完成更精确、更繁琐的重复性劳动，安全的人机协作成为必然趋势。从工业3.0的全面自动化，工业4.0的智能制造，再到未来的工业5.0时代，重新引入人性化元素将是未来生产车间革命的重要方向之一。这基于一个重要的认知转变——机器人和人类必须作为合作者而不是竞争对手。一个显性的标志将是，工厂里不再只是被固定在安全围栏内的巨大笨重的机器人，而是有更多可以灵活自主活动的智能机器人穿梭在生产线上。机器人“成长”史人类一直梦想着由机器人来代替完成那些枯燥、琐碎以及危险的工作，把人力从繁重的劳动中解放出来。根据美国机器人协会的定义，机器人是一种可编程和多功能的操作机，或是为了执行不同任务而具可编程动作的专门系统。按照我国2021年6月1日实施的《机器人分类》，机器人可被分为工业机器人、服务机器人两大类，工业机器人主要应用于工业环境用于制造目的，而服务机器人更重视与人类的交互。其中，人形机器人是服务机器人的最高级形态，可被广泛应用于生活生产的众多场景。人形机器人发展历史可以追溯到15 世纪末达·芬奇所绘制的一份古老“类人机器人设计草图”——一个靠风能和水力驱动的“机器武士”——这或许是人类幻想研制“人形机器人”的起点。但人形机器人的产业化之路异常漫长。 1927 年，美国西屋公司制造出了世界上第一台人形机器人“Televox”，它虽不能走动，但能够抬起接收器以接听电话，并根据接收到的信号通过操作开关来控制简单的流程，还能回答一些问题。随后西屋公司在 1937 年又在此基础上制造出“摩托人 Elektro”——被认为是真正的第一个类人机器人。Elektro 身高 210 厘米，体重超过 120 公斤，能够执行 26 种不同的日常活动，包括醒来、交谈、计数和吸烟。而人形机器人真正实现技术和应用上的飞跃，还是在进入21世纪以后，随着人工智能、传感器等技术的进一步突破，机器人产业的发展也进入智能化研发的加速期，涌现了一批颇具代表性的智能化人形机器人产品，比如日本本田公司推出的能够跳跃的人形机器人 ASIMO ，软银的儿童教学的机器人 Nao以及陪伴型机器人Pepper，英国Engineered Arts的Ameca，以及波士顿动力主打探索运动控制的人形机器人Atlas等一系列代表性产品。但在大规模的产业应用层面，至今尚无特别好的落地案例。相比之下，第一台工业机器人虽然在上世纪50年代才出现，但产业化进程则相对快得多。1959年，美国发明家乔治·德沃尔（George Devol）和物理学家约瑟·英格柏格（Joe Engelberger）创造了世界上第一个工业机器人，命名为Unimate（尤尼梅特），意为“万能自动”。这个重达2吨，由磁鼓上的一个程序来控制机器人，由液压装置驱动，精确率达1/10000英寸。1961 年，Unimate 被安装在通用电机装配线上，其成为当今仍在装配线中使用的许多工业机器人的基础。但是作为人类机器人梦的终极目标，以及未来有望成为人工智能领域的终极形态，各大科技公司对于这种模仿人的形态和行为而设计制造的机器人的研究和实践一直没有停止。产业化拐点：人形机器人有望“通吃”工业、商用、家用场景全球综合数据资料库Statista的数据显示，全球2019-2021年机器人销量分别为329亿美元、363亿美元、410亿美元，目前仍处于较初期发展阶段，未来空间较大。根据麦肯锡全球研究院发布报告，预计到2030年，全球将有15%的劳动力将被机器人替代。数据来源：Statista、东吴证券具体到人形机器人领域，咨询公司SkyQuest Technology Consulting统计显示，2021年，全球人形机器人市场价值为14.8亿美元，预计到2028年，其市场估值将达到173.2亿美元，2022年到2028年之间的复合年增长率将达到42.1%。基于这一市场趋势，对于智能机器人的研发近年来也进入更多科技公司的视野，机器人俨然成为众多科技公司展现自己综合研发实力最佳选择。就在特斯拉发布“擎天柱”之前，小米在8月11日的小米秋季新品发布会上抢先发布了其首款全尺寸人形仿生机器人——“CyberOne”，也一度让人形机器人成为国内A股市场的热门概念。机器人Cyboron取名“铁大”，身高177厘米，体重52公斤，可对真实世界三维虛拟重建，这其中嵌入了小米自研的Mi-Sense深度视觉模组，结合AI算法可以提供完整的三维空间感知能力，让机器人看得到也看得懂）。此外，铁大的“小脑”发达、可实现双足运动姿态平衡，四肢强健、动力峰值扭矩300Nm等。在运动控制方面，铁大支持多达21个自由度，并能实现各自由度0.5毫秒级别的实时响应，模拟人的各项动作，机身内置了多个电机，还有更多的机身自由度、复杂的人形双足控制算法，这些都是小米自研。事实上，国内产业界在人形机器人的研发上，近年来也有了不小的突破。比如，国内机器人厂商优必选、北京钢铁侠科技等公司均已经推出了各自的仿人机器人产品。2021 年优必选发布了中国首款可商业化的大型双足仿人型服务机器人Walker X，身高130cm，体重 63kg，拥有 41个高性能伺服驱动关节，面部 160° 环绕 4.6K 高清双柔性曲面屏，四维灯语体系，具备模块化设计，便捷可拆卸电池，应用场景包括科技展馆、影视综艺、商演活动、政企展厅等。同年 3 月，北京钢铁侠科技中标国家机器人宇航员项目——北京控制工程研究所空间仿人智能操控系统，将双 足大仿人机器人的应用场景拓展到航天领域，开创了空间机器人这一新品类，其核心产品ARTROBOT系列仿人机器人自由度达到 36 个，可以完成行走、舞蹈、倒水等多种任务，已经拥有了高度仿人化的特征，应用场景包括科研教学、智能服务、体育竞技、养 老、救援、娱乐陪伴和航空航天等领域。大致归纳目前各大公司对于人形机器人的产品定位，主要有三种发展方向：一种是“超越人”，以波士顿动力为代表，专注提升机器人的运动性能；一种是“替代人”，以特斯拉为代表，要让机器人进入造车工厂补充劳动力；一种是“服务人”，要围绕人的生活和工作，依托人形更好的研究人感知、认知、决策、执行过程从而更好服务于人，这是小米的Cyber One选择的方向。而产业化落地的关键还是要看应用的广度和深度。对于人形机器人而言，如果将人类的行为分为四个状态，即居家生活、工作办公、交通出行、睡眠休息，那么一个好的商业模型应该尽可能多的覆盖人的四个状态，并且越充分了解四个状态中用户不同的需求，从而提供切中痛点的服务，那么这个商业模型的价值就越高。那么在未来的机器人赛道上，哪种类型的机器人最有望成为下一个通用型产品？中国电子学会发布的《中国机器人产业发展报告（2021）》指出，在模块化应用、离散型场景、复杂的干扰环境、多发的不可控因素等变量叠加影响下，对机器人的要求不再局限于本体的灵活性和自动化，易控、智能、互联成为产品的重要发展方向，技术创新也围绕着安全的人机协同、人工智能和物联网等重点方向展开。这也意味着，由感知智能向认知智能迈进，是下一代机器人发展的方向，也就是说，只有拥有了感知、认知并执行的大脑能力，才真的称得上机器人。而大脑能力也是仿生人形机器人的技术制高点。这其中，人工智能技术是人形机器人获得实质性发展的重要引擎，深度学习、自然语言理解、知识图谱、VR、场景识别、情感识别与推理认知等方面的技术进步，是拓展机器人能力边界的持续动力。也就说，或许对于未来更理想的机器人更高的要求是——能够“通吃”工业、商用以及家用领域的各个场景。人工智能、大数据、5G、云计算等新一代信息技术的飞速发展，加速市场需求的扩展与变化，将深刻影响下一代机器人产品的发展方向。对此，波士顿咨询（BCG）就认为，在涉及机器智能、连接性和控制等方面，技术突破将扩大机器人的能力和应用范围，同时还能简化人机之间的交互。从这个大方向来看，相比与传统的工业机器人以及普通的专业服务机器人，更高级别的人形机器人或最有希望“通关”。再加上特斯拉等头部企业带来的引领效应，将有望催生行业蓬勃发展，加速相关软硬件供应链的快速成熟。这又使得更多的实验室技术和创新应用能更快落地验证，最终形成行业发展的正向循环。 

机器人

2023-05-26 11:24:49

工业机器人新方向：柔性机器人和多机器人协调

在美国佛罗里达的海滩上，一只机器狗引起了路人和其他宠物的围观。这只有着金属框架的机器狗可以听从主人的命令前进或停止，也可以像普通的小狗一样抬脚、坐下、转圈，人们惊叹于它的智能性和灵活性，对机器人技术充满好奇。近些年来，在我们的日常生活中出现了越来越多机器人的影子。它可能是帮我们扫地拖地的帮手，也可能是跟儿童互动教学的“老师”，还可能是像机器狗一样日常陪伴我们玩耍、逛街的“宠物”……而当机器人开始走向每个普通人的生活时，机器人技术在全球工业生产领域的应用早已进入了非常成熟的阶段。从1959年世界第一台工业机器人在美国诞生以来，经过60余年的时间，机器人技术已经从简单的机械臂和辅助货物搬运的单一功能发展到了拥有智能“大脑”、能够帮助管理和执行一切工业程序的完整系统，它们正在各行各业中对于的提高工业制造的效率、节省劳动力和改变着生产制造的方式上发挥着越来越重要的作用。图一：女子和波士顿机器狗外出，图片来自 Scrappy The Robot Dog/YouTube智能工业机器人登上历史舞台什么是智能机器人？工业机器人的最初被广泛应用的形态是自动化机械手，所谓机械手，是指能够通过电子控制模仿人类手的功能来实现一系列生产作业的相关工作的机器设备，它最早被应用于汽车工业。继1954年世界第一台自动化机械手诞生以来，机械手不断向着对环境的自适应能力强､更具有对检测障碍､质量､温度和湿度的感知力的方向发展，其应用领域也不再仅局限在汽车工业范围内。新型机械手设有微型电子计算机控制系统，具有视觉､触觉甚至加入了仿人智能来更好的完成工业任务。传感器的加入使捕捉到的信息得以及时反馈，能够独立完成任务并于计算机系统保持联系。随着人类对于机械手功能需求的增加和人工智能的发展，拥有计算机控制的大脑、可以自行根据环境判断来达成指定目的的机器人应运而生，人们也称之为智能机器人。那么，跟机械手和传统机器人相比，智能机器人有哪些显著的特点呢？传统工业机器人的限制在于只能死板的按照规定好的程序进行工作，对于过程中突发的状况无法进行灵活自主应对和调整。如果要改变机器人执行命令，就必须由人为对程序进行更改。而智能机器人与传统的机器人的本质区别在于，传统机器人只具有执行编程所下达任务并进行操作的功能，而智能机器人对于环境和任务有自己的判断，也就是包括逻辑分析､理解等“思考”要素。这些智力活动其实是信息处理的一个过程，由中央计算机大脑来完成。根据机器的智能程度的不同，人们也将智能机器人划分成了不同类型：传感型机器人也可以被称为外部受控机器人。本体没有智能大脑只有感应器和执行单元，主要是利用传感器进行信息处理来实现操作的能力。但受控于外部计算机，外部计算机上拥有智能处理单元，通过机器人采集的信息来指挥机器人的姿态和轨迹等。交互型机器人需要计算机系统与程序员惊醒对话来实现控制，能够独立实现简单的避障和处理问题的决策能力，但还是需要外部人员控制才得以进行实际操作。自主型机器人也就是说可以自主决策无需人员干预进行作业。在各种环境下完成拟人任务。自主型机器人的本体上具有感知、处理、决策、执行等模块。自主机器人还有一个重要特点是交互性，这使机器人与机器人，机器人与人，和与外部环境进行信息交流。世界工业机器人发展现状1959年，由发明家德尔沃与约瑟夫·英格伯格制造的机械臂首次被应用在工业制造中，重达2700磅的Unimate 001原型车在新泽西州特伦顿的通用汽车压铸厂首次被安装在装配线上。它的结构和功能在现在看来都十分简单，只能帮助帮运简单的货物。图二：在工厂工作的Unimate 001, 图片来自于Automate.org在此之后，工业机器人迎来了快速发展时期。但在之后几十年，日本反而超越美国成为了行业的领导者，日本在工业机器人制造业已经形成了从核心零部件到制造体系再到系统集成的完整产业链。目前，工业机器人四大家族中的发那科与安川，以及减速器龙头哈默纳科以及纳博特斯克最被熟知。中国工业机器人产业的起步较晚，但在近十余年来成为了工业制造领域的发展重点。目前来看，中国的工业机器人无论是在核心软件技术还是在零部件制造上都与国外存在着很大的差距。在制造方面，当前中国的工业机器人仍以组装为主，主要零部件仍需要大量从国外进口，每年都需要大量在海外市场采购机器人成品。此外，在核心的软件算法上一直相对落后，难以取得突破性进展。目前来看，伺服系统、减速器、编码器等关键零部件都可以通过采购得到，但唯有软件算法是最关键以及最难获得的环节。近年来，中国也尝试在很多重要的活动和服务中引入工业机器人，包括在疫情防控中所使用的核算机器人，在北京冬奥会所使用的大量服务性智能机器人等等。目前，如何将机器人与大数据､传感器､人工智能相结合，引用新材料等现代科技打造出具备自主决策能力，同时拥有可靠性､高负载性､和高效率的机器人是全球制造新一代机器人的共同目标，同时各国也不仅将机器人应用在了制造业，还将其引入进了人类生活的各个领域。其中，为了解决传统工业机器人智能性和灵活性的短板，近年来，在机器人制造领域各国也开始引入了柔性机器人与多机器人协同的概念。“柔若无骨”、自由变幻的柔性机器人什么是柔性机器人？在大家的印象中，机器人都是拥有钢筋外表坚硬身姿的钢铁战士，该如何变得“柔软”呢？柔性机器人或软体机器人（soft robotics）是指由高度柔顺的材料构建的机器人，从生物体类似蠕虫或章鱼等无脊椎动物的运动中发明而来。通过模仿生物体灵活移动这一特征来增加机器人的灵活性从而更好的完成指定任务，具有高度灵活性､可变形性､能量吸收特性的功能。图三：软体机器人模仿水母进行抓取跟传统机器人相比，柔性机器人的每个机器关节都配有传感器，使其具有高精度的位置控制和高动态力控制。高动态力是指实现模仿人类手臂关节和肌肉控制的能力，在环境出现不确定性时，具备自主处理能力。结合柔性电子，柔性机器人将可以变得像人体一样灵活，同时结合人工智能技术，还能使其获得视觉，声音，力觉感应等感知能力。柔性机器人的技术难点虽然柔性机器人具有高灵活性、可变形性和能量吸收等特性，但为了完全实现这些独特的功能，在柔性机器人的制造生产方面还存在许多有待解决和突破的技术难题。比如，为了满足机器人“柔弱无骨”等功能特性，在材料构成和驱动方式不能延续以往传统机器人的刚性连接和外壳材料的制造。要选用拥有无限柔软度并极易变形的材料，还需要满足它的驱动方式不影响机器人的变形。MIT的一个研究团队对柔性机器人的外壳就做了试验，他们用 3D 打印和激光切割打造出水凝胶的外壳，实现“柔软”的身体。另外也尝试使用电子动力聚合物､形状记忆合金这样的物质，能够记住弯曲形状，实现抓取物体等动作。再比如，如何驱动柔性机器人也是需要攻克的技术难点。电动驱动和启动驱动是目前普遍使用的两种方式。电动驱动重量轻､变形跨度大､结构紧凑､价格低，但这种驱动方式在运动精度的控制上存在难度。第二种气动驱动，与电动相比，速度过慢，并且会限制柔性机器人的变形。哈佛大学推出的柔性章鱼机器人，就是通过简单的过氧化氢分解化学反应实现运动。图四： 柔性章鱼机器人柔性机器人的应用场景尽管目前柔性机器人仍然还有许多亟待解决的技术难点，但目前，柔性机器人已经可以被运用于很多 “极端”场景，为人类在现阶段无法到达和探索的领域提供帮助。比如，在灾难救援领域，当现场建筑物受到毁坏，人类无法实施援救时，柔性机器人可以潜入一些危险狭小 的地方，依靠自身的灵活性和可变形性，根据现场环境进行判断和实施救援。在勘探领域，海底世界的勘探一直是人类致力于研究的领域，也因为其地域的特殊性，很大程度的限制了研究的进行，柔性机器人的诞生也给深海探索带来了无限可能。在医疗领域，柔性机器人的诞生也为很多不可能达成的外科手术提供了可能性。不可否认柔性机器人现阶段还并未批量生产并投入日常生活的使用上。但关于柔性机器人的研发目前也在快速推进着，例如科罗拉多大学的机械工程师们已经研制出了专门用于医药治疗的软体机器人，哈佛大学研究成果除了一款全部由柔性材料制作不需要外力驱动的章鱼形状的柔性机器人 Octobot等 ，未来它们的落地应用也会给人类社会带来变革性的变化。柔性机器人市场发展现状总体来看，中国的柔性机器人主要分为工业和生物两大类，一类是模拟生物的柔性与灵活性创造的仿生柔性机器人， 另一类则是运用机器视觉的六轴以上工业机器人，前者主要应用于医 疗，后一种更适用于制造业。2020 年全球柔性机器人市场价值约为 10.5 亿美元，预计到 2026 年将达到 63.7 亿美元，在2021-2026 年预测的复合年增长率高达35.17%。再加上全球新冠肺炎疫情加剧了对自动化的需求，从而加速促进了市场的增长。图五：柔性机器人预测(图片来源：Mordor Intelligence)兼顾效率和灵活性的协作机器人系统如果说柔性机器人主要在解决工业机器人的灵活性问题，那么协作机器人的出现则将解决工业生产中单个机器人的效率低下的问题，有效提高单一机器人的执行能力。为了满足现实生产的指标，机器人也开始以生物体自然集群性为基础，由多个机器人组成的多机器人系统便由此诞生。什么是多机器人系统？多机器人系统是指由多个能与其它机器人进行信息交互的单一机器人组成的机器人群。相比单一机器人，多机器人系统对环境拥有较强的灵活性和变通性，在空间上的分布性高。除此之外，生产效率和工作承载能力优于单一机器人。鲁棒性高也是其一大优点，通过系统调配可有效缓解和改善故障情况的发生，一个机器人出现失误，系统可以将任务调配给其他机器人来保障任务的完成。多机器人协作系统研宂的最终目标在于最大化的实现多机器人系统的优势，使整个系统能够在环境不稳定和任务实时性强的情况下能够做出相应调整，高效可靠地完成任务。图六：多机器人协调系统的架构协作机器人控制系统目前，协作机器人的控制系统主要分为集中式控制、分布式控制、以及结合前两种的混合式控制。集中式控制系统是由主控单元掌握全局信息，分配资源和任务给群体中的每一个机器人。优点是集中管理所以部署相对简单，系统管理方便。缺点也随之而来，机器人数目较多的情况下，一个主控单元处理信息的能力和速度明显减弱，导致效率降低。主控单元掌握着这个系统的命脉，如果出现故障，整个系统将会瘫痪。所以，集中式控制主要处理简单的工作和管理较少的机器人群。          图七：集中式控制结构系统分布式控制系统则不存在主控单元，数据平均分配给每个机器人，并且机器人之间存在交互性，可以实时进行信息交换和自主规划路径。优点是灵活度高，可以随时增加群体机器人数量。但由于没有中央系统的管控，机器人容易在信息交互时间差之间发生冲突。也给机器人之间的协作带来困难。   图八：分布式控制结构系统为了解决以上两种系统存在的问题，也催生了混合控制系统的诞生。该类系统可以有效利用优点，取长补短实现全局路径最优解，提高工作效率。  图九：混合式控制结构系统那么，协作机器人之间的合作模式是什么样的，又是如何完成任务分配的呢？多机器人系统的首要目标是系统必须按照要求高质量的完成所有分配的任务，其次是要求系统在保证完成任务的前提下，充分利用各种资源，以最小的能源消耗实现更为高效的工作效率，同时要求系统中的每个机器人个体都最大化发挥自己的能力。通信是多机器人协调感知作业的必不可少的部分。机器人数据稳定的进行交换，需要较强的灵活性和拓展性，从而帮助有效信息进行高速传播来避免机器人之间出现冲突。通常机器人之间通过通信机制来进行传递来及时面对环境中的突发情况。在协同感知上，最核心的是解决大数据源的信息融合，融合的信息可以更好地为地图的创建和路径的规划提供信息支持。多机器人合作中的路径规划不单纯只是路径的定位导向，更重要的是机器人之间的相互配合协调。因此，如何在复杂环境下避免机器人与机器人、机器人与障碍物之间的冲突碰撞也是研究难点之一。目前导航技术是解决该问题的核心技术之一，由机器人定位（GPS）､任务规划和路径规划组成。此外，近年来人工智能技术的发展为机器人路径规划提供了新的想法和方案，建立在信息交互的基础上实施全局路径规划，提前对碰撞场景进行预测，也可有效避免冲突发生。中国协作机器人市场发展势头强劲当前，全球制造业企业都在通过数字化、自动化手段提升生产的柔性和管理的精益度，从而实现敏捷生产。中国作为全球最大的制造业生产国，在《中国制造2025》《 “十四五”机器人产业发展规划》等多项政策助推下，中国协作机器人市场也在快速发展。据高工机器人产业研究所（GGII）数据显示，2021年中国协作机器人销量1.86万台，同比增长87.62%，国产协作机器人厂商也已成为中国市场的主导力量，市场份额接近70%。总体来看，协作机器人系统在生产制造业领域的推广是必然的趋势。首先，在消费者的需求端，在数字化时代终端需求充满了变化性，对企业以需定产、灵活生产提出了更高的要求。但由于传统工业机器人缺乏柔性、难以部署的局限，让其无法适应柔性生产的快节奏，因此企业必须对工厂系统进行全方位的自动化升级。其次，在企业的生产端，协作机器人系统的易用性能帮助企业能够节省人力和提高效率。如今协作机器人安装和操作非常方便，能够灵活地在多个产线流程中进行快速部署和任务切换，而且即使无编程经验的操作人员，只需稍加培训便能通过直观便捷的界面进行快速设置和操作。此外，新冠疫情的冲击让使制造业供应链韧性的重要性再度被放大。全球制造业企业亟需通过数字化、自动化手段提升生产的柔性和管理的精益度，实现敏捷生产。研究推测显示，2021-2025年全球协作机器人市场将保持23.6%的复合年增长率，而中国的协作机器人市场复合年增长率将高达44.4%。图十：中国及全球协作机器人市场增长情况，图片来自于安信证券研究中心灵活多变的协作系统，满足多应用场景需要目前，在制造、零售仓储、医疗制药、农业、军事等领域，多机协同控制系统均取得了广泛应用。比如在制造业，不论是汽车、电子产品、重型机械、家电，还是家具、玩具及服饰等非电子产品的工厂，皆可受益于协作型机器人的高精度与速度，帮助提升加工的效率和精准度。处理金属、塑料等的传统制造商也可在不损及产品质量的情况下加快导入自动化作业速度，精简生产线和周边工件配件。在零售仓储领域，协作机器人可以帮助提高仓储物流的效率和安全性，比如亚马逊的 Kiva 仓储机器人就显著补足作业员人力不足的问题，进而提升仓储营运的整体效能。在医疗制药领域，协作机器人可以实现高精度与严格管控的重复性工作，在制药研发过程中，可以在研究、测试、标记与包装等环节显著降低错误率。在农业领域，温室种植者可灵活使用协作型机器人，并搭配可执行高精度工作 (如摘采娇嫩植物、将细小种子栽入盆栽等) 的自动化设备来进行作业等。在军事领域，协作机器人系统也被广泛应用于了多无人机编队飞行、地面AGV结构环境集群控制、军用无人机的多机协同侦查等任务中，通过机间通讯，进行信息共享，扩大对环境态势的感知。图十：无人机编队､地面AGV集群控制､军用多机协同侦察虽然工业生产等领域的多机器人与智能化的融合才刚起步，但多机器人的应用和发展势在必行，随着未来人工智能的加入，在更智能的系统下，多机器人系统在工业化生产等方面的应用也会越来越多。总结人类的许多发明创造都是从自然界中得到的灵感，无论是从首台机械臂的诞生，还是形似无脊椎动物的柔性机器人，和从动物集群性中得到启发而产生的多机器人系统，人类能够把复杂的生物界群体映射到机器人中。对自然界生物体的模仿推动了人类工业机器人相关领域的发展，随着未来科技的不断进步，我们一定还能看到更多更加智能、灵活的机器人出现，走进更多人类的生产生活场景之中。

机器人

2023-05-26 11:22:53