论机器人的发展前景与挑战

 一、机器人产业的发展前景

机器人技术毫无疑问是未来的战略性高技术，充满机遇和挑战。目前，国际上机器人市场大概有80亿至100亿，其中工业机器人占的比重最大。2025年，整个机器人市场将达到500亿，服务机器人从原来的300多万台增加到1200多万台，特种机器人（如：排爆机器人、医疗机器人等）的呼声也越来越高。另外，微软等IT企业，丰田、奔驰等汽车公司，甚至还有家具、卫生洁具企业都纷纷参与机器人的研制。

在各种机器人中，工业机器人应用较早，发展最为成熟。同时，技术的不断进步一直在牵引着机器人学科的发展，使机器人的应用领域从工业机器人扩展到特种机器人和服务机器人等。机器人技术也正越来越深刻地影响着我们的生活。机器人不但将在工厂、实验室与人一起工作，还将在车站、机场、码头、交通路口为人们指引路径、回答问题、帮助行人。机器人还将步入千家万户，为老人端茶送水，护理伤病人等等。未来机器人将会越来越广泛地进入人类社会，人类对机器人的依赖会如同现时对待计算机一样，即使是短时间的离开都可能会造成很大不便。

机器人化是先进制造领域的重要标志和关键技术，针对先进制造业生产效率提高的诸多瓶颈问题，尤其是在汽车产业中，机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。目前汽车制造业是所有行业中人均拥有机器人密度最高的行业，如2004年德国制造业中每1万名工人中拥有机器人的数量为162台，而在汽车制造业中每1万名工人中拥有机器人的数量则为1140台；意大利的这一数值更能说明问题，2004年意大利制造业中每1万名工人中拥有辅助操作的机器人数量为123台，而在汽车制造业中每1万名工人中机器人的拥有数量则高达1600台。

在国外，应用于制造业的机器人取得了较显著进展，已成为一种标准设备而得到工业界广泛应用，从而也形成了一批在国际上较有影响力的、知名机器人公司。如德国的KUKA、瑞典的ABB、日本的安川等。据专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计，2002年至2004年，世界机器人市场年增长率平均在10%左右，2005年达到创纪录的30%，2007年全球机器人实际安装量达到650万台，机器人安装量比2006年增加3%，达到了114365台。据统计，近年来全球机器人行业发展迅速，2008年全球机器人行业总销售量比2006年增长25％。

在发达国家，以工业机器人为基础的自动化生产线成套装备已成为自动化装备的主流及未来发展方向。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业已大量使用机器人自动化生产线，以保证产品质量和生产效率。目前，典型的成套装备有：大型轿车壳体冲压自动化系统技术和成套装备，大型机器人车体焊装自动化系统技术和成套装备，电子电器等机器人柔性自动化装配及检测成套技术和装备，机器人发动机、变速箱装配自动化系统技术成套装备及板材激光拼焊成套装备等。这些机器人自动化成套装备的使用，大大推动了其行业的快速发展。

从制造业的发展历程看，生产手段必然要经历机械化、自动化、智能化、信息化的变革，工业制成品也将经历数量、质量、柔性低成本的发展阶段，目前制造业普遍需要技术和设备升级改造，以增强竞争力，提高经济效益，因此，机器人产业的发展空间很大。

二、机器人发展目前所面临的挑战

机器人的研究与开发是当今学术界和工业界的热点之一，机器人的发布数量较之过去有明显增长。过去人们往往只能在实验室或高科技竞赛中见到机器人的身影，而如今它们已经走入工业应用甚至是普通人的生活中。现在，机器人应用所覆盖的领域包括无人驾驶车辆、险情救援、个人与服务机器人、医疗机器人、农业与采矿、教育与智力开发等，并且随着科技的发展，机器人的应用领域还在不断扩展。 

但是机器人的快速发展也为该领域的研究与开发人员带来了巨大的挑战。机器人领域的著名科学家David Barrett博士（曾任iRobot公司副总裁、迪士尼梦幻工程公司主管，现任美国Olin学院SCOPE项目主管，）在2009年NIWeek图形化系统设计会议上总结了当前机器人开发所面临的三大挑战：创造更小、更轻、更强大的电池；创造更小、更轻、更强大的执行机构；需要一个工业级的、并且具有良好兼容性的软件开发平台。这些挑战也获得了业内其他领导者的响应：Segway思维车的发明人、FIRST机构及DEKA研发公司的创始人Dean Kamen表达了对机器人开发中传统嵌入式方法的顾虑；美国国防部地面机器人和自主系统主管Ellen Purdy关注于自主系统的进一步标准化和持久性（电池能力）需要；韩国浦项智能机器人研究所的Hee Chang Moon博士强调了对于集成的嵌入式系统以及直观式开发软件的需求。认识到这些挑战，世界各地的业内人士都在努力寻求解决的方法。

挑战一. 创造更小、更轻、更强大的电池 ：

许多机器人需要在野外或严苛的环境中长时间独立工作，需要可长时间独立供电的电源。目前全世界有多家公司和研究机构致力于这方面研究。许多厂商选择NI平台用于设计仿真、生产优化、验证测试等各个环节，推动其创新产品的研发、生产和应用，这些创新产品包括新型燃料电池、太阳能电池、基于小型移动平台的高效发电和蓄能装置等。 

能够长时间独立运行的机器人系统不仅需要更高效的新型电池，还需要对能源的使用进行优化，例如通过增加电源管理功能有效地监测电量消耗并选择不同的节电模式，这样才能真正发挥出新型电池的效能优势。

挑战二. 更小、更轻、更强大的执行机构：

出于机器人体积和自重的考虑，一般希望执行机构也更轻更小；但同时由于不同的运动要求，又希望执行机构具有强大的功能。随着移动性需求从传统的四轮系统向新型仿生机械的不断演进，对精密执行机构的需求也随之大幅提升。世界上众多的专业厂商一直从事这方面的研发，不断推出高性能的产品。 

对于机器人应用领域来说，创造更小、更轻、更强大的执行机构的最终目标是将它们用于机器人设计中，而且执行机构的强大功能往往需要通过复杂的编程才能发挥出来。因此，随着执行机构变得越来越精密复杂，如何通过编程完成高精度和高复杂度的控制，也成为机器人系统开发的关键问题之一。许多机器人领域的开发人员并不具有运动控制方面的专业背景，在这种情况下，执行机构的交互式控制开发更显得尤为重要。NI依靠超过25年与执行机构连接的经验，通过提供基于各种平台的硬件接口模块和交互式的软件工具不断降低控制开发的复杂性，同时提高交互性和灵活性。但这还远远不够。

挑战三. 对工业级软件开发平台的需求：

1. 该软件必须是直观式的 

许多机器人研发人员都具有机械工程或电子工程背景，但没有时间和精力去学习复杂的计算机软件技术，所以需要一款集成常用函数和算法的软件开发工具，该工具还必须具有良好的交互性和易用性。此外，自主系统的终端用户往往是营救人员（如消防员）、士兵或老年人等，他们也不一定具备计算机知识，因此用户界面也必须足够直观。

2. 软件必须具备与硬件的良好集成性

每个自主系统都必须感知或察觉周围世界的环境并做出反应。感知系统需要外部传感器（如激光测距仪、声纳传感器等），做出反应则要依靠不同类型的执行机构完成。因此软件工具必须能够直接驱动各种传感器和执行机构。除了感知系统和执行控制，往往还需要在真实硬件上实现决策规划，这意味着软件必须具有与实时系统、实时嵌入式硬件、甚至FPGA的强大交互性。目前的许多机器人软件开发包缺乏类似功能，它们能够仿真并在开发机器上运行，但不具备在实时硬件目标上的执行能力。

3. 软件必须具备良好的交互性 

完成机器人设计并不简单，它需要反复修改和原型设计。因此机器人领域的研发人员需要一款可以轻松调试的软件包，既可进行直观的仿真，又能在实时硬件系统上快速实现，从而测试算法和真实I/O。每次硬件实验之后都可能再回到开发环境，对代码进行进一步优化或调整。这些都要求软件开发工具具有极佳的交互性。

结论 ：

毫无疑问，目前机器人对我们当今工业产业的发展带来了巨大的盈利，对其他的科技产业也有一定的帮助，有着巨大的发展潜力。随着机器人领域的快速发展，开发人员面临着多方面的挑战。全世界的研究机构和相关厂商都在研究应对这些挑战的办法。事实上，现在已经有一些工具可以帮助机器人领域的研发人员应对这些挑战，但是我们深信随着科技的发展，必然会有更多的工具与技术来促进机器人的发展，为人类造福。