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  • 从百年历史到现状,机器人该往何处去?

     

    ​导语:本期“芯”词典带大伙深入了解机器人

     

     

            以下三条法则你一定不会陌生。
     

            第一法则:机器人不得伤害人类,且确保人类不受伤害;
     

            第二法则:在不违背第一法则的前提下,机器人必须服从人类的命令;
     

            第三法则:在不违背第一及第二法则的前提下,机器人必须保护自己。
     

            这三条机器人法则不仅在文学作品中释放了想象力,更是引发现实中的人们对机器人的深度思考。
     

            从技术角度来讲,机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域。机器人应用情况也是一个国家工业自动化水平的重要标志。
     

            百年发展史
     

            1920年,一名叫卡雷尔·恰佩克(KarelČapek)的捷克作家发表了一部名为《罗萨姆的万能机器人》的科幻剧本,剧中叙述了一个叫罗萨姆的公司把机器人作为人类生产的工业品推向市场,让它充当劳动力代替人类劳动的故事。作者根据小说中Robota(捷克文,原意为“劳役、苦工”)和Robotnik(波兰文,原意为“工人”),创造出“机器人”这个词。
     


            舞台剧《罗萨姆的万能机器人》
     

            在1921年首演就引起了巨大轰动。之后在美国上演,仅纽约就连演了184场。译成英文后,就成了沿用至今的【robot】,但当时并没有给出其严格的定义。但之后,人们对于机器人的热忱丝毫不减。
     

            1928年,英国科学家W·H理查兹发明了人类史上第一个类人机器人“埃里克”,并在伦敦工程师协会年度展览会上展出。这个机器人的框架由一个带有十一个电磁铁的铝制装甲体和一个十二伏电压的电机组成。它可以移动手和头,还可以通过遥控或语音控制进行控制。
     

            1939年,一个名为Elektro的人形机器人在1939年纽约世界博览会上首次亮相。其身高7英尺(2.1米),重265磅(120.2公斤),它可以通过语音指令行走,能说话,还能抽烟,吹气球,并移动它的头部和手臂。身体由钢制齿轮,凸轮和铝皮覆盖的电机骨架组成。
     


            W·H理查兹与“埃里克”
     

            在这之后,一些历史原因与技术停滞使机器人研究发展瓶颈了较长一段时间。
     

            到二次大战结束后不久。40年代后期,橡树岭和阿尔贡国家实验室便开始了工业机器人的实施计划,研制遥控式机械手,用于搬运放射性材料。这些系统是“主从”型的,用语准确地“模仿”操作员手和臂的动作。主机械手由使用者进行导引做一连串动作,而从机械手尽可能准确地模仿主机械手的动作,后来用机械耦合主从机械手的动作加入力的反馈,使操作员能够感觉到从机械手及其环境之间产生的力。50年代中期,机械手中的机械耦合被液压装置所取代,如通用电气公司的“巧手人”机器人和通用制造厂的“怪物”I型机器人。1954年G.C.Devol提出了“通用重复操作机器人”的方案,并在1961年获得了专利。
     

            1958年,被誉为“工业机器人之父”的JosephF.EngelBerger创建了世界上第一个机器人公司——Unimation(UniveralAutomation)公司,并参与设计了第一台Unimate机器人。这是一台用于压铸的五轴液压驱动机器人,手臂的控制由一台计算机完成。它采用了分离式固体数控元件,并装有存储信息的磁鼓,能够记忆完成180个工作步骤。与此同时,另一家美国公司——AMF公司也开始研制工业机器人,即Versatran机器人。它主要用于机器之间的物料运输、采用液压驱动。该机器人的手臂可以绕底座回转,沿垂直方向升降,也可以沿半径方向伸缩。世界普遍认为Unimate和Versatran机器人是世界上最早的工业机器人。
     

    ▲ Unimate工业机器人
     

            到了60年代与70年代,机器人的发展进入最快、最好的时期。这期间的各项技术发明有效地推动了机器人技术的发展与推广。
     

            1979年Unimation公司推出了PUMA系列工业机器人,他是全电动驱动、关节式结构、多CPU二级微机控制、采用VAL专用语言,可配置视觉、触觉的力觉感受器的,技术较为先进的机器人。同年日本山梨大学的牧野洋研制成具有平面关节的SCARA型机器人。整个70年代,出现了更多的机器人商品,并在工业生产中逐步推广应用。随着计算机科学技术、控制技术和人工智能的发展,机器人的研究开发,无论就水平和规模而言都得到迅速发展。据国外统计,到1980年全世界约有2万余台机器人在工业中应用。
     

            90年代以后,世界各国意识到机器人与AI技术的重大,纷纷加大力度投入发展。1996年,美国国家航空航天局(NASA)重启火星探索,并基于此研发了专于此任务的火星机器人Sojourner,其也成为第一个被送到火星的机器人。这台小巧轻便的机器人于1997年7月成功着陆火星,开始了自己的火星科研任务,它的最高行走时速为0.02英里,Sojourner探索了2691平方英尺(250平方米)的土地,拍摄了550张照片。由于Sojourner收集到的信息,科学家们能够确定火星曾经是温暖湿润的气候。
     

    ▲ 火星机器人Sojourner
     

            千禧年,AI技术的进步使得日本本田公司将AI与机器人结合,研发出直到今日世界上最为先进的类人智能机器人ASIMO。它是唯一具备人类双足行走能力的机器人。可以漫步、上茶、指挥交响乐、手语等行为,本田为其装载了高速运算处理电路、高速应答/高功率马达驱动装置、轻型/高刚性的脚部构造等,设计、开发出性能高于以往4倍以上的高精度/高速应答硬件。由此,ASIMO实现了时速达6km/h的像人类一样的平稳直线奔跑。而且,步行速度也由原来的1.6km/h提高到2.7km/h。另外,人类在奔跑时,迈步的时间周期为0.2-0.4秒,双足悬空的时间(跳跃时间)为0.05-0.1秒。ASIMO的迈步时间周期为0.36秒,跳跃时间为0.05秒,与人类的慢跑速度相同。
     

    ▲ 类人智能机器人ASIMO
     

            2016年,无论对于机器人技术还是AI技术来讲,都是极为重要的一年。2016年3月,DeepMind公司开发的人工智能机器人AlphaGo与围棋世界冠军、职业九段棋手李世石进行围棋人机大战,以4比1的总比分获胜。AlphaGo用到了很多新技术,如神经网络、深度学习、蒙特卡洛树搜索法等,使其实力有了实质性飞跃。
     

            美国脸书公司“黑暗森林”围棋软件的开发者田渊栋在发表分析文章称,阿尔法围棋系统主要由几个部分组成:
     

            一、策略网络(PolicyNetwork),给定当前局面,预测并采样下一步的走棋;
     

            二、快速走子(Fastrollout),目标和策略网络一样,但在适当牺牲走棋质量的条件下,速度要比策略网络快1000倍;
     

            三、价值网络(Value Network),给定当前局面,估计是白胜概率大还是黑胜概率大;
     

            四、蒙特卡洛树搜索(Monte Carlo Tree Search),把以上这三个部分连起来,形成一个完整的系统。AlphaGo的出现,也寓意着机器人也许在不久的未来,将迎来划时代的全面革新发展。
     

            对于生产制造业而言,高效灵活的生产现场,必然离不开智能工厂的自动化和物流化,而具有高度柔性化的机器人作为调节智能工厂物流管理系统,已逐渐成为智能工厂的主力军。
     

            而今,更为精细、灵活且更具成本效益的激光导航移动机器人,逐渐满足了大规模工业化应用的高级需求和智能工厂智能化应用的智能需求,成为智能工厂物流运输设备的首选。
     

            现状
     

            根据机器人的应用环境,国际机器人联盟(IFR)将机器人分为两大派别,工业机器人和服务机器人。其中,工业机器人指面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人——简单来说,就是工厂里卖苦力的;服务机器人则是除工业机器人之外的,用于非制造业并服务于人类的各种机器人,主要包括家用服务机器人、公用服务机器人、医疗服务机器人等。不过,考虑到现阶段我国在自然灾害和公共安全方面的特殊需求,中国电子学会分出了另一个机器人大派,特种机器人,是的和特种兵一样,各个骨骼惊奇,身体素质在机器人界数一数二。
     

            根据应用场景的机器人主要分类
     

     

            近年来,我国机器人产业发展迅猛, 机器人企业数量爆发式增长。《中国机器人产业发展研究》显示,2013年我国机器人企业数不到300家,然而2015年,主营业务为机器人的企业激增至1026家,2017年更是超过6500家,国内机器人产业园多达60余个。各创业者恨不得自己变成机器人,投入到这场荣耀之战中。
     

    中国机器人企业数量及增速

     

            另一方面,2014年至2019年,我国机器人市场平均增长率达20.9%。上半年,全球机器人市场规模达144亿美元,其中中国为42.5亿美元,占全球近30%。其中工业机器人占57.3亿美元,服务机器人占22亿美元,特种机器人占7.5亿美元。
     

    2019我国机器人市场结构


            目前,我国正处在生产制造转型升级的阶段,所以工业机器人占据我国机器人市场的很大一部分,并且在全球市场上,份额也十分可观,约占1/3,是全球最大的工业机器人应用市场。然而,先别急着兴奋,资料显示,在中国一般的制造业中每万名工人使用68台机器人,而日本每万名工人则有303台机器人,韩国为631台。因此,中国大部分劳动力实则还是依靠人力,之所以突飞猛进,是因为我们处在自动化的初级阶段。不过这也意味着中国制造业进一步机器化仍有很大的空间和潜力。预计2021年,我国机器人密度将突破130台/万人,并且国内市场规模进一步扩大,将突破70亿美元的大关。

     

    2014-2021年我国工业机器人销售额及增长率

     

            机器人的快速发展,尤其是工业机器人领域,一方面见证了我国技术的进步,另一方面也引发了人们的担忧——机器对人的取代,意味着大量的工人将要因此失业?   资料显示,自2004年以来,制造业中每安装一个新工业机器人,平均从工作中取代1.6名工人。当然,这需要一定的时间:在机器人安装的第一年,平均会取代约1.3名工人,随后几年将达到1.6名。不过,部分专家表示,对失业的过分担忧是不必要的。因为机器人在整个经济中创造的价值会抵消它对就业的破坏性影响。
     

    2014-2021年我国服务机器人销售额及增长率


            据中国电子学会预测,2019年我国服务机器人市场规模有望达到22亿美元,同比将增长33.1%,高于全球服务机器人的市场增速。服务机器人的市场规模将为10.5亿美元,医疗为6.2亿美元,公共服务为5.3亿美元。未来,随着服务机器人应用于更多的场景,这一市场份额还将稳步增长。
     

    2014-2021年全球服务机器人销售额及增长率


            当然,特种机器人也不甘示弱。特种机器人作为代替人类从事高危工作或在特殊环境下进行工作的机器人——例如应对地震、洪涝、极端天气或是潜入海底作业,和我们人类可谓“姐妹情深”,用它们的铮铮铁骨来尽可能的避免我们的危险。资料显示,这一领域的市场份额也在稳步增长,并且多国将其作为重点发展对象。美国提出的“机器人发展路线图”将特种机器人列为未来15年重点发展方向。日本提出的“机器人革命”战略涵盖特种机器人、新世纪工业机器人以及服务机器人三个主要方向。对此,人类深感欣慰。预计2019年全球特种机器人市场规模将达40.3亿美元,其中美国、日本和欧盟特种机器人的创新和市场推广方面全球领先。
     

    2014-2021年全球特种机器人销售额及增长率

            当然,国内在特种机器人方面也在迎头追赶。据中国电子学会预测,2019年我国特种机器人市场有望达到7.5亿美元,增速达17.7%,并且将超越全球水平。其中,军用机器人将占5.2亿美元,极限作业将占1.7亿美元,应急救援将占0.6亿美元。目前,我国特种机器人活跃企业有中信重工、海伦哲、东方网力、海图智能等。
     

    2014-2021我国特种机器人销售额及增长率


            敢问路在何方?
     

            机器人的发展速度超过了我们的想象,它在带给我们便利,解放我们双手的同时,也引发了我们的担忧——机器导致大量失业,该如何是好?机器人是否要遵守人类的法律法规?机器人涉及到伦理道德问题该怎么解决?机器人会不会统治世界?恩?最后这个担忧可能太超前了。但是,不论选择怎样的发展方向,正确使用机器人是一切的基本。
     

            “目前,全球机器人工业进入了新一轮的高速成长期,应用领域从传统的汽车领域向一般的制造业全面渗透,比如食品饮料行业、金属制造行业等,这些都是未来机器人应用的主要行业。”中国机械工业联合会执行副会长、中国机器人产业联盟执行理事长宋晓刚在2019年“智能机器人高峰论坛”上表示,“如果按照国际机器人产业发展规律预测,到明年全球将有210万台新装的机器人投入应用,特别是智能机器人将成为机器人制造的主流。”
     

            宋晓刚认为,今后智能机器人将主要应用于三个方面:一是满足社会公共服务需求,如养老、助残;二是满足国家重大项目需求,如航天、航空、深海等;三是面向居民家庭满足个性化需求。“当前机器人制造已进入2.0时代,也就是智能机器人时代。”
     

            当然,在发展机器人的工程中,我们也有许多技术需要攻克,许多问题需要处理。工信部部长苗圩在世界机器人大会期间表示,机器人产业自身在发展过程中面临许多问题和挑战,比如关键核心技术需要进一步提升,应用场景和领域需要进一步拓展,风险防控和法律法规体系需要进一步完善等。等这一系列问题解决之日,便是我们平常百姓携手机器人兄弟共创美好人生之时。

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