1 引言

机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业或是危险的工作。国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般来说，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。”它能为人类带来许多方便之处^[1]！

2 机器人分类

中国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人^[2]。而特种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先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和中国的分类是一致的。

3 机器人总构成

打印、视觉系统和集成补余。超过一半的创业公司都是以软件起家的，这也暗示了一个新标准：硬件组件不超过产品总成本的三分之一。

4 机器人未来的发展

在发展机器人产业的道路上，中国起步相对较晚但发展很快。近年来，我国机器人行业呈现出蓬勃发展之势，中国开始进入机器人时代，国内多地已经开启了制造业“机器换人”改革模式，“忽如一夜春风来，千树万树梨花开”，全国陆续产生近4300家机器人公司。

国内机器人一方面像雨后春笋般涌现出来，一方面又表现出来后劲不足，缺少技术储备和研发思路，很多厂家如昙花一现很快都被淘汰，如在无人机市场，除了大疆成功登顶外，许多厂家都折戟沉沙。跌落神坛的3DR无人机，拦腰折断的Titan无人机，黯然退场的Lily无人机，亿航、零度相继大幅裁人，创业企业斯凯智能停止运营，全球销量前三的Parrot宣布裁员三分之一，这些企业都曾经走在行业的前端，获得过不菲的资金支持，但是仍免不了黯然退场的命运。国外大的机器人企业都在走转型道路，将自己的目标放在特殊领域中，而并非在机器人的本体进行红海搏杀，而国内企业更应该认清发展的方向，如果再走国外企业走了几十年的老路，不从集体狂欢到回归理性，最终将免不了被“大浪淘沙”。下面将讲解几个国外正在研发或将大力推广的机器人的几个发展方向，以供大家拓展思路。

4.1 协作机器人

协作机器人（Collaborative Robot）的定义主要来源于另一个词，那就是协作区域，正如这个图中所展示的，协作区域是指机器人和人类可以共同工作的区域。所以协作机器人就是指被设计成可以在协作区域内与人直接进行交互的机器人。

以往自动化是以机械代替人工并降低人力，而协作型机器人旨在协助人类并与人类一同作业，且无需像传统机器人一样使用安全围栏进行隔离。

它的概念非常符合工业4.0中所说的人机结合，就是由人类负责对柔性、触觉、灵活性要求比较高的工序，机器人则利用其快速、准确的特点来负责重复性的工作。

真正的工业4.0的概念是实现人机协作，人和机器各自扮演自己的角色，由机器完成单调、重复性高、危险性强的工作，而由人完成机器不能或者难以完成的工作。甚至最终实现以机器为主体，其具有感觉、识别、推理和判断能力，同样可以根据外界条件的变化，在一定范围内自行修改程序。所不同的是，修改程序的原则不是由人规定的，而是机器人自己通过学习，总结经验来获得修改程序的原则。这种机器人拥有自动规划能力，能够自己安排自己的工作，同时能够将自己无法完成或者不容易完成的任务交由人来完成，并且能够通过图片、语音、投影等技术指导人工加工生产。在整个生产系统中，一旦生产线上前面的产品出现“堵车”等情况，机器人能够快速调整生产工艺以满足生产要求或者降低生产速度并发出警报^[2]。

在协作机器人中ABB的YUMI、库卡的协作机器人LBR iiwa、安川的协作机器人Dexter Bot都是行业的先头兵，从投入市场开始就引起了极大的反响，但是现存的协作机器人还拥有很多缺陷：①运行速度比较慢；②刚性不足，定位精度较差；③负载一般在10kg以下；④工作范围只与人的手臂相当；⑤安全功能本身还比较初级。

4.2 物流系统机器人

物流系统机器人的定义为：用新技术加快物品的拣选&移动挑选的物品到包装/发货站/收货人的过程。

阿里实时数据显示，截至11日24时，天猫双11全天总交易额1207亿元，创造了新的世界纪录。而2015年同期天猫后台大屏幕上的交易额最终定格在912.17亿元，同比2014年11月11日571亿元增长60%，这已经是连续3年交易量涨幅超过50%。可以预见2017年销售也会保持大幅的涨幅，而如果使用传统的物流系统已远远无法满足正常的需求，而这只是物流行业在天猫上的缩影。在用户端，消费者对于“次日达”、“当日达”，甚至“限时达”等物流体验要求越来越高。不断提升订单履行效率成为首先要解决的问题，其中拣货环节是影响物流效率的关键，备受关注。而实际上拣货作业也是整个仓储作业中运营成本最高、劳动最密集的环节之一^[3]。

2012年亚马逊以6.78亿美元买下自动化物流提供商Kiva的机器人仓储业务后，利用机器人来处理仓库的货物盘点以及配货等工作。目前亚马逊的几十个仓库里，有超过15000个Kiva机器人在辛勤工作。亚马逊因此也被成为全球最高效的仓库。

Fetch和Freight是硅谷机器人公司FetchRobotics的仓储机器人，Fetch的机器人可以根据订单把货架上的商品拿下来，放到另一个叫Freight的机器人里打包。Fetch相当于Kiva的升级版，它具备自动导航功能，可以在货架间移动，识别产品并将其取下货架并运动到叫Freight的自动驾车机器人里。机器人可以自助规划路线和充电，从而保证整个仓储系统的无缝运行。FetchRobotics是今年最亮眼的机器人公司之一。

国内三大电商公司也各自大张旗鼓，针对订单量飙升，订单拣选压力陡增等，提前准备应对之策：

（1）天猫/菜鸟网路：众包物流+智能分单

作为阿里巴巴集团中与淘宝电商系、蚂蚁金服并重的三大战略之一，菜鸟的战略是“打造像水电煤一样的智能物流网络”。 在新技术引用方面，VR、AR技术的继续应用，比如在仓库操作中戴上AR眼镜，即可以识别相关信息；包括末端智能机器人的使用，后台会协调所有机器人的揽派任务，机器人识别后会到小邮局装上包裹，全自动地进行路况识别、场景识别、精准定位、自主导航。此外，菜鸟去年还推出了末端配送机器人小G，后台协调所有机器人的揽派任务，机器人识别后会到小邮局装上包裹，全自动地进行路况识别、场景识别、精准定位、自主导航。

（2）京东：5亿补贴+全自动仓储

京东发布了无人仓储计划，其包括AGV搬运机器人、Shuttle货架穿梭车、DELTA分拣机器人、六轴机器人及无人叉车等技术。这成为了京东科技物流的拐点，首次实现智慧物流的完整场景。

此外京东还对外宣布，在全面开放的基础上将拿出5亿对商家的仓储配送服务进行补贴，与京东物流合作的所有平台商家均能享受到物流服务费减免。

在商品布局算法方面，京东根据海量的数据分析每一个商品在每天订单中的分布命中情况，以判断单个商品拣选区和存储区的配置量。

拣选区布局算法，可根据每个商品每小时的出货情况对未来的出货进行预测；机器人的调度算法和定位算法，该算法会让机器人的行走效率达到最佳状态，当几百台AGV小车同时作业时，不仅仅是一个单体智慧化的设计，会深入上层的调度系统设计，基于京东大量精准的仓储数据，再加上调度系统设计，可以基本实现所有机器人的行走路径，避免碰撞和拥堵，同时高效地作业。

4.3恶劣和危险的地方机器人

世界上有很多的工作都伴随着危险或者身处危险的区域当中，随着世界安全意识和人身安全的提高，一些高危场合都愿意采用机器人来代替人工工作，比如大型矿井的采矿，核电站的维护与检测，深海作业等工作。这些工作中大多数的不安全因素很多，灾害事故频繁发生，灾害事故危害严重，各个企业急需采用机器人来代替人工作业。

4.3.1煤炭矿井机器人，实现采矿4.0

目前煤炭在我国一次能源消费构成中占比70%以上，为我国提供了76%的发电能源76%的工业燃料和动力、60%的民用商品能源及70%的化工原料。预测2030能达到39亿~44亿45亿~51亿吨。我国的煤矿开采条件极其复杂，90%以上的煤炭能源还采用井工开采，生产系统庞大复杂，作业环境恶劣，水、火、煤尘、瓦斯、塌陷等灾害多，中国煤炭生产百万吨死亡率是世界主要产煤国中最高的，是美国的100倍，南非的30倍。基于此种情况，在煤矿生产中引入机器人技术对改善工人环境，降低百万吨死亡率，提高生产效率具有重要意义。目前矿井中应用的机器人有：凿岩机器人、喷浆机器人、采矿机器人、巡检机器人、搜救机器人等^[4]。

瑞典的阿特拉斯·科普柯公司提供全系列柴油铲运机产品（LHD），广泛应用于地下采矿和隧道开挖。 此系列产品各型号的运载能力为3.6吨至18吨。 所有型号都配置了阿特拉斯·科普柯SAHR故障自趋安全制动系统，能够确保可靠制动并使组件具有较长的使用寿命。

注：中央控制室收集所有从岩层，工作人员和机器中获取的信息。并且操作控制矿井中的所有作业。机器人将负责关键任务，如勘探，钻井，开采，破碎和运输挖掘的材料。 采矿可以持续运行，而表面专家负责系统的管理，监测，优化和维护。并且所有的废石都在地下被分离回填，减少不必要的运输。达到采矿的高科技化，无人化。

4.3.2深海采矿机器人，探寻海底世界，挖掘潜在资源

随着人类对资源的需求不断增加，陆地上的资源供给越来越乏力，尤其是钽、钨、钼等矿物，需求却变得越来越紧迫。这些金属都是制造高科技设备的重要材料，没有任何替代品。这些矿物通常并非直接采矿所得，而是其他矿物的副产物。在这种情况下，不断回收利用也不是长久之计。一些国家和国际矿业正以极大的关注和热情瞄准深海矿产资源的开采。在寂静的海底，沉睡着一座座巨大的“金山”。到目前为止，这些海洋矿产资源都没有得到足够的开发。

这些金属在任何设备中使用的数量都相当少，这让回收过程变得困难而昂贵。为此，担心矿物短缺已经让采矿公司盯准尚未被开发的资源——深海。德国基尔亥姆霍兹海洋研究中心地质学家马克·汉宁顿（Mark Hannington）在2017年美国科学发展协会年会上说：“深海采矿共发布了27张许可证。”

注：海面上的生产补给船负责提供深海采掘的各类工具，并将收集到的的各类矿石简单加工后装载到运输船上，海底采用一台采矿车、一台破碎车和一台收集车开采矿石，并通过水下泥浆泵和提升泵系统将泥浆送至运输补给船。

20年前，也许大多数采矿公司都认为到海底采矿太难了。但经过科技的发展后，现在有一些公司发现，去几千米的水下采矿，可能比到几千米的岩石下采矿更容易。同时海底采矿对环境的影响比陆地采矿要小。海底采矿可以避免陆地采矿带来的许多问题。比如，海底采矿不存在排放酸性污水的问题，因为碱性海水可以中和酸性污水；由于硫化物沉积物就在海底，所以也无需掘洞开采而在海底留下永久性的建筑物。

2016年SMD公司生产的全球首套商业2500米深处开采海底块状硫化物的三个深海采矿车完成出厂试验，该设备已在中东阿曼湾进行水试，并将完成产品交付。除三台海底采矿机（mining machines）或生产工具（SPTS），SMD还设计和制造远程操作、发射和回收海底生产工具（SPTS）所需的完整伸展设备（full spread equipment），它们将在2017年被安装到船的甲板上。

4.3.3核电机器人，将危险降至最低

根据最新数据显示，截止2016年12月10日，中国已建成并投入在运的核电机组有36台，累积装机容量约3350万千瓦；在建核电机组21台，共计装机容量2343.5万千瓦。“十三五”期间，全国核电投产约3000万千瓦、开工3000万千瓦以上，2020年装机达到5800万千瓦。

在大规模的核电建造中如果只投入人力来应对核电站的日常工作及出现事故后的救援工作是不科学也是不安全的。核电机器人应用而生，它是一种十分灵活，能做各种姿态运动以及可以操作各种工具的设备，对危险环境有着极好的应变能力。针对核电站的巡检机器人、维护机器人和救援机器人是每个核电站必要配备的。

巡检机器人可以在24小时内不间断对整个核电站及设备进行巡视，同时配备各种检测装备，对各类指标进行在线监测。在检测到泄漏后能够及时报警，避免人类进入后受到的辐射。

维护机器人主要是对关键核设施的维护、退役及放射性废物处理。20世纪80年代，美国、日本、法国、德国等国研究并开发了一系列产品。

救援机器人可以利用自身的优势，在设备出现问题时第一时间赶到现场，对灾害现场进行处理，能够携带和更换故障的设备，防止泄漏的进一步扩大，并且将替换后的设备运出灾害现场。

在核电机器人上各国都在努力的发展，例如：西班牙研制的可用于检测柱状容器（如蒸汽发生器）和大直径管道的爬壁式监测机器人。该研究团队还研制了用于沸水反应堆清水墙检查的小型自主机器人，能够沿着专门布置于管道间的导轨运动，利用携带的摄影机和其他传感器进行常规检查。英国核电公司在Magnox核电站反应堆压力容器上使用了两种类型的远距离爬行小车。法国也研制了可进行放射性检测的核电站机器人，可对核屏蔽热室进行放射性检测的RICA2核电站机器人，以及可像壁虎一样吸附在铁板上爬行进行检测的核电站机器人。

国家高技术研究发展计划（863计划）课题“核反应堆专用机器人技术与应用”集团内部验收会在大亚湾核电基地召开。具体任务由研究院、中广核检测技术有限公司、河北工业大学、北京理工大学、北京航空航天大学五家单位共同完成。课题研究了核环境下机器人应用相关的共性关键技术；开展了反应堆换料机器人、反应堆整体螺栓拉伸机、反应堆压力容器无损检测机器人、核电站多功能水下爬行机器人、蒸汽发生器一次侧堵板操作机器人、核电站微小型作业潜艇六种机器人的研制工作。目前项目成果已部分实现并将全部实现工程应用。

4.4医疗机器人，人类的福音

医疗机器人属于医学机器人的一个范畴，是集医学、生物力学、机械学、机械力学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域，具有重要的研究价值，在军用和民用上有着广泛的应用前景，是主要针对应用在诊断、治疗、康复、护理和功能辅助等诸多医学领域的机器人。

常用的医疗机器人，把它分四类。分别是手术机器人、康复机器人、辅助机器人、服务机器人。

手术机器人现在主流的应用有三大类，一大类是达芬奇机器人这种在微创上完成许多复杂的手术，在医生控制的基础上可以更好的提高精细化和手术的结果。第二类是放射机器人，放射机器人更多也是精准性，可以更好的去指向病灶区域，减少这个过程中因为手抖或者瞄得不准加大放射剂量或者把健康的机理或者健康组织放射过多。在这个过程中，数据就告诉我们，这种机器人精度可以达到压毫米级，可以非常精确的指需要放射的部位，减少伤损度。第三类是辅助手术系统，通过导航设备帮助手术更精准和手术效果更好。

康复机器人的应用，我们看到主要分三大类，一类是Rewalk，通过传感器和监控器，使用户可以站立行走。还有一类是通过生物电的感应器，强调与人体的结合度。第三类，有三种模式，有First Step、AcTIve Step、Pro Step。AcTIve Step指在这个过程中用户可以自主控制康复机器人，帮助用户更好实现康复的联系。Pro Step更多是自动感应，可以自动感应用户身体的移动，通过感应移动动作去修正、去触发下一步的行为。

辅助机器人，从主流来说分两类，一类是个人护理机器人，很多是在出院以后监控病人的身体状况，跟医院互动。还有一类是PARO，是高级治疗机器人，从感知互动的角度来讲，帮助治疗痴呆症，老年痴呆和认知障碍，这里面有AR在里面。

中投顾问在《2016-2020年中国医疗机器人产业深度调研及投资前景预测报告》中表示，2020年全球医疗器械市场将达到5140亿美元，2013-2020年间的复合年均增长率为5%。2020年全球医疗器械研发投入将达到305亿美元，2013-2020年间的复合年均增长率约4.2%。医疗器械未来的最终方向一定是智能化，而研发的不断投入也会朝着这一方向前进，医疗机器人变医疗器械智能化最终的方向，其占医疗器械市场的占比将越来越大。

2012年全球医用机器人销量为1308台，同比增长20%，占全部专业服务机器人销量的8%，市场规模约为60亿美元。医用机器人是单位价值最高的专业服务机器人，每台医用机器人（包括附件和零部件）售价可达150万美元。其预测医疗机器人会以每年19%的速度增长，至2016年全球市场规模估计会增长到119亿美元。全球医疗机器人市场2014年为87.37亿美元，并将在2020年达到179亿美元，年均增长率12.7%。

我国在机器人领域也有不断的创新和研究，尤其是国内从2015年开始有很多医疗机器人，包括在微创、腹腔镜手术领域的应用。在国际上，美国一些大的医疗设备机构，在跟印度合作，他们在合作做一些新的机器人研发，而且预计在2018年会投入市场。以色列的一些公司，也是非常积极的在这个领域投资和发展。这个整个市场发展趋势显示医疗机器人市场潜力巨大。

欧洲地平线2020计划中几个医疗机器人开发项目案例：

①CYBERLEGs Plus Plus(4,285,200 €)：目标是开发有经济可行性的动力机器人假体，作为增强/恢复经股截肢者的移动性的手段，以及使他们能够执行移动任务，如地面步行、上下坡道、攀登/下降楼梯、站立、坐下和转向现实生活的场景。恢复流动性将允许被截肢者进行身体活动，从而抵消身体下降，改善整体健康状况和生活质量。

②-MoveCare(5,933,611€)：目标是开发和现场测试一个创新的多人行动平台，通过监测，协助和促进活动来支持老年人在家的独立生活，以抵消衰退和社会排斥。3个分层结构：（1）服务层提供监控和干预。通过分布式普遍监测系统得到与衰退相关的退化指数。（2）虚拟看护者是核心层。它评估年龄状况，检测风险状况，发送警报和协助关键任务，治疗和饮食依从性。（3）用户社区大力推动社会化，成为长者生态系统的桥梁：其他长者、临床医生、照顾者和家庭。

③SMARTsurg(3,990,206€)：目标是开发新的技术，以克服扩展RAMIS到更多的程序的障碍，专注于泌尿外科，血管手术和软组织整形外科的真实世界的手术场景。一个具有丰富经验的临床，学术和工业合作伙伴团队将合作开发：

（I）灵活的人形仪器；

（Ⅱ）一系列定制的末端效应器，嵌入式外科手术工具；

（Ⅲ）用于远程操作以优化感知和动作的可穿戴多感官主机；

（Ⅳ）用于外科医生基于外科手术区域的实时3D重建的增强现实指导的可穿戴智能眼镜，利用动态主动约束并将仪器限制在安全区域。

5 结束语

随着《中国制造2025》的全面推进，机器人每天都有新的应用领域出现，许多机器人领域新的竞争格局正在形成，如果盲目跟风随波逐流，在国家政策扶持之后必将成为清洗对象。每个企业都要力争在市场中找到自己的定位，做适合自身企业发展的规划和研发，这样才能在今后的机器人产业中占领一席之地。

参考文献

[1]百度百科.机器人定义[OL].

[2]中国机器人网.智能机器人分类详解[OL].http://www.robot-china.com/news/201509/21/25317.html

[3]中国产业信息网.天猫双十一销售额实时数据及天猫双十一历年交易额回顾[OL].

http://www.chyxx.com/industry/201611/466214.html

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[5] Mining and nuclear decommissioning. Robots in dangerous and dirty areas[OL].

http://robohub.org/mining-and-nuclear-decommissioning-robots-in-dangerous-and-dirty-areas/.

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[7]恽为民.中国机器人发展之我见[J].读者之声,1995,02.

[8]张钹.智能机器人的现状及发展[N].科学导报,1992,06:42-46.

[9]廖喜张.株洲新闻网[OL]. http://www.zznews.gov.cn/news/2015/1223/198055.shtml. 2015-12-23.

[10]阿特拉斯•科普柯公司官网. 深海采矿车[OL].

http://www.atlascopco.com.cn/zh-cn/mrba/industry-solutions/mining/underground-mining.

[11]智慧物流.物联中国网 [OL].http://www.50cnnet.com/show-94-114361-1.html.

作者简介

杨凡 （1985-） 男 硕士 工程师 2013年毕业于法国弗朗什孔泰大学机械、微系统与嵌入式电子专业，目前为特种机器人研究所电气设计工程师