美国、日本机器人研发进展

作者：文/陈骞

来源：《上海信息化》 2018年第2期

在全球范围内，美国和日本一直走在机器人研发的技术前沿。通过运用多种传感技术和控制算法，美国不断创新机器人产品形态，优化性能。日本则在用于运输、救灾等领域的机器人研发方面成绩突出。

机器人研发产业是全球增长最快的热门产业之一。当前，机器人研发的主要目标趋向于结构越来越灵巧、控制系统愈来愈小、智能化程度越来越高，技术创新重点围绕仿生结构、人工智能和人机协作等方面不断深入。根据国际知名咨询公司Technavio发布的报告预测，2016至2020年之间，全球机器人研发投入复合年增长率将超过17%。

从美国、日本的机器人研发进展来看，传统机器人的结构材料大多是金属类材料，随着材料科技的发展，仿生新材料与刚柔耦合结构打破传统的机械模式，提升了机器人的环境适应性。此外，随着传感技术不断进步，机器人已具备一定水平的自主智能，通过综合运用视觉、力觉、声觉、触觉等多传感融合技术，以及不断优化控制算法，机器人已能完成定位、导航、避障、跟踪、场景感知识别、行为预测等任务。

美国

近年来，美国机器人研发与生产龙头机构或企业加大研发力度，不断创新产品形态、优化产品性能，凭借技术和资本优势在机器人领域持续占据制高点。其中，麻省理工学院、哈佛大学等高校研发成果夺人眼球。

麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室和哈佛大学威斯研究所研究人员联合研制出一种机器人“肌肉”。人造肌肉的设计、制造和实现通常受到材料成本、可扩展性和单自由度收缩驱动等因素的限制。对此，研究团队提出一种新的液压驱动、折纸式人造肌肉的结构，该结构仅需要三个组成部分：可压缩的骨骼、柔性皮肤以及流体介质。人造肌肉可通过程控完成多轴向的动作，包括收缩、弯曲和扭转。这些动作可以整合至具有多自由度的系统中，以完成不同快慢速度的、可控制的各种动作。实验表明，这些肌肉可以在原始尺寸的基础上缩小90%以上，产生约600千帕的应力，最高功率密度超过2千瓦/千克，这些性能指标等同于甚至超过天然肌肉。此外，这种“肌肉”重量较轻，可以进一步拓展机器人的应用范围，比如软体外骨骼、人体植入式小型机器人等。研究人员表示，2.6克的机器人“肌肉”可以抓起3千克的物体，所需功耗也远小于由金属和电路组成的传统机器人。

加州大学圣地亚哥分校利用3D打印技术制造出一款机器人，机器人的腿是经过特殊设计后由3D打印制造的，具有可多角度弯折的柔软性和灵活性。研究人员为机器人设计了一个由三个螺旋管连接而成的腿，在制造时使用3D打印设备，以及柔性和刚性两种不同材料。他们对机器人在不同物体表面（如柔软表面、沙质表面、岩石表面以及鹅卵石表面）中所做的行为进行分析和预测，可以像动物一样实现攀爬。它可以灵活地爬进狭窄的通道，四条腿能够呈现“X”形状，在步行、爬坡和爬行动作之间交替，完成向前和向后移动的动作，并且可以侧向旋转和移动，而不需要使用任何传感器来“观看”外部环境。

哈佛大学领衔的研究团队利用3D打印技术制作出一个拥有8只手臂、完全软体结构的自驱动机器人。该机器人由硅橡胶制成，高度不到2厘米，包含内部控制系统且自带燃料，能够实现一定程度的自主驱动，无需大量外接管线。研究团队为这个机器人设计了一个巧妙的内部控制系统，作为燃料的过氧化氢溶液注入机器人体内后，与催化剂铂反应后会生成水和氧气。在

控制系统协调下，氧气被传递到特定区域，从而让机器人的指定手臂膨胀、伸缩，实现以气动方式驱动，最终这些气体会通过排气孔从机器人体内释放出来。研究人员表示，未来将进一步改进控制系统，配合新的肢体设计，机器人能够完成更复杂的动作。

Sarcos公司发布一款外骨骼重型机械臂Guardian GT，配备大马力的发动机，能够让机器人轻松举起近200千克的物体。该机械臂长2.3米，触及范围1.3米左右，拥有和人的手臂一样的7个自由度，灵活完成握拳、抬手、伸展等动作。结合双目摄像头和VR系统，操作者可以身临其境地操作机器人，搭载的手势识别系统则让机器人跟随人的动作实施作业。

日本

数十年来，日本在世界机器人产业领域保持领先地位。2015年，日本《机器人新战略》提出五年行动计划和千亿日元研发投入计划，推动机器人技术向智能化、协同化发展，最大限度地助推机器人在各个领域的应用力度。从最新成果看，东京工业大学、东京大学、本田公司在用于运输、救灾等领域的机器人研发方面成绩较为突出。

东京工业大学研究团队开发出了一种可搬运重物的轻型四脚机器人。由于四脚机器人需要使用更多关节，存在笨重、移动速度缓慢、成本高的问题，因此，研究人员在机器的马达动力传输模块上使用了聚乙烯制成的特殊化学纤维，通过缠于关节附近的支柱上，保持纤维最合适的张力，最大限度利用马达动力来加大关节灵活度。该机器人脚部采用轻型碳素，对构造复杂、加工困难的零件采用3D打印方式，使其更为轻便。数据显示，该机器人每千克的输出功率为144瓦，为传统机型的3倍，制造成本约200万日元，为传统四脚机器人成本的20%。在平地行驶试验中，该机器人每秒可行进1.4米，达到一般人的步行速度。在房屋坍塌的受灾现场等崎岖不平的路面上，该机器人可自如行走，帮助搬运救援物资和现场搜救。

东京大学研究人员开发出可快速奔跑的小型双足行走机器人，该款机器人腿长14厘米，重量不到1千克，奔跑时速可达4.2公里。研究人员通过调整马达线圈的缠绕方式，开发出能够瞬间产生强大力量的小型马达，使用这种马达，可以让机器人用力蹬地加速，然后在空中快速调整为落地姿势，而此前的双足行走机器人基本以直立姿势缓慢行走。

本田公司研发出新型灾难响应机器人E2-DR，该机器人头部配备传感器，包括红外投影仪和三个带LED灯的摄像头，可以直立行走、在地面爬行、爬梯子、在台阶上行走，或者越过不平坦的平台，甚至可以完全直立，将躯干扭转180度，能够适应多种地形，避过各种各样的障碍物。E2-DR被设计为救援人员的替身，将代替人类完成高难度救援任务。

面对美国、日本等机器人传统强国的研发态势，我国应加快提升机器人产业技术水平和自主创新能力，全面布局仿生技术、智能材料、多机协同等机器人前瞻技术研究，打造产学研用紧密结合的协同创新载体，围绕市场需求，加强机器人新技术的跟踪与整合，积极跟踪机器人未来发展趋势，助推我国机器人技术向高端迈进。