美國先進機器人制造（ARM）創(chuàng)新機構指導未來發(fā)展方向

2017年初，美國創(chuàng)立先進機器人制造（ARM）創(chuàng)新機構，這是美國基于制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡（NNMI）計劃建成的第14個創(chuàng)新機構，ARM與美國制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡中的其他機構一起，致力于振興美國制造業(yè)，并鼓勵企業(yè)在美國進行新技術研發(fā)投資。

一、制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡（NNMI）助推美國制造業(yè)創(chuàng)新

為了促進科技創(chuàng)新和成果轉化，美國政府啟動了國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡計劃，即NNMI計劃。NNMI計劃旨在創(chuàng)造一個競爭性的、有效的和可持續(xù)發(fā)展的科研到制造體系，任務是連接人、概念和技術，解決行業(yè)內(nèi)的先進制造業(yè)挑戰(zhàn)，從而提高產(chǎn)業(yè)競爭力，促進經(jīng)濟增長，并加強國家安全。其四層戰(zhàn)略目標是：1.提升制造業(yè)競爭力。加大政府投入、增強智力創(chuàng)新、支持更多本土制造和創(chuàng)新研究；2.促進研究成果與制造能力的轉化。扭轉基礎研究難以轉化成現(xiàn)實制造業(yè)生產(chǎn)力的不利局面，加快技術轉化速度；3.促進先進制造業(yè)勞動力發(fā)展。加大人力資源開發(fā)，培育制造業(yè)各領域所需“下一代”人才；4.支持“制造業(yè)創(chuàng)新機構”穩(wěn)定持久發(fā)展。通過商業(yè)模式運用，打造“制造業(yè)創(chuàng)新機構”的“生態(tài)系統(tǒng)”。NNMI計劃通過政府引導方式的來推動創(chuàng)新，進一步鞏固美國制造業(yè)在全球的領導地位。美國政府承諾為整個創(chuàng)新網(wǎng)絡投資超過10億美元，并且匹配超過20億美元的非聯(lián)邦投資。NNMI計劃現(xiàn)已建成包括ARM在內(nèi)的14家制造業(yè)創(chuàng)新中心（見表1），在推動人工智能、生物技術、自動化、輕量化制造、機器人和材料工藝等18個重點領域（見表2）的制造工藝、技術、產(chǎn)品的研發(fā)和創(chuàng)新方面取得了重要進展。

表1NNMI計劃已建成的先進制造業(yè)創(chuàng)新機構

表2技術領域分布圖

二、先進機器人制造（ARM）整合美國機器人制造技術

ARM的全稱是“AdvancedRoboticsManufacturing”，即“高等機器人制造”,機構總部設在賓夕法尼亞州的匹茲堡，共獲得美國國防部8000萬美元的聯(lián)邦資金，以及來自各州、地方政府、工業(yè)界、大學、社區(qū)學院和非營利組織組成的機構成員提供的1.73億美元的配套資金。高額的配套資金反映出先進機器人技術在美國制造業(yè)創(chuàng)新領域的重要性以及其對美國商業(yè)、學術界和地方政府的價值。ARM旨在通過跨學科集成各種工業(yè)界實踐和學術界知識，創(chuàng)建并應用機器人技術，開發(fā)一系列機器人技術并應用于航空航天、汽車、電子和紡織等行業(yè)，形成制造創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)。ARM的四項使命是加強美國勞動力、創(chuàng)造并維持就業(yè)、樹立機器人領導地位和促進中小企業(yè)的制造發(fā)展。

三、ARM確定的美國先進機器人制造未來發(fā)展方向

ARM將跨多個學科（傳感器技術、末端執(zhí)行器技術的開發(fā)、軟件開發(fā)和人工智能、材料科學、人機行為建模和質量保證），整合各種制造行業(yè)的實踐，形成強大的制造創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)。為此，ARM研究院的技術焦點至少包括六個主要領域：

1.協(xié)作機器人（總體設計）

協(xié)作機器人是下一代機器人發(fā)展的重要方向，其主要特點是能像工友一樣與其他機器人或人類一起工作，無需隔離防護。在協(xié)作環(huán)境中與人類和其他機器發(fā)生接觸是難免的，因此機器人設計必須以安全為根本，具備識別潛在物理接觸及計劃規(guī)避行動的能力。

（1）面向協(xié)作機器人的設計。隨著拓撲優(yōu)化和材料技術的發(fā)展，未來的機器人設計可以集成軟控制技術、新型高性能驅動裝置以及先進材料，讓機器人能夠與人類進行物理接觸，并且在執(zhí)行一系列任務時保持穩(wěn)定操作。

（2）人－機／機－機交互。除了物理上的安全交互，機器人還需要通過直觀界面與人類進行有效溝通，比如通過語音（通用自然語言）或非語音（圖像、手勢）接收人類指令，識別人類活動以保持與其同步，并且把自己的意圖清晰傳達給人類。

（3）監(jiān)督下的運行保證。為機器人運行提供實時監(jiān)測和校正協(xié)作環(huán)境的手段，保證機器人的安全和性能。運行保證能力應該提供實時狀態(tài)感知、安保（包括賽博安全）、安全策略監(jiān)測、調(diào)試、故障防護，以及系統(tǒng)行為驗證與確認（V&V;），獲得的相關數(shù)據(jù)可儲存在數(shù)據(jù)庫中用于分析。

2.機器人控制（學習、適應和改變用途）

下一代機器人可通過觀察演示來學習、調(diào)整其功能，敏捷變換用途。任務適應性的提升將使航空航天等行業(yè)擁有安全有效和高生產(chǎn)率的機器人系統(tǒng)，應對多品種、小批量生產(chǎn)。先進的自適應控制和人工智能是支撐這一領域發(fā)展的使能技術，此外還需一個具備綜合模塊化架構的開放式通用框架。

（1）學習與決策。使用案例學習技術，讓協(xié)作機器人觀察人類或其它機器人執(zhí)行任務，并能在若干安全和性能限制下重復這些行為。為檢查任務執(zhí)行的效果，可將高層級決策中的決策技術（最終將是成熟的推理技術）與低層級控制回路耦合以開發(fā)新技能，并通過不斷觀察而實時更新。高效的實時計算技術對于學習和推理的執(zhí)行至關重要。

（2）適應。讓機器人更具適應能力，如在一個機器人班組中有機器人出現(xiàn)故障時，可在它們中間重新分配任務。適應性可包括：1）有效使用和集成開源軟件；2）快速修改預確認的算法以及通用軟件架構和代碼的能力；3）在機器人硬件中設計某些屬性，從物理上實現(xiàn)對制造周期中干擾和變化的自適應響應；4）對人類和機器人進行協(xié)作培訓，快速調(diào)整和適應新軟件、硬件和生產(chǎn)協(xié)議的實施。

（3）快速改變用途。關注改變機器人用途的便利性，并提高投資回報率。快速、經(jīng)濟和安全的讓機器人平臺改變用途應包括：1）使能手段——修改或替換機器人的物理元件，允許其執(zhí)行一系列新的人-機協(xié)作任務；2）軟件工具——快速和經(jīng)濟的重新配置機器人以執(zhí)行新任務，減少制造資產(chǎn)的空閑時間；3）安全協(xié)議——有效的人－機安全培訓和快速改變用途的獨特協(xié)議。

3.靈巧操作

為實現(xiàn)下一代機器人對不同大小、外形及易碎物體的平穩(wěn)抓取和靈巧操作，需要為復雜末端執(zhí)行器開發(fā)觸覺陣列密度接近人類的硬件，以及面向對象的算法。自適應學習是與這一領域密切相關的使能技術。針對下一代末端執(zhí)行器的開發(fā)，還需要使用虛擬仿真手段優(yōu)化設計、選擇并實施最恰當?shù)撵`巧操作實現(xiàn)方法。

4.自主導航與機動

在有人類走動和其他機器運行的制造環(huán)境中，下一代機器人應該快速響應其路徑規(guī)劃，自主移動，并且在預定路線上能夠敏捷地規(guī)避障礙。安裝在移動自主平臺上的靈巧機械臂可提供多用途操作能力，如噴漆、攀爬、進入狹小空間等。

（1）導航、動態(tài)路徑規(guī)劃、障礙察覺和規(guī)避。自主導航能力將需要在系統(tǒng)最穩(wěn)（如安全）和性能最優(yōu)（如速度）之間平衡，讓機器人在動態(tài)制造環(huán)境中知曉自身的尺寸和配置，以及它必須通過的障礙。只有機器人具備良好的狀態(tài)感知能力，并且能夠將傳感器信息處理成可執(zhí)行的運動計劃時（如導航和路徑規(guī)劃能力），機器人才能自主移動。

（2）機動性使能條件。機器人的機動性會受系統(tǒng)電力要求、電池容量和尺寸、信號／通信等因素限制，還會受通信安全以及工廠基礎設施變化得影像，因此未來的理想狀態(tài)是一個不被電力和通信約束限制的機器人環(huán)境。

5.洞察與感知

洞察力對下一代機器人來說是一項需要極大提升的關鍵能力。必須對諸如視覺、距離、觸覺、溫度、力、扭矩等感知模式進行提高、分析和融合，以使機器人擁有恰當?shù)臓顟B(tài)感知能力。車間中的機器人將需要集成具備洞察力的系統(tǒng)，以監(jiān)測它們以及周圍事物（人類、其它機器人或設備）的行進。這些系統(tǒng)能夠檢測零部件的缺陷，估測人類維持安全和生產(chǎn)率的情緒和身體狀態(tài)，并且基于觸覺以其它反饋來執(zhí)行更多的抓取和組裝策略。為全面解釋智能狀態(tài)感知，需要傳感器之間互操作和相兼容，并且需要數(shù)據(jù)簡化技術和先進分析方法。

6.測試、驗證和確認

輔助下一代機器人開發(fā)和分析的虛擬和物理手段與工具，包括基于實證的設計、實施和分析，以及面向所有成員的一個軟件測試臺和中央數(shù)據(jù)庫，這對于原型制造和工藝的確認至關重要。

（1）協(xié)作環(huán)境建模與仿真工具。開發(fā)對人機協(xié)作環(huán)境進行可預測的端到端設計所需的工具。目前針對機器人及相關技術來說，在設計、安全性以及性能等方面進行建模、分析并且驗證還存在挑戰(zhàn)，這包括在協(xié)作環(huán)境中用模型執(zhí)行相關實驗的能力。協(xié)作環(huán)境應由一個可靠的知識管理系統(tǒng)支撐，能夠提供經(jīng)確認的性能數(shù)據(jù)，未來創(chuàng)新的建模與仿真工具將解決這些問題。

（2）機器人軟件測試臺。開發(fā)可訪問的協(xié)作機器人軟件測試臺，在將其集成進最終的機器人系統(tǒng)之前測試子系統(tǒng)的行為可靠性。一個共享的測試臺應可在原型集成到各種實際制造系統(tǒng)之前，測試并確認原型中嵌入的軟件及其他軟件。理想狀態(tài)是擁有軟件自動化測試工具，以及在早期和開發(fā)與集成周期中驗證產(chǎn)品代碼的能力。