5.9 移动操作机器人与人机协同制造
美国国防部先进研究项目局（DARPA）自2012 年起，以日本福岛核电站泄露事故为蓝本，设立的灾难环境下机器人移动及操作竞赛（DRC,DARPA Challenge）赚足了全世界的眼球。人们惊叹并折服于这群可爬可跑、可抓可做的灵巧机器人，也深刻体会到，机器人距离全面协助人类差距仍然较大，发展潜力无限，市场前景广阔。前不久，谷歌母公司 Alphabet Inc. 传出消息，取消或者中止其实施不到 3 年的机器人项目，出售解散或者重新安置包括 Boston Dynamics（波士顿动力）在内的多个机器人公司，而该公司的 Atlas 类人机器人刚刚经历了在 DARPA 竞赛上的风光无限，见图 1。与此同时，谷歌的阿尔法狗（AlphaGo）击败了韩国著名选手李世石，让人工智能领域的科研和从业人员倍受鼓舞。两相对比，让我们不禁思考，Cyber系统是否会击败 Physical 系统，机器人的实用性在何处，机器人的进化之路如何推演，智能机器人尤其是移动机器人的发展，与产业化的结合，路在何方。
图 1 DARPA 竞赛中的机器人操作（图（3）为意大利技术研究院 Walk-Man 机器人在 DRC 决赛中）
波士顿动力的潜在收购方——亚马逊仓储后勤机器人（Amazon Robotics, aka, Kiva Systems）部门结合自身的业务需求有的放矢，在移动机器人的产业化上已有多年相对低调的积累。2012 年亚马逊斥资 7.75 亿美金收购 Kiva Systems 后，基于 AGV（Automated Guided Vehicle） 小 车 的 仓储系统便在世界各大亚马逊仓库陆续上线，极大地提高了亚马逊仓储的工作效率，大大缩短了亚马逊的发货时间，并降低了出错率，使得亚马逊在同类行业中具备无可比拟的技术优势。亚马逊并未止步于此，受 DARPA 竞赛推动了机器人技术爆发式发展的启发，自 2014 年起，启动了一轮机器人竞赛 APC（Amazon Picking Challenge） [1] ， 旨 在发力并稳步推动移动操作机器人在仓储领域中更为全面和深入的应用。首轮竞赛（见图 2）获得了巨
2 亚马逊机器人竞赛[2] （图（1）显示当前亚马逊仓库现状，由工人实现货物的提取和包装；图（2~6）为机器人竞赛队伍提供的机器人操作 解决方案）大的成功和社会关注，并成为年度项目。有理由相信，通过 AGV 小车移动和定位技术与机器人的感知和操作相结合，打造全自主操作的智能化仓储（包括但不限于提取和包装），来实现移动操作机器人系统（Mobile Manipulation System）的产业化之路，是亚马逊公司当前和未来一段时间发展的战略选择。而仓储系统相对比较结构化的环境，与DARPA 竞赛的完全非结构环境，更能适应当下机器人的发展和技术水平，其前景可期。
工业生产是欧盟的基础，旨在通过工业 4.0结合智能制造，打造未来工厂（FoF, Factory ofFuture），推动生产力进一步提升的思路，在欧盟内部逐渐成为广泛共识。2016 年 4 月 24 日开幕的德国汉诺威工业展，即把“工业集成 - 方案发现（Integrated Industry - Discover Solutions）”作为了本次工业展的主题，体现了欧盟对工业集成技术解决方案的渴求。在欧盟，中小企业（SME）占全部企业数量的 90% 以上，是工业制造的主力军，提供了远超大型企业的就业机会。欧盟一直致力于通过鼓励中小企业使用机器人技术，降低成本提高生产力，从而保持其全球竞争力。该设想获得了欧盟工业界和学术界的广泛支持。从工业界角度出发，比如世界四大机器人制造商之一的 KUKA 自2014 年设计了 KUKA 创新奖（KUKA InnovationAward），鼓 励 机 器 人 与 工 业 制 造 相 结 合 的 创新[3] 。该奖每年设定不同的主题，如 2016 年创新奖的主题是“柔性制造”。从学术界的角度出发，比如新的“地平线 2020”（Horizon 2020）科研和创新框架中，欧盟旨在通过 800 亿欧元的科研资助计划鼓励产学研结合，促进机器人技术从实验室走向产业综合[4] 。因此，集世界上最先进的智能、认知、传感、仿生、驱动、学习等技术于一身的现代机器人技术，在欧盟委员会的资助支持下，正步入科技创新成果频出的黄金期，涌现出一批较为成熟的机器人系统方案集成和部署提供商。同时，欧盟启动了欧洲机器人竞赛（European RoboticChallenge）项目，相较美国的 DARPA 和亚马逊竞赛，该竞赛更加低调和务实。在具体操作上，由欧盟各大中小企业“出题”，面向全欧盟研发机构征集机器人技术解决方案[5] 。
欧洲机器人竞赛项目 ( 见图 3) 主要由三大类子竞赛组成，即：竞赛1，可重构的人机协作生产系统；竞赛 2，全自主的机器人装配和后勤系统；竞赛 3，大型的厂区维护和巡查系统。竞赛 1 主要针对的是协作类机器人应用，重点强调人机交互；竞赛 2 主要针对全自主的移动操作机器人，强调自主决策性和系统灵活性；竞赛 3 主要针对和拓展无人机的应用领域，强调多位立体。其中，尤以竞赛 2 最贴近产业应用，最具产业化前景。本文作者在欧洲机器人竞赛中带领意大利技术研究院 (IIT) * 移动操作机器人队，与德国宇航局（DLR）合作，为欧洲核子研究组织 （CERN）的强子对撞机（LHC）开发机器人装配和维护系统[6] 。目标是集成高度的感知能力、灵巧的操作能力和在线的学习能力，开发出一款工业级的具备自学习和协作的智能移动操作机器人，在远程操作和自主决策两种模式下均能达到工业级的工作水准。
图 3 欧洲机器人竞赛（2014-2018 年）