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AI 之机器人学 研究报告 Robotics Research Report 摘要 在物联网的时代， RT（ Robotics technology）将取代 IT 成为全球经济增长的新引擎。 洞察机器人的发展，不仅需要了解机器人学的知识图谱、学科起源与主要研究学者，更需要把控机器人学未来的发展趋势，掌握国家对于机器人产业的政策动态。本报告将从上述内容出发，向读者展示一个全面的机器人学，占据机器人产业的先机与主动权。 2018 AMiner 扫描下面二维码，我们将为您免费提供一年 20期 相关研究报告。 目录 机器人现状及市场 . 1 Robotics的知识图谱 . 4 L0 Artificial Intelligence . 5 L0 Computer Systems Organization . 7 Robotics的技术源起 . 8 中国 Robotics 的发展 . 10 Robotics的学者分布 . 10 全球 Robotics 的学者分布 . 11 中国 Robotics 的学者分布 . 14 Robotics的研究学者 . 15 代表研究学者 . 16 Rising Star . 21 Robotics发展趋势 . 21 全局热度 . 21 Mobile Robot. 21 Mobile Robot 的基本发 展与分类 . 22 Mobile Robot 国内研究 . 23 Mobile Robot 的关键技术发展现状 . 23 Humanoid Robot . 24 Humanoid Robot 的发展 . 24 Humanoid Robot 的关键技术 . 27 Humanoid Robot 的应用 . 29 Human Robot Interaction . 41 基本交互 . 42 图形交互 . 43 语音交互 . 45 体感交互 . 46 Real Time . 47 Neural Network . 48 1)谷歌的处理器 TPUTensor Processing Unit . 49 2)Nvidia Tesla P100 芯片 . 50 3)IBM True North 芯片 . 50 4)IBM 随机相变神 经元芯片 . 51 5)英特尔 Knights Mill 芯片 . 52 6)嵌入式神经网络处理器 (NPU)芯片 “星光智能一号 ” . 53 7)寒武纪 “Dian Nao”芯片 . 53 近期热度 . 55 Path Planning . 55 中国相关政策 . 57 结语 . 59 参考文献 . 60 1 机器人现状及市场 作为集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备，机器人的诞生对未来的生产生活产生了变革性的影响。机器人不仅广泛运用于工厂作业中，而且近两年来开始向家庭生活的运用渗透。 就工业运用而言， 随着人工运营成本的不断提升，可以 24 小时不间断工作的机器人越来越成为各个产业投资的宠儿。除了带来机械劳动效率的提升之外，机器人的广泛运用还能够在生产作业中劳动者的人身安全，降低生产成本。 而在机器人在家庭生活中的运用则是进一步减轻了家庭成员们家务劳作的负担，给人们留 下了更多的时间 陪伴各自的家人。情感机器人的出现则是解决了老人与儿童的看护问题，帮助青年人在家庭与工作之间寻得平衡。总的来说，从早期的从事简单的搬运等生产活动，到目前的陪护功能的发展，机器人的结构与功能发生日新月异的变化， 性能与功能得到了不断的拓展与完善。近二十年来， 互联网的发展带动了一系列网络延展科技的发展， 给人们的生活带来了翻天覆地的变化，未来，互联网将向物联网发展， 而机器人作为物联网的重要一环，正不断改变人们的生产生活方式。 目前机器人主要分为：工业机器人和服务机器人两大类。工业机器人细分为焊接机器人、搬运机器人、装 配机器人、处理机器人、喷涂机器人五大类，服务机器人细分为个人、家用机器人、专业服务机器人。 2 图 1 机器人分类 我们的生活正向着智能化的方向不断发展，智能手机、智能电视、智能冰箱 机器的智能化给人们的生活带来了极大的便利，机器人也不可避免地向着智能化发展，智能机器人将是大势所趋。智能机器人得以实现主要依赖于两项技术的突破：（ 1）人机互动方式的改善；（ 2）数据获取与处理能力的提升。追溯到这两项技术的学术之源， Robotics 的发展为智能机器人产业的爆发提供了智力支持。 Robotics 的研究不断地研究如何进一步改善人际互动的方式与优化数据的获取与处理。而随着这一学科的不断发展，随着声音识别、图像分析等技术的全方位突破，在大数据的时代下，智能机器人将成为既智能手机之后又一个行业的独角兽产业，并将带动其他相关链条产业的快速爆发。 作为 智能机器人产业核心推动力 ， Robotics 的发展直接决定了智能机器人的人机交互能力和数据的获取与处理能力。 以智能机器人为代表的智能硬件产业随时可能爆发， Robotics 将扮演决定性作用 。 从全球机器人市 场规模来看，在全球整体机器人市场规模不断扩大的背景之下，亚洲市场是全球机器人消费的最大市场。根据 国际机器人联合会 (IFR)2017 3 年 9 月 27 日发表的 “ World Robotics 2017 - Industrial Robots”与 2017 年 10 月11 日发表的“ World Robotics 2017 - Service Robots”两篇报告 ， 预计 2017 年全球机器人市场国将达到 232 亿美元， 2012 年至 2017 年平均增长率近 17%。在 2017 年 , 亚洲 -澳大利亚地区的机器人安装量估计增加了 21%。美洲的 机器人供应量预计激增达 16%,在欧洲将增加 8%。 据估计 ,到 2020 年 ,全球操作工业机器人的存量将从 2016 年底的大约 182.8 万台增加到 305.3 万台，这表示 2018至 2020 的年均增长率为 14%。 自 2016 年以来 ,中国一直是工业机器人的最大使用国。到 2020 年 ,这个数据将增长到 950300台 ,大大超过在欧洲的 611700台。日本机器人的存量将在 2018和 2020 之间略有增加。 2020 年大约有 190 万机器人将在亚洲各地运作着，这几乎等同于 2016 年全球的机器人存量。 IFR 表示，中国已经成为了世界上最大 的机器人消费国，全球机器人市场价值大约 300 亿美元。目前中国排在工业机器人销量市场的第一位，而美国仅仅排在第四位。排在第二、三位的分别是韩国和日本。数据显示，珠三角地区机器人相关企业数量为 747 家，总产值达 750 亿元，平均销售利润率为 17%，处于全国领先水平。 此外，根据中国制造 2025的规划 ， 2020、 2025 和 2030 年工业机器人销量的目标，分别是 15 万台、 26 万台和 40 万台，预计未来 10 年中国机器人市场将达 6000 亿元人民币，增长前景诱人。 图 2 2000-2015 年全球工业机器人销量及增速 4 Robotics的 知识图谱 Robotics 的研究涵盖了多项内容，从机器人的结构建造，到智能化处理，Robotics 的发展以多项学科的发展为基础 ，这些学科的发展支撑了 Robotics 爆发式的成长。提到与 Robotics 相关的学科，我们第一时间想到的是同样是热点的 Artificial Intelligence。确实， Artificial Intelligence 之下的机器人规划与控制等内容都是与 Robotics 息息相关的。事实上，除了 Artificial Intelligence 之外，Robotics 的发展还与 Computer Systems Organization 有关。 详细来说， 我们常说的 Robotics 有三种学科起源， 分别属于 Artificial Intelligence 与 Computer Systems Organization 下的学科 。其中两种分别 属于Artificial Intelligence 之下一级学科 Planning and Scheduling 下的二级学科Robotic Planning 与 一级学科 Control Methods 下的二级学科 Robotic Planning，另一种则属于 Computer Systems Organization 下的一级学科 Embedded and Cyber-physical Systems。 图 3 Robotics 知识图谱 5 L0 Artificial Intelligence Robotics 是专门研究机器人 工程 的学科，其最基础的研究内容便是机器人的路径规划控制与人机交互。 Artificial Intelligence 是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门系统科学。 Robotics 的研究推动了许多人工智能思想的发展， 在 Artificial Intelligence 构建世界状态的模型和描述世界状态变化的过程中起到了至关重要的作用。 举例来说， 关于机器人动作规划生成和规划监督执行等问题的研究，推动了 Artificial Intelligence 这一学科中有关 Robot Planning 规划方法的发展。 机器人的智能化的发展更是Artificial Intelligence 的研究成果运用的一个重 要方面。 虽然说 Robotics 与 Artificial Intelligence 的结合大大推动了 Artificial Intelligence 的学科发展，二者的发展存在着千丝万缕的关系，甚至可以说，二者的发展是休戚与共的。但是，总体来说， Robotics 只是 Artificial Intelligence 领域的一个重要的组成部分。 Artificial Intelligence 的主要研究方向有 语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等 ，这些研究方向对于机器人智能化的实践有着重要的意义 。 其中，尤其是 机器翻译， 智能控制，专家系统，语言和图像理解 不仅是人工智能需要研究的重点，同时也是智能机器人得以实现必须攻破的科技难点 。 人工智能实际上是将人的智能赋予给其他工具，而机器人则是为这样的智能化提供了一个很好的容器与载体。 Robotics 作为 Artificial Intelligence 领域一个重要的组成部分 ，其发展在人工智能领域是有两条主要脉络的发展的。 其中，一级学科 Planning and Scheduling 二级学科 Robotic Planning 下 的Robotics 的代表学者有 Sebastian Thrun、 Wolfram Burgard、 Hirsoshi shiguro、Atsuo Takanishi 等 。 6 这一领域的代表论文主要有 Probabilistic robotics、 Robot vision、 The complexity of robot motion planning 等。 图 5 L0 artificial intelligence L1 planning and scheduling L2 robotic planning L3 Robotics 代表学者 图 4 L0 artificial intelligence L1 planning and scheduling L2 robotic planning L3 Robotics 代表论文 7 而 属于一级学科 Planning and Scheduling 二级学科 Robotic Planning 下的Robotics 与 属于 一级学科 Control Methods 二级学科 Robotic Planning 下的Robotics 的代表学者和代表论文类似，均以 Sebastian Thrun、 Wolfram Burgard、Hirsoshi shiguro、 Atsuo Takanishi 等学者与 Probabilistic robotics、 Robot vision、The complexity of robot motion planning 等论文为代表。 L0 Computer Systems Organization 人工智能的发展为机器人提供了人的智能，极大推动了机器人的智能化的发展，而 Computer Systems Organization 则是为机器人提供了一套科学的行为行动规划系统。 属于 Computer Systems Organization 下的一级学科 Embedded and Cyber-physical Systems 下的 Robotics 以 Jian Huang（黄健）与 Shankar Sastry两位学者为代表。 相关的代表性论文有 optimal adaptive system health monitoring and diagnosis for resource constrained cyber-physical systems、 toward a science of cyber-physical system integration、 GPS Grader： synthesizing temporal logic testers for auto-grading an embedded systems laboratory 等。 图 6 L0 computer systems organization L1 embedded and cyber-physical systems L2 robotic planning L3 Robotics 代表学者 8 Robotics的技术源起 早在 20 世纪 20 年代前后， 人们便已经产生了关于机器人的想象，在早期的人们的想象中，机器人实际上是一种无所不能的超人式的存在。这些作品主要产生于捷克与美国，相关的国家传创作的科幻作品与动漫作品，都有大量的有关于人们对机器人的功能的想象。 从产业的发展来看，最早在 1954 年，美国的戴沃尔制造了世界第一台机器人实验装置，发表了适用于重复作业的通用性工业机器人一文，并获得美国专利 ； 1960 年，美国 Unimation 公司根据戴沃尔德技术专利研制出第一台机器人样机，并定型生产 Unimate（意为“万能自动”）机器人。同时，美国“机床与铸造公 司”（ AMF）设计制造了另一种圆柱坐标形式的可编程机器人 Versatran（ 意为“多才多艺用途搬运机器人” )； 1967 年日本川崎重工公司从美国购买了机器人的生产许可证，日本从此开始了对机器人的制造和开发热潮。 图 7 L0 computer systems organization L1 embedded and cyber-physical systems L2 robotic planning L3 Robotics 代表论文 9 到了 20 世纪 80 年代， 随着 计算机技术 的不断发展，人们关于机器人 的想象逐渐成为现实， 机器人技术的发展达到了 一个 新的水平。 从技术源起上讲， Robotics 的发展是以 mobile robot、 three dimensional、genetic algorithm、 adaptive control、 image analysis 等学科的发展为基础的。 其中， mobile robot、 genetic algorithm、 adaptive control 在今天仍是研究的热 点，而 three dimensional、 image analysis 的热度则开始消退。 图 6 technology sources 图 7 1980-2016 three dimensional 发展图 图 8 1985-2016 image analysis 发展图 10 中国 Robotics的发展 从产业的角度而言，我国对于机器人有着极大的产业需求，据 IFR 的产业报告，中国是全球机器人需求量最大的国家。但是就技术的发展而言，我国对于机器人学的研究起步比较晚。在 20 世纪 70 年代开始，机器人学才开始在我国萌芽。随后的二十年里，机器人学在我国蓬勃发展，随着一批批中国学者前赴后继地投入机器人学地研究，我国在相关领域的学术发展在全球崭露头角。其中，我国机器人学发展的主要的历史事件有： 1972 年，中国科学院沈阳自动 化研究所开始了机器人的研究工作 ； 1985 年 12 月 ， 我国第一台水下机器人 “海人一号 ”首航成功，开创了机器人研制的新纪元 ； 1997 年，南开大学机器人与信息自动化研究所研制出我国第一台用于生物实验的微操作机器人系统 。 2015 年 ， 国内版工业 4.0 规划 中国制造 2025 行动纲领出台 ， 其中提到 ， 我国要大力推动优势和战略产业快速发展机器人，包括医疗健康、家庭服务、教育娱乐等服务机器人应用需求。 经过 近四十年 的发展，我国机器人的研究有了很大的发展，有的方面已达到世界先进水平，但与先进的国家相比还是有较大差距，从总体上 看，我国机器人研究仍然任重道远。 Robotics的学者分布 早期机器人的运用主要是在工厂结构化的环境中，而到了 20 世纪 80 年代中期开始，机器人的力量开始向日常生活中渗透。家庭清洁、办公助理、医院辅助，机器人给人们的生活带来了天翻地覆的变化。 作为一门与人类福祉息息相关的学科， Robotics 在全球掀起了研究的热潮。 11 全球 Robotics的学者分布 机器人学的全球学者分布与相应国家对于机器人的产业需求是类似的， 全球Robotics 研究学者集中分布在美中日 德 等少数国家，美国在 Robotics 方面的研究在全球遥遥领先。 图 10 全球 Robotics 学者分布 图 9 全球 Robotics 学者分布 12 机器人最早是在美国研发而成的，早在 1962 年， 美国 便研发出了世界上的第一台工业机器人，即使比起号称是“机器人王国”的日本，起步也是早了五六年。从机器人学的产业化运用来看，美国是绝对的机器人强国，相关技术的发展远远领先于其他国家。 尽管 美国的技术在全球遥遥领先，但是在机器人研究这一领域美国的发展并不是一帆风顺的。在机器人学发展的早 期阶段，政府并不支持相关产业的发展，因此，机器人的研究仅限于部分的实验室与少数企业。对于大多数企业来说，他们看不到短期能够盈利的增长点，再加上没有政府的资金支持，投资机器人产业是一项非常冒险的事情。而政府出于维护劳动力的考虑，防止机器人的产生会带来失业率下降的风险，对于机器人的产业保持不支持的态度。在当时美国失业率高达 6.65%的背景之下，美国政府的态度虽然对于机器人的发展来说是一种战略性的错误，但事实上确实在早期保护了部分劳动者的利益。到了 20 世纪 70 年代后期，美国政府改变了对机器人产业的态度，重点投资了 部分军用机器人、海洋探索机器人、太空探索机器人等高端机器人，对于用于实际生产运用的工业机器人投入较少。而在这一阶段，日本对于工业机器人的研究后来居上，在工业机器人的产业研究与运用上大展拳脚，成为世界上非常有竞争力的工业机器人生产国家。到了 80 年代以后，美国政府才开始重视 工业机器人的研究，在政策上对于机器人的研究给予了相当程度的支持，加大了对于机器人研究的资金投入，并制定了完善的发展计划。政府的支持给予了学界与产业界极大的激励，机器人产业的发展成为了美国再次工业化的特征。政府的政策成为了研究的方向标，美国机器 人的产业在这一阶段迅速发展。在政府的支持下，大量的实验室与公司投入了机器人的研究，到了 80 年代中后期，各大厂家在机器人技术上的研究日臻成熟。当时机器人的发展已经满足不了美国工业发展的需求。由于生产的需要，美国开始研究具有视觉与力觉的新一代机器人。这些机器人的诞生极大地提升了工业的生产率， 诞生初期便受到了产业界的极大的欢迎，并在短期 之内占领了美国60%的机器人市场。美国机器人的发展因其性能 可靠，功能全面，精确度高 在国际上备受赞誉。就目前的发展来看，美国的机器人学研究在机器人语言学、人工智能技术、军用机器人技术 成果尤为显著。在机器人语言学上，美国机器人 语言类型多、应用广，水平高居世界之首； 在人工智能技术的发展商， 智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用； 说到 高智能、高难度的军用机器人、太空机器人 ，美国在相关产业的 发展 也是十分迅速 ， 产出的机器人 主要用于扫雷、布雷、侦察、 站岗及太空探测方面。 机器人产业的是日本的一个战略产业，从一开始，日本政府便对机器人产业 13 的发展给予了极大的政策支持。日本由于人口老龄化十分严重，政府不得不寄希望于机器人产业的发展来提升劳动力水平，承担日常的生产生活活动。在日本，人们可以感受到 一种 “让机器人成为人”的氛围，这样一种文化氛围也在一定程度上增长了日本学术界于产业界对于机器人研究的热情。 为了攻克服务机器人发展的关键技术难题， 在 2006 年至 2010 年间， 日本政府 每年投入 1000 万美元用于研发服 务机器人 。 而德国在于机器人产业上的发展与其自身的社会环境是有很大关系的。由于战争的原因，德国面临着严重的劳动力不足的现实。机器人产业的发展成为了 政府解决工业发展瓶颈的最佳选择之一。与美国和日本不同的是，德国采取了一些行政手段推动机器人产业的发展。对于一些高危的产业，政府强制限制相关工作只能由机器人来执行。这一计划在很大程度上推动了机器人在德国的发展与运 ，并进一步促进了机器人技术的研究。在德国政府的大力支持之下，德国的 服务机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位：机器人保姆 Care-O-Bot3是德国服务机器人的巅峰成果之一。在机器人保姆 Care-O-Bot3 身上有着 不计其数的传感器、立体彩色照相机、激光扫描仪和三维立体摄像头， 这些传感器使得 识别日常生活用品与避免误伤主人成为了可能。与此同时，语言分析技术与运动规划技术的发展，让这一机器人具备了声控 或手势控制 的能力。在相关技术的支持下，机器人保姆 Care-O-Bot3 可以听懂主人的 语音命令 并 看懂 主 人的 手势命令 。 14 中国 Robotics的学者分布 中国的机器人研究虽然起步非常晚，但是政府对相关产业给予了相当程度的支持与重视。 1986 年 3 月 ，中国政府 把研究、开发智能机器人的内容列入国家863 高科技发展规划中 。在中国政府的支持之下，中国 建成了一批高水平的研究开发基地，造就了一支跨世纪的研究开发队伍，为 21 世纪机器人技术的持续创新发展奠定了基础 。 在中国， Robotics 研究学者集中分布在北京、江苏、广东等地。 京东 、阿里巴巴、腾讯等企业在 Robotics 领域持续加大投入。 图 11 中国 Robotics 学者分布 15 Robotics的研究学者 有关 Robotics 的研究主要以 Roland Siegwart、 Atsuo Takanishi、 Paolo Dario、 Kerstin Dautenhahn、 Hiroshi Ishiguro、 Takayuki Kanda、 Wolfram Burgard、Manuela M. Veloso、 Gerd Hirzinger、 Sebastian Thrun 十人为首的流派研究构成。这十位研究学者分别来自于不同的研究机构，研究兴趣主要集中在 human motion、 mobile robots、 motion planning、 humanoid robots 和 human robot interaction等方向。这些学者在 citation、 G-index、 H-index、 diversity和 sociability方面都有着不俗的表现，但是近两年参加的活动较少。 图 12 Robotics 全球专家关系图谱 16 代表研究学者 Roland Siegwart Roland Siegwart 教授现在 Swiss Federal Institute of Technology 工作，研究兴趣主要在 Robot Navigation、 Mobile Robots 、 Motion Planning 、 Fault Diagnosis 和 Robotic Mapping。 Roland Siegwart 发表有 490 篇 paper，在 paper、citation、 H-index、 G-index、 sociability、 diversity、 activity 等方面有着出色的表现。与他相似的研究人员有 Nicola Tomatis、Cdric Pradalier、 Agostino Martinelli、 Samir Bouabdallah、Gilles Caprari 等。 图 13 RolandSiegwart 的研究兴趣 Atsuo Takanishi Atsuo Takanishi 教授现在 Waseda University 工作，研究兴趣主要在 Humanoid Robots、 Robots、 Motion Control、 Mobile Robots。 Atsuo Takanishi 发表有 635 篇 paper，在 paper、sociability、 diversity 等方面有着出色的表现。与他相似的研究人员有 Hun-Ok Lim、 Hideaki Takanobu、 Massimiliano Zecca、HiroyukiIshii、 Salvatore Sessa 等。 图 14 Atsuo Takanishi 的研究兴趣 17 Paolo Dario Paolo Dario 教授现在 CRIM Lab， Polo Sant Anna Valdera， Scuola Superiore Sant Anna， Pisa， I