聚焦模块化技术，看未来机器人企业“智”变 | 机器人大家说第20期干货整理

汽车产业链模块化发展

德国人卡尔·本茨在1885年10月份成功研制世界上第一辆三轮汽车，1885年另外一个德国人哥特里布，带领几个人发明了第一辆四轮汽车，他们两人因此被世人尊称为汽车之父。

汽车自诞生来经历一百多年的发展，发展速度惊人，汽车工业造就了包括通用、福特、本田、丰田等等多位企业巨头，他们在世界经济中都是举足轻重的。

汽车经过一百多年来的不断改进创新，凝聚了人类的智慧和匠心，并得益于石油、金属、化工、塑料机械设备、订立道路网、电子技术以及金融等等多个行业的支持，带动了他的发展，成为今天这样具有多种形式，不同规格，广泛应用于社会经济生活，多种领域的一种交通运输工具。

但在其早期、早中期的发展过程中，一直都是专用设计，小批量生产的，市场供不应求。是在大规模化生产之后，汽车行业才成为了国民经济的一个重要的支柱产业。

各大企业为了适应大规模化的生产，在推陈出新的同时普遍采用了平台化、模块化的战略。例如大众汽车从1937年建厂起，历经37年，到1974年左右才开始推行第一阶段的平台战略，刚开始它是较为粗放的按轴距、外廓的一种分类方式。到了1995年建立起第二阶段的PQ系列平台战略又经过了大概七年，实行模块化战略的一个过渡。最后到2008年的时候，它形成了四大基准平台的一个模块化战略，前后历经了71年，才诞生高度衍生性，高度设计兼容性的一个叫MQB的平台。

这两张照片主要展示的是模块化带来的汽车行业的一个产业链的一个形成，汽车零部件的供应商它包括轮胎、后视镜、车窗、玻璃、仪表、方向盘、车灯、发动机、刹车片等等等等。

个人电脑的模块化

我们再来看另外一个领域就是大家熟悉的个人电脑。

1975年4月，MITS发布了第一个通用型的AITair8800，它当时的售价是375美元，有1KB的存储器，这是世界上第一台微型计算机；

20世纪70年代的时候出现了有好几个有代表性的个人电脑的原型样机；到了20世纪80年代初的时候，市场上存在着大量不同标准的个人电脑，比如说美国的Apple机，TRS80，日本的PC9801等等。

1980年7月，一个叫唐·埃斯特利奇的人，他本来是负责一个叫跳起计划的一个领导人，他领导了一个13个人的小组，秘密的来到了佛罗里达州的博卡科顿镇，这里当时是IBM的研究发展中心，在这里开发了后来称为IBMPC的产品。

一年之后，大概是8月12号的时候，IBM公司在纽约宣布第一台IBMPC的诞生，开创了计算机历史的新篇章。

1982年，IBM公开了IBMPC上除了BIOS全部的技术资料，从而形成了PC机的一个开放标准，使不同厂商的标准硬件可以互换，由微软公司开发的（英文）操作性能，实现了IBMPC的一个软硬件分离。

PC机的硬件体系结构，包括CPU、内存、硬盘、软尺、多功能显示卡、CRT显示器、键盘、鼠标等等各种各样子的功能构件，他们形成了一个开放标准，包括软件导致了大量的专业零部件的生产商和整机的经销商的形成，并且崛起，才导致了PC机产业化迅速提升的历史进程。

在短短数年时间的发展之后，PC机市场上由于IBMPC金融机标准的一个开放性，IBM金融机的数量站住了市场的一个绝对的主导地位，这又反过来又促使了IBMPC金融机逐步成为了事实上的一个PC标准。在此过程中已经逐步成长起来的各个专业的零部件配套商，比如说微软，他后来的操作系统windows，再加上后面的MS，office等等，也包括英特尔，CPU以及其它的一些金融机的零部件商以及大量的金融机的整机经销商，比如说惠普、宏基、康派等等的加盟，进一步刺激了市场的发展。

PC机的到来，连同Internet的一个发明，最终导致了信息时代的真正来临，给人类文明史所带来的深远的变革难以估量。

但IBM自己实际上在PC市场的份额甚至都不在首位，在公开标准的一个强劲的推动下，IBM金融机迅速经历了FT、AT、80286、80386、486、奔腾等等，一直到现在的一个发展阶段，它的性价比以及利润难以执行的一个摩尔定律的长期高速增长达到了20年之久。在奔腾电脑的时代，由于采用了大量的新技术标准，PC的一个技术标准实际上已经开始由其他国际组织来制定了，后来的企业标准逐渐被通用的国际行业标准所取代，相应的比如说我们所说的IBM金融机的说法，逐渐替换为标准PC，进入到了亿万普通家庭。

手机的模块化

我们再谈一下模块化相关的另外一个案例，有关现在大家都人手一部的手机。

1902年，美国人内森·斯塔布菲尔德，在肯塔基乡下的住宅里制成第一个无线电话装置，这是人类对手机技术最早的探索研究；

1973年，由马丁库珀博士发明了全球第一台移动电话；

1985年，摩托罗拉推出第一台真正的移动电话；

2008年，苹果推出的手机改变了我们的生活习惯；

现在手机成为了我们生活中必不可少的一个日常工具。

从2014年下半年开始，以华为、小米、魅族、VIVO为代表的国产手机发起了赶超三星、苹果等品牌的潮流，呈现出集体追赶的姿态。这些成功的背后，国内手机产业链的形成是功不可没，也就是说如果没有模块化、标准化的发展思路，要形成产业链是绝不可能的。

二、机器人产业模块化技术的提出

相比之下，目前机器人产业的发展现状如同20世纪70年代的计算机的产业，是各自为政的一个战国时代。今天正在汽车装备线上面忙碌的一线的工业机器人，正如是当年大型计算机的一个翻版。

各种服务机器人，例如协助医生进行外科手术的机械臂达芬奇，在伊拉克和阿富汗战场负责排除路边炸弹的一些侦察机器人，以及现在大家看到的扫地机器人，还有不少比如说参照人、狗、恐龙等等这样子外形的一些玩具机器人，这就好比80年代初期的个人计算机一样，种类繁多。

无论是日本的企业，还是欧洲的企业，机器人制造公司的操作系统都不是统一的，机器人的机械、电器、计算等等，这些硬件都没有实行模块化、标准化。在一台机器人上开发的程序代码，几乎不可能在另一台机器人上面重用，如果我们要开发新的机器人，通常我们得从零开始。目前大量的用户和公司，不仅仅要知道机器人的系列产品和功能，还需要详细的了解其内在的技术原理和操作，而且各类机器人操作系统并不统一，相关的部件和控制程序都是不可互换的。

有关机器人的研发由于没有标准，甚至说连企业标准都没有，在国内外都存在大量低水平的一个简单重复，不能实现各种功能构件之间的可重用与户置换，没有形成与信息产品相类似的专业化配套与产业链分工，他们不能够实行工业化级别的规模生产，制造成本高，技术上各大厂家之间互相有壁垒，严重阻碍了机器人产业的发展。

现有的机器人技术在工业机器人方面是较为成熟的，但是服务机器人的需求实际上是更广的，现有的工业机器人技术，几乎无法复用到家用服务机器人的设计与制造上，这一点需要我们引起思考。一直以来，机器人这个词在很多定义里等同于自动化操作手，但我认为机器人技术发展到现在应该摆脱误区了，将来的机器人肯定会由工业机器人转向到服务机器人的概念。

现在的工业机器人无法作为服务机器人使用，完全干不了家务，但是将来的服务机器人肯定是可以作为工业机器人使用的，它不仅仅会干家务，而且它还会干其他的一些事情。目前大致上我们能看到这种趋势，实际上有一部分是体现在比如模块化协作机械臂、移动协作机械臂、人形双臂，波斯顿动力四条腿机器人等等这样的一些新的领域。       

实际上机器人可以借鉴PC产业的发展道路，比如说我们要统一机器人的体系结构，我们要结合机器人产业的发展目标；比如说我们制定相应的一些基础的标准体系；更重要的比如说是接口协议规范；我们把软硬件进行分离；同时我们要攻克模块化、标准化的一些功能构件的核心技术。我们要实行自主创新，并且制定相应的一些企业、行业、国家乃至国际标准。

在这个基础上，我们再进行机器人产品样机与产业化推进，形成零部件功能构件的一些配套商，整机商以及集成应用商等等一个完整的产业链，这应该是当前的可行之路。

特别是我们国家的机器人产业的发展，在技术基础相对落后的情况下，我们必须要抛弃弯道超车这种幻想，我们选择模块化的发展道路，比如说发展核心零部件的研发的同时，我们要注重产业联盟，鼓励互换性，标准一致性，这才是发展我国机器人产业后来居上的一个必选之路。机器人模块化必然伴随着我们说的标准化可互换系统，这些研究大致来说，主要是在模块化的体系结构、模块化的标准、可互换的核心功能部件、互相兼容的主线接口、统一的操作系统平台，、及这个平台上面可复用的中间件、软件仓库等等这些方面。

除智能、通用这两个特点，第三个重要的特点就是协作。最近十年，机器人的协作性得到了广泛的重视。这里主要列举了一些典型的模块化机械臂的关节，包括机械臂的构型。重点要谈一下当前很热的协作机器人，实际上我们可以认为协作机器人是模块化机器人发展的一个阶段性的成果，当前是机器人发展定格的一个时期，它伴随着机械控制、计算机、材料，甚至生物、医学等等学科的发展，我们现在讲机器人学，机器人学的发展将带领我们走入一个智能通用协作的时期，机器人将作用于我们生活世界的方方面面。

这里就仅仅列了两个有代表性的，就是专门只做模块化关节，关节模组，比如说CMU的，比如说科尔摩根的。

机器人的研究，按照我们的划分，已经进入到了第三代智能机器人的时代。这里有代表性的，比如说波士顿动力的人形机器人阿特拉斯，日本本田汽车公司研发的人形机器人阿西木，这些是目前世界上最先进的一些机器人。人工智能方面，谷歌公司他打败了人类围棋世界冠军的AlphaGo，代表了人工智能的一个最高端成果。

但是对于机器人来说，我们如何将单一环境条件下的人工智能的算法集成到机器人上面，使其能够在非限定环境下面完成非限定的任务，还有待进一步的研究。随着语音识别，自然语言理解，图像识别等技术的发展，包括传感器技术的进步，人类最终是能够实现非特定环境下的智能的。

机器人通用性主要是指机器人用途的通用性以及机器人构成的模块化，可互换性。

除了脑之外，第二个方面比较重要的就是臂，臂主要是指模块化、灵感构型，各种各样的模块化机器的快速搭建。

机器人的通用性趋势率先是在工业机器人领域得以逐步实现的。在工业机器人领域，最初我们知道机器人针对的是专门的作业，比如说替代人工的，比如说码垛机器人，喷涂机器人等等。这些机器人，它针对的是某项具体的作业进行的特定设计，它不使用于其它工作。

后来由于技术的发展，市场的需求，各大机器人厂商分别都推出了通用性的机械臂。它既可以实行码垛，也可以实行焊接，那么机器人只需要更换一个末端的执行机构，采用抽象的机器人语言重新编写这个程序，就可以满足新的作业要求。

除了末端执行器的可互换性之外，目前还出现了通用的模块化关节，可以快速的组装不同结构的机器人。随着人工智能的发展，机器人将和人一样能够理解自然语言，机器人的编程语言，我们可以采用语义级的编程语言，这个将极大地简化机器人编程的一个复杂程度，提高通用性。

机器人作业的复杂度以及智能程度越来越高，那么多任务调度以及实时处理这些工作需要有操作系统来完成，那么需要有一个开放的通用的一个操作系统，提供标准的构造平台，让每一个做机器人研究的设计师，都能够使用相同的操作系统来进行设计，这无疑将有大大有利于机器人技术的快速发展。

协作包含机器人与人，机器人与机器人，机器人与机器子女的协作。一直以来为了安全，工业机器人都是被护栏围住的，它要防止出现碰撞，引起设备的一些损伤。这一类的机器人它都是对应制造业设计的重型的笨拙的机器人，但在实际应用中工业流程环节需要大型机器人来提取较重的负担，那更加灵活轻便的机械臂就有更大的需求，小型的低噪音的低功耗的一些机器人，成为了应对工业企业自动化合理化的解决方案。

协作机器人是顺应市场需求悄然诞生的，填补的是全手动装备生产线与全自动生产线之间的差距。这样子的一种新型的机器人，它能够直接和人类员工一起并肩工作，而且无需使用安全围栏进行隔离。协作机器人除了需要具有敏感的力反馈特性之外，当达到比如说设定的力的时候，我们要立即停止之外，还需要实现多种传感器的一个信息融合，让机器人能够感知环境、识别环境，具有灵活的人机交互能力。

实际上，目前市场上的协作机器人都处于一个初期的发展阶段。协作机器人有别于传统的工业机器人，真正的协作机器人应该达到以上的几种要求。

这里仅仅列举了部分典型的模块化关节和机械臂，实际上模块化机器人方面的发展远大于这些，比如说模块化关节、通用控制器、模块化末端执行器、进行专用的传感器等等。对于协作型的机械臂，目前UR的一个应用案例是全球领先的，它的模块化关节核心部件是由科尔摩根提供的，目前科尔摩根自己也推出了系列化的模块化关节，但无论是模块化关节还是UR的整臂，它的价格都相对较高。

三、机器人模块化国际国内发展现状

目前国内做协作机器人，模块化协作机器人的也有很多，比较突出的就是国内2015年成立的一个遨博智能。他们在模块化关节和整臂控制技术方面用了多项核心技术，有些指标甚至都超过了UR，先后通过了欧盟的CE认证以及北美的NRTL认证。最近听说他们经过国家机器人检测与评定中心的一个检测，重复定位精度达到了0.026毫米，比UR还高，价格比它低很多，应该说国产机器人在协作机器人方面有可能赶上国际，成为国际化的标杆企业，这方面市场发展前景相当广阔。

前面我们更多提到服务机器人将来，其实工业机器人将来都可能统一归为服务机器人。服务机器人是否会出现一个统一的架构，实际上目前模块化关节以及构型的研究，已经有非常多显著的成果。

第一个方面是机器脑，主要指一些开放架构的软件平台以及一些可复用的中心件。比如说openCV、pcL、顶云库、语音识别、语音合成、推理、学习等等这些开源平台的支持。另外比如说想感知模块化，多传感器融合等等。

第二个方面是人工智能，智能机器人离不开人工智能的研究，特别是新一代的工业机器人和服务机器人更是人工智能大展宏图的主战场。现在人工智能比较火，其实人工智能最大的一个方面就是机器人，因为这方面人工智能机器人的产品是可以落地的，所以可以看到国家在人工智能机器人领域大力的扶持。

第三个方面是机器手，这里的手我们主要是指通用的末端执行器。大家知道在机器人领域里面手是非常难的，目前这个领域是最不成熟的领域。通用手的研究包括比如说仿生多只手、包括最近比较热的交叉前沿研究的软体假肢器这些软体机器人等研究。特别是软体机器人，我认为有可能是一个变革性的研究。

第四个方面是移动性。实际上研究移动性的非常多，我们要将来的服务机器人模块化，我们关键需要，比如说移动平台上面加操作臂，那么在非结构化，无低头环境下面我们的智能感知和交互这些是重点。当然还有一些更难的研究，比如说仿人双足等等的研究，大家前面估计都看过，波斯顿动力放出来阿特拉斯的视频，做的相当长震撼，但是最近好像它被幕布神经绊倒了，这个又一下子让我们对安全性产生了大大的怀疑。

当然这些只是大的部分，每部分它都会有更细的模块化分工。

最近有传闻说，传统工业机器人领域已经到天花板了。而我们有些名企业家是吧，都玩起了收购国外机器人大公司的资本运作手段，我们且不管最近欧盟对于中国资本渗透高新技术企业的一些舆论，私营企业家为了一己之私盈利，这无可厚非的，但机器人行业的知识，我们不能够麻木不仁，服务机器人的发展前景摆在我们面前，我们可以在新的领域另起炉灶，比如说我们从模块化协作机器人开始，即使现在我们还只能覆盖很小的一部分工业机器人，我们再扩展到服务机器人，比如说AGV，软体传感等等方面服务机器人的发展，它一定是可以反过来服务工业机器人领域的。

四、武科大在模块化方面相关研究

最后我给大家讲讲我们武科大在模块化协作机器人方面的研究，以前在北航机器人所和魏洪兴老师，陈学冬老师，是一个课题组，我们很长时间也在研究模块化机器人。那么在工业机器人这一块我们也是在模块化关节以及机械臂的构型方面进行了研究。大家从这个图片可以看到我们早期863项目下，我们大家一起研发的模块化关节，模块化机械臂。

在此基础上我们做了有关方面的一些研究，主要是有几个助学科学基金和863的项目，我们主要在模块化机械臂，协作移动机械臂的物体识别、语音对话、推理及全语音解析、运动控制等等这些方面。我们除模块化机械臂之外，大部分的软件都是在乐视下面开发的，软硬件也都是按照模块化的概念。

    问题一：在协作机器人方面，我们和国外的差异化在哪里？技术上有差距吗？

    闵华松：在协作机器人方面，和嵌入式系统领域比较类似，国外发展比较早，但也是刚起步，我们也谈不上落后。

    问题二：闵老师，刚刚听您对机器人模块化现状的讲解，我这边有个关于机器人应用新场景的问题，目前人工智能机器人结合的新场景，像酒店服务机器人、短距离无人送货、智能机器人咖啡厅……您最关注那方面机器人的新应用呢？您对新应用场景有怎样的想法呢？

    闵华松：我们目前正在做的工作一个是模块化关节，我们现在BRDC的伺服控制方面形成一种主线接口标准的模块化关节。另外就是协作机器人整臂的构成，包括移动机械臂，我们目前设计的就是无低头环境下自动去抓取一个物体送到那里去，这个目前在做研究，但实用我们倒还没有做。现在实验室有一套室外的移动小车，我们也有把模块机械臂搭在上面，加些传感器，我们目前也在做这方面的研究工作。可能现在理论研究多一点，实际的应用可能没有那么贴切去做。

    问：室外小车的工作是要巡逻吗？

    闵华松：这个是我们正在做的，在乐视下面做的一个移动机械臂，模块化的移动机械臂。当然这里面也包含路径规划。我们目前做的室外小车，是自动规划，上层做的语音对话，和人和环境的交互，然后让它自己去找物体，按照命令去执行，倒没有去做巡逻。