智能产业 前沿高地
【导读】当前，全球机器人市场规模持续扩大，工业机器人市场增速回落，服务、特种机器人增速稳定。技术创新围绕仿生结构、人工智能和人机协作不断深入，产品在教育陪护、医疗康复、危险环境等领域的应用持续拓展，企业持续优化产品性能，前瞻布局机器人智能应用，全球机器人产业正稳步增长。
当前，全球机器人市场规模持续扩大，工业机器人市场增速回落，服务、特种机器人增速稳定。技术创新围绕仿生结构、人工智能和人机协作不断深入，产品在教育陪护、医疗康复、危险环境等领域的应用持续拓展，企业持续优化产品性能，前瞻布局机器人智能应用，全球机器人产业正稳步增长。
全球整体市场规模持续增长，
服务机器人迎来发展黄金时代2019年
全球机器人市场规模预计将达到294.1亿美元，2014-2019年的平均增长率约为12.3%。其中，工业机器人159.2亿美元，服务机器人94.6亿美元，特种机器人40.3亿美元。
资料来源：IFR，中国电子学会整理
图1 2019年全球机器人市场结构
（一）工业机器人
销量稳步增长，亚洲市场依然最具潜力
目前，工业机器人在汽车、电子、金属制品、塑料及化工产品等行业已经得到了广泛的应用。随着性能的不断提升，以及各种应用场景的不断明晰，2014年以来，工业机器人的市场规模正以年均8.3%的速度持续增长。IFR报告显示，2018年中国、日本、美国、韩国和德国等主要国家销售额总计超过全球销量的3/4，这些国家对工业自动化改造的需求激活了工业机器人市场，也使全球工业机器人使用密度大幅提升，目前在全球制造业领域，工业机器人使用密度已经达到85台/万人。2018年全球工业机器人销售额达到154.8亿美元，其中亚洲销售额104.8亿美元，欧洲销售额28.6亿美元，北美地区销售额达到19.8亿美元。2019年，随着工业机器人进一步普及，销售额将有望接近160亿美元，其中亚洲仍将是最大的销售市常
资料来源：IFR，中国电子学会整理
图2 2014-2021年全球工业机器人销售额及增长率
（二）服务机器人
新一代人工智能兴起，行业迎来快速发展新机遇
随着信息技术快速发展和互联网快速普及，以2006年深度学习模型的提出为标志，人工智能迎来第三次高速发展。与此同时，依托人工智能技术，智能公共服务机器人应用场景和服务模式正不断拓展，带动服务机器人市场规模高速增长。2014年以来全球服务机器人市场规模年均增速达21.9%，2019年全球服务机器人市场规模预计将达到94.6亿美元，2021年将快速增长突破130亿美元。2019年，全球家用服务机器人、医疗服务机器人和公共服务机器人市场规模预计分别为42亿美元、25.8亿美元和26.8亿美元，其中家用服务机器人市场规模占比最高达44%，分别高于医疗服务机器人、公共服务机器人17、16个百分点。
资料来源：IFR，中国电子学会整理
图3 2014-2021年全球服务机器人销售额及增长率
（三）特种机器人
新兴应用持续涌现，各国政府相继展开战略布局
近年来，全球特种机器人整机性能持续提升，不断催生新兴市场，引起各国政府高度关注。2014年以来全球特种机器人产业规模年均增速达12.3%，2019年全球特种机器人市场规模将达到40.3亿美元；至2021年，预计全球特种机器人市场规模将超过50亿美元。其中，美国、日本和欧盟在特种机器人创新和市场推广方面全球领先。美国提出“机器人发展路线图”，计划将特种机器人列为未来15年重点发展方向；2018年提出《无人系统综合路线图》，明确特种无人系统未来发展的关键技术主题、阶段重点和目标。日本提出“机器人革命”战略，涵盖特种机器人、新世纪工业机器人和服务机器人三个主要方向，计划至2020年实现市场规模翻番，扩大至12万亿日元，其中特种机器人将是增速最快的领域。欧盟启动全球最大民用机器人研发项目，计划到2020年投入28亿欧元，开发包括特种机器人在内的机器人产品并迅速推向市常
资料来源：IFR，中国电子学会整理
图4 2014-2021年全球特种机器人销售额及增长率
轻型化、柔性化、智能化趋势明显，
实践应用场景持续拓展
全球机器人基础与前沿技术正在迅猛发展，涉及工程材料、机械控制、传感器、自动化、计算机、生命科学等各个方面，大量学科在相互交融促进中快速发展，技术创新趋势主要围绕人机协作、人工智能和仿生结构三个重点展开。
（一）工业机器人
轻型化、柔性化发展提速，人机协作不断走向深入
工业机器人更孝更轻、更灵活。当前，工业机器人的应用场景愈加广泛，苛刻的生产环境对机器人的体积、重量、灵活度等提出了更高的要求。与此同时，随着研发水平不断提升、工艺设计不断创新，以及新材料相继投入使用，工业机器人正向着小型化、轻型化、柔性化的方向发展，类人精细化操作能力不断增强。例如，日本SMC致力于为机器人研制高品质的末端执行器，研发的新型汽缸体积缩小了40%以上，质量最高减轻了69%，耗气量最高减少了29%。日本爱普生首款新型折叠手臂六轴机器人N2，可在现有同级别机械臂60%的工位空间内完成灵活操作；折叠手臂六轴机器人N6采用内部走线设计，其折叠手臂可自然进入高层设备、机器、架子等狭窄空间；T3紧凑型SCARA机器人将控制器内置，避免了在设置和维护过程中进行复杂的布线，大大提高了成本效率并保持较低的总运行成本。德国费斯托（Festo）的新型全气动驱动机械臂，将刚性的“抓取”转变为柔性的“围取”，能完成灵活抓取不同大小部件的任务。
人机协作成为重要发展方向。随着机器人易用性、稳定性以及智能水平的不断提升，机器人的应用领域逐渐由搬运、焊接、装配等操作型任务向加工型任务拓展，人机协作正在成为工业机器人研发的重要方向。传统工业机器人必须远离人类，在保护围栏或者其他屏障之后，以避免人类受到伤害，这极大的限制了工业机器人的应用效果。人机协作将人的认知能力与机器人的效率结合在一起，从而使人可以安全、简便的进行使用。例如，瑞士ABB的双臂人机协作机器人YuMi可与工人一起协同工作，在感知到人的触碰后，会立刻放慢速度，最终停止运动。德国库卡（KUKA）的协作机器人LBRiiwa可以以每秒10毫米或50毫米的速度抵近物体，并在遇到阻碍后立刻停止运动。优傲e-Series协作式机器人可设定机械臂保护性停止的停止时间和停止距，并内置力传感器提高精度和灵敏度，满足更多应用场景的需求。
（二）服务机器人
认知智能取得一定进展，产业化进程持续加速
认知智能支撑服务机器人实现创新突破。人工智能技术是服务机器人在下一阶段获得实质性发展的重要引擎，目前正在从感知智能向认知智能加速迈进，并已经在深度学习、抗干扰感知识别、听觉视觉语义理解与认知推理、自然语言理解、情感识别与聊天等方面取得了明显的进步。例如，英特尔开展自适应机器人的交互研究，实现低成本、多种服务、良好易用的机器人交互。由德国宇航中心、空中客车公司和IBM合作开发的球形智能机器人CIMON于2018年7月抵达国际空间站，可与宇航员友好交谈，具备向宇航员和相关人员提供技术帮助、警示系统故障等功能。
智能服务机器人进一步向各应用场景渗透。随着人工智能技术的进步，智能服务机器人产品类型愈加丰富，自主性不断提升，由市场率先落地的扫地机器人、送餐机器人向情感机器人、陪护机器人、教育机器人、康复机器人、超市机器人等方向延伸，服务领域和服务对象不断拓展。特别是在医疗服务机器人领域，临床应用日益活跃，产品体系逐渐丰富。例如，新加坡AiTreat的按摩机器人艾玛内置传感器可测量肌腱和肌肉的硬度，通过人工智能和基于云计算的方法计算出最佳按摩方式，模仿人类的手掌和拇指来进行按摩和理疗。三星推出健康管理服务机器人SamsungBotCare，能快速获取血压、心率等健康数据，为用户提供睡眠质量监控、紧急呼叫服务、减压音乐治疗、药物摄入量跟踪以及体育锻炼指导等智能服务，帮助用户管理日常身体健康。
（三）特种机器人
结合感知技术与仿生等新型材料，智能性和适应性不断增强
技术进步促进智能水平大幅提升。当前特种机器人应用领域不断拓展，所处的环境变得更为复杂与极端，传统的编程式、遥控式机器人由于程序固定、响应时间长等问题，难以在环境快速改变时作出有效的应对。随着传感技术、仿生与生物模型技术、生机电信息处理与识别技术不断进步，特种机器人已逐步实现“感知-决策-行为-反馈”的闭环工作流程，在某些特定场景下，具备了初步的自主能力。与此同时，包括液态金属控制技术和基于肌电信号的控制技术在内的前沿科技将推动新型材料在机器人领域的使用和普及，仿生新材料与刚柔耦合结构也进一步打破了传统的机械模式，提升了特种机器人的环境适应性。例如，德国费斯托公司研制的仿生狐蝠可通过集成机载电子板与外置的运动追踪系统的相互配合，实现在特定空间内进行半自主飞行，可用于军事侦察和通信领域。
替代人类在更多复杂环境中从事作业。当前特种机器人已具备一定水平的自主智能，通过综合运用视觉、压力等传感器，深度融合软硬系统，以及不断优化控制算法，特种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。例如，欧盟UNEXMI项目团队开发出地图绘制机器人UX-1RoboticExplorer，配备数字摄像头、旋转激光线投影仪、多光谱相机、伽马辐射探测器等多种探测感知设备，可以自动在水下漫游并绘制3D地图。美国加州大学伯克利分校研发的漂移板双足机器人CassieCal，配备全新的传感器、控制系统、路径规划系统和视觉系统，可以精确估算行驶速度并有效规避障碍物，实现在粗糙不平坦的地形上自主进行滑行、转弯和上下坡。随着特种机器人的智能性和对环境的适应性不断增强，其在军事、防暴、消防、采掘、建筑、交通运输、安防监测、空间探索、防爆、管道建设等众多领域都具有十分广阔的应用前景。
企业愈加注重产品形态创新，
网络化与智能化布局齐头并进
当前，机器人领域领军企业加大研发力度，聚焦工业互联网应用和智能工厂解决方案，重视无人车、仿人机器人、灾后救援机器人、深海采矿机器人等产品研发，不断创新产品形态，优化产品性能，抢占机器人智能应用发展先机。
（一）工业机器人
工业互联网成布局重点，智能工厂解决方案加速落地
行业龙头发力工业互联网。随着新一代信息技术与制造业进一步加速融合，制造业愈加显著地表现出网络化、智能化的前沿发展趋势，机器人龙头企业纷纷落子工业互联网，例如，库卡机器人可与基于云技术的库卡Connect相连，实现机器人与设备的联网，实时查看和分析工业机器人的运行状态，减少系统停机时间、进行预测性维护等，并通过大数据分析持续提高生产率、质量和灵活性。ABB推出ABBAbility工业云平台，并与华为展开合作联合研发机器人端到端的数字解决方案，实现机器人远程监控、配置和大数据应用，进一步提升生产效率和节约成本。
重点企业聚焦智能工厂解决方案。当前，全球制造业格局面临重大调整，智能工厂作为工业智能化发展的重要实践模式，已经引发行业的广泛关注。例如，发那科（Fanuc）设立
FanucIntelligentEdgeLinkandDrive（FIELD）平台，能实现自动化系统中的机床、机器人、周边设备及传感器的连接并进行数据分析，提高生产过程中的生产质量、效率、灵活度以及设备的可靠性。三菱电机打造的智能工厂e-F@ctory，强调“人、机器和IT协同”，可以根据数量、品种、交货期等指标的变更，灵活调整生产节奏，削减企业总成本以达到推动高端制造和提高企业价值的效果。安川电机推出i3-Mechatronics概念，其中i3指的是integrated（集成）、intelligent（智能）、innovative（革新），安川电机试图通过对自身机器人、电机等自动化零件组合和集成控制，实现更智能的制造解决方案。
（二）服务机器人
无人车获科技龙头高度关注，仿人机器人研发再度迎来突破
科技龙头企业重点布局无人车。随着深度学习算法的兴起，人工智能技术取得了显著进步，目前已在无人车等领域得到了广泛的应用，以谷歌、英特尔为代表的全球科技龙头企业纷纷展开布局。例如，美国谷歌旗下自动驾驶公司Waymo计划在美国密歇根州建立世界上第一家专门生产自动驾驶汽车的工厂，将致力于大规模生产可在特定地理区域内和特定条件下进行完全自我控制的L4级自动驾驶汽车。英特尔自2017年收购以色列科技公司Mobileye以来，加快布局无人驾驶，2017年开展全天无人驾驶试验，2018年宣布联合大众汽车、冠军汽车集团致力于自动出租车服务商业化，2019年着手部署无人驾驶出租车，并计划2020年在耶路撒冷地区试运行。
企业加快仿人机器人设计研发步伐。当前，机器人正快速向人类的日常生活渗透，家庭、教育、陪护和医疗等行业应用的服务机器人越来越多。与此同时，随着技术不断创新，机器人模仿人类行为的能力逐步提高，人形机器人的设计也得到进一步推广。例如，在经历了液压驱动后空翻、倒地自行爬起、基于视觉和激光感知的物体识别和规避障碍能力的大幅提升，2019年波士顿动力的人形机器人Atlas又掌握了跑步上台阶、行走独木桥等能力，驱动系统和动态运动控制系统不断增强，行动能力越来越逼近人类。
（三）特种机器人
灾后救援机器人研制成热点，采矿机器人开始向深海空间拓展
企业聚焦灾后救援机器人研发。近年来全球多发的自然灾害、恐怖活动、武力冲突等对人们的生命财产安全构成了极大的威胁。为提高危机应对能力，减少不必要的伤亡以及争取最佳救援时间，各国相关机构及企业投入重金加大对救灾、仿生等特种机器人的研发支持力度，并形成系列成果。例如，波士顿动力的SpotMini机器狗在建筑工地环境下流畅地上下楼梯、绕过障碍物，并且能够使用机械臂上对摄像头对现场进行检查，环境适应性不断提高，未来可用于危险环境下的定位搜索任务。日本三菱重工推出可与消防员协同工作的消防机器人系统，适应石化厂、核电站等人类难以进入的火灾现场，提供多种方案的消防救援方案。
采矿活动向海底延伸催生深海采矿机器人。随着人类需求的不断上升和超强度开采，全球陆地矿产资源大量消耗，海底矿藏成为新的目标，联合国国际海底管理局（ISA）已批准20余份海底探索和采矿合同，涵盖数十万平方英里海域，深海采矿机器人成为海底勘探与矿藏挖掘的主力。例如，鹦鹉螺矿业公司委托英国企业Soil机器动力公司打造了世界上首批深海挖矿机器人，这些机器人在接近零度和超过150个大气压下操作，最小的机器人体重达200吨，配有摄像头以及3D声纳传感器。机器人三个一组，协同作业。由名为“辅助切割机”和“主切割机”的机器人打开通路，并由名为“收集机”的机器人通过内部的管道吸取海水、泥浆，递送到海面的船只中。
《崛起的超级智能》一书主要阐述当今天人类为人工智能的春天到来而兴奋，为人工智能是否超越人类而恐慌的时候，一个更为庞大、远超人类预期的智能形态正在崛起，种种迹象表明50年来，互联网正在从网状结构进化成为类脑模型，数十亿人类智慧与数百亿机器智能通过互联网大脑结构，正在形成自然界前所未有的超级智能形式。这个新的超级智能的崛起正在对人类的科技，产业、经济，军事，国家竞争产生重要而深远的影响。
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作者：刘锋
