智能机器人创新热点与趋势

本书系统介绍了智能机器人的创新热点与趋势，以机器人的产业数据、专利数据、科技论文等数据分析为基础，从工业机器人、服务机器人两个维度，就国内外智能机器人发展历史与现状、产业链的构成和核心技术、不同产业的应用情况和热点应用领域、机器人国际前沿和创新发展趋势等方面进行了详细的分析和介绍。
本书内容丰富，适合高等院校机器人专业的师生、机器人等有关人工智能与智能装备行业的研发人员与创新创业人员、机器人和人工智能领域的投融资人士进行参考。

陶永，?北京航空航天大学副研究员、博导，主要研究方向为智能机器人先进控制技术与集成应用、航空智能制造、嵌入式机电一体化控制、航空发展战略研究等。在期刊和国际会议上发表论文90余篇，其中SCI?收录30余篇，EI/ISTP收录30余篇，已授权国家发明专利15项。现为全国机器人标准化技术委员会委员、中国机械工程学会机器人分会专家委委员、中国电子学会嵌入式系统与机器人分会专家委委员、中国通信学会工业互联网委员会委员、《制造业自动化》青年编委会主任委员。

王田苗，?北京航空航天大学教授、博导，?北航机器人研究所名誉所长，北航校学术委员会副主任，中关村智友天使研究院院长，长江学者特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，IEEE R&A北京大区主席，曾任“十一五”国家863计划先进制造技术领域首席专家组组长、“十二五”服务机器人重点专项专家组组长。主要从事先进机器人理论与技术研究，包括仿生结构、医疗机器人、服务机器人等领域，曾荣获国家科技进步奖二等奖2项、原国家电子工业部科技进步奖一等奖1项、北京市科技进步奖一等奖1项。现为雅瑞资本、真格基金、普华资本首席科技顾问，歌尔股份有限公司、上海新时达电气股份有限公司等上市公司独立董事。

裴军，理学博士、副研究员，就职于北京国知专利预警咨询有限公司，从事专利分析咨询工作，先后承担机器人、新材料、集成电路等产业领域120余项咨询项目。参与《专利分析——方法、图表解读与情报挖掘》《专利分析——检索、可视化与报告撰写》《专利布局》《专利挖掘》等图书编写工作，在专利战略、专利预警、专利挖掘布局、专利导航、高价值专利培育、专利运营等方面有丰富的实践经验。

机器人技术集机械、信息、电子、材料、控制等多学科于一体，技术附加值高，产品应用范围广，已经成为重要的技术辐射平台，在促进经济发展、改善民生、增强国防实力、提高突发事件应急应对水平等方面都具有重要意义。随着机器人的智能化水平快速发展，智能机器人技术已成为竞争最为激烈的战略性新兴产业领域之一，在自动化无人工厂、物流分拣与无人配送、助老助残、医疗康复、教育娱乐、危险作业等方面具有巨大的应用潜力。大力发展智能机器人是我国高科技产业发展的重大机遇，对于提升我国的核心竞争力具有重要战略意义。
智能机器人技术具有综合性强、渗透性强等特点，美国、日本、韩国以及欧洲等国家和地区都非常重视机器人技术与产业的发展，将机器人产业作为战略产业，制定机器人国家发展战略规划。
美国是最早开展机器人研究的国家，也是目前各种新概念机器人研究最活跃的国家。美国于2016年10月发布了《机器人技术路线图：从互联网到机器人》（2016版），对机器人技术的广泛应用场景进行了预测，其中涉及制造业、消费性服务业、医疗保健、无人驾驶及其防护等领域。2017年初，美国发布了《国家机器人计划2.0》，聚焦多机器人组成的团队如何
有效交互和协作、机器人如何更有效地进行自主学习和工作等机器人智能化的关键技术问题。
欧盟在2014年启动了民用机器人研发计划——SPARC，截至2020年投入28亿欧元，瞄准制造业、农业、健康、交通、安全、家庭等民用领域，创造了20余万个就业岗位，创立了200多家公司，有1.2万人参与相关的研发。欧盟还于2014年启动了民用机器人研发项目“地平线2020计划”，总预算超700亿欧元，引进先进的创新解决方案，推进工业机器人关键技术的开发。此外，德国提出的“工业4.0”将智能机器人和智能制造技术作为迎接新的工业革命的切入点。
日本和韩国也将机器人产业发展纳入了国家战略。2015年初，日本公布了《机器人新战略》，提出了“世界机器人创新基地”“世界第一的机器人应用国家”“迈向世界领先的机器人新时代”三个建设机器人强国的核心目标。韩国在2012年发布了《机器人未来战略2022》，在2013年制定了《第二次智能机器人行动计划（2014—2018年）》，提出了未来占据全球机器人20%市场份额的发展目标，迈入“世界三大机器人强国行列”。
我国在“863计划”、国家自然科学基金、国家重点研发计划等科研项目与计划的支持下，也持续开展了智能机器人关键技术攻关，加快了智能机器人样机研发和产业应用。近年来，我国机器人技术和产业取得了高速发展。
国际标准化组织（ISO）对机器人的定义为：机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。机器人按照用途可分为工业机器人和服务机器人，工业机器人在工业生产中主要用于制造业相关领域，如进行焊接、喷漆、装配、搬运、机械加工等作业。服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能够完成有益于人类的服务工作，但不包括从事生产的设备（国际机器人联合会定义）。
根据国际机器人联合会（IFR）的统计数据，2018年中国机器人市场规模约为90亿美元，其中工业机器人占70%，服务机器人占30%，并且保持了高达 35%的年均增长率。受全球经济下滑和贸易紧张的局势影响，2019年全球工业机器人的年装机量下降了11%，而服务机器人的销量依然保持迅猛增加的态势，年增长率在30%左右。据预测，到2023年全球机器人的
市场规模有可能达到664亿美元，其中工业机器人的市场规模有望达到335亿美元，服务机器人的市场规模有望达到260亿美元，特殊环境服役机器人（特种机器人）的市场规模有望达到 69亿美元。未来四五年内，工业机器人和服务机器人的市场规模有望再翻一番。从机器人产业创新来看，机器人的核心关键技术仍在研发和攻克之中。其中，机器人产业的共性关键技术包含机器人产品创意与性能优化设计，机器人模块化/标准化体系结构设计，机器人标准化、高性能、低成本的执行机构，机器人传感器、驱动器、控制器等核心零部件，高功率密度能源动力，信息识别与人性化的人机交互，人机共存安全，机器人系统集成与应用，性能测试规范与维护技术等。智能机器人前沿创新技术的方向包含仿生材料与结构一体化设计，机器人精密微/纳操作，机器人多自由度灵巧操作，机器人执行机构与驱动器一体化设计，非结构环境下的机器人动
力学与智能控制，生机电激励与控制，机器人仿生技术，软体机器人技术，非结构化环境的机器人认知与导航规划，机器人故障自诊断与自修复，机器人自主行为技术，人类情感与运动感知理解，人类语义识别与提取，记忆和智能推理技术，人机交互与协作技术，多机器人协同作业技术等。
随着人工智能、大数据、智能传感器等技术的发展，智能机器人技术正在朝着智能化、数字化、柔性化、标准化、网络化的方向突飞猛进。由简单的机电一体化装备，向生机电一体化和多传感器智能化等方面发展；由单一作业，向服务机器人与信息网络相结合的虚拟交互、远程操作和网络服务等方面发展；由研制单一复杂系统，向将其核心技术、核心模块嵌入高端
制造等装备的方面发展。机器人应用领域向助老助残、家用服务、特种服务等方面扩展，在学科上与生机电理论与技术、纳米制造、生物制造等学科进行交叉创新，科学问题包含新材料、新感知、新控制和新认知等。智能机器人的产业链长、带动性和辐射性强，在全球范围还处于分散发展阶段。加强智能机器人核心技术与产品的攻关，对国家重大需求与安全具有重要意义；加强机器人前沿技术、核心零部件与相关标准的研发，对于国家民生科技与战略性新兴产业的发展具有重要推动作用；加强感知、决策与执行等方面的探索，对于传统产业升级换代具有重要促进作用。我国紧密围绕国民经济转型升级、人民日益增长的美好生活需求以及国家战略重大需求，构建智能机器人产业体系，努力将我国打造成世界领 先的智能机器人研制和应用聚集地。在继续夯实现有机器人产业基础的同 时，加强前瞻布局，加快机器人核心关键技术的突破，在创新能力提升、标准检测认证体系建设、人才培养等方面采取相应措施，确保我国智能机器人产业的快速发展。
本书介绍了近年来智能机器人的创新热点与趋势。以机器人的产业数据、专利数据、科技论文等数据分析为基础，梳理分析了国内外智能机器人的发展历程、机器人产业链的构成、热点应用领域、前沿创新发展趋势等。
本书适合高等院校自动化控制、机械工程、机器人、嵌入式系统、人工智能、无人系统等相关专业的师生，人工智能与智能装备行业的研发与创新创业者，机器人和人工智能领域的投融资人士等阅读和参考。本书共分为7章。第1章介绍了机器人的内涵、定义与分类，分别就 国内外机器人技术的发展历程、机器人产业链的基本构成进行了简述；第2章介绍了全球智能机器人产业发展现状，剖析了全球机器人产业规模、市场结构和产业特点，介绍了美国、欧洲、日本、韩国等国家和地区机器人市场的发展情况；第3章介绍了我国智能机器人产业发展现状，对我国机器人产业的发展趋势和预测进行分析，介绍了我国当前主要机器人产业发展集聚区的优势和特点；第4章介绍了智能机器人产业链的组成、机器人关键零部件的现状及关键技术，并对机器人主机和机器人系统集成的现状和核心技术进行了阐述；第5章介绍了工业机器人和服务机器人产业的热点应用领域，包括工业机器人在汽车制造、3C电子、搬运码垛、机械加工、喷涂、焊接等领域的应用情况，服务机器人在家用服务、医疗手术、教育娱乐、助老助残等领域的应用情况；第6章介绍了智能机器人产业应用的热点领域，阐述了新一代人机协作机器人、轻型工业机器人、医疗机器人、电商物流机器人、无人送货机器人、送餐机器人、云端机器人等新兴机器人的热点应用；第7章放眼智能机器人的未来，梳理了机器人技术创新趋势，围绕工业互联网、AI、5G与机器人的交叉融合，工业视觉、智能传感器与机器人配套等方面进行了介绍。书末附有目前国内外机器人技术领先的部分研究院所与机器人知名公司的列表，供读者参考和借鉴。

前 言3
第1章 智能机器人的内涵及发展历程1
1.1 机器人定义和内涵1
1.2 机器人的分类2
1.3 机器人发展历史4
1.4 机器人产业链构成12
1.5 本章小结15
第2章 全球智能机器人产业发展现状16
2.1 全球机器人产业发展总体情况16
2.2 美国机器人产业发展情况24
2.3 欧洲/德国机器人产业发展情况26
2.4 亚洲机器人产业发展情况29
2.5 本章小结34
第3章 我国智能机器人产业发展现状及趋势35
3.1 我国机器人产业发展总体情况35
3.2 我国工业机器人产业发展情况40
3.3 我国服务机器人产业发展情况48
3.4 我国机器人产业集群分布53
3.5 本章小结56
第4章 智能机器人产业链的核心技术与趋势57
4.1 智能机器人核心部件59
4.2 智能机器人主机68
4.3 智能机器人系统集成74
4.4 本章小结80
第5章 智能机器人产业应用领域发展81
5.1 智能工业机器人应用领域81
5.1.1 汽车制造领域81
5.1.2 3C电子制造领域83
5.1.3 搬运码垛物流行业84
5.1.4 机械加工行业86
5.1.5 喷涂领域87
5.1.6 焊接领域88
5.2 服务机器人应用领域89
5.2.1 家用服务机器人89
5.2.2 医疗机器人93
5.2.3 教育娱乐机器人96
5.2.4 助老助残机器人101
5.2.5 无人驾驶汽车105
5.2.6 特殊服役环境机器人108
5.3 本章小结117
第6章 智能机器人产业应用热点领域118
6.1 新一代人机协作机器人120
6.1.1 协作机器人概况120
6.1.2 新一代人机协作机器人发展124
6.1.3 核心技术127
6.2 轻型工业机器人127
6.2.1 轻型工业机器人概况127
6.2.2 核心技术130
6.3 医疗机器人131
6.3.1 医疗机器人概况131
6.3.2 核心技术134
6.4 AGV/立体仓库等电商物流机器人135
6.4.1 电商物流机器人概况135
6.4.2 核心技术139
6.5 无人送货机器人和送餐机器人141
6.5.1 发展概况141
6.5.2 未来发展方向145
6.6 云端机器人146
6.6.1 发展概况146
6.6.2 核心技术147
6.7 本章小结149
第7章 智能机器人未来创新预测150
7.1 前沿科技150
7.1.1 Science Robotics十大科学问题、2019年度十大机器人150
7.1.2 脑机接口机器人发展前沿155
7.1.3 仿生机器人发展前沿158
7.1.4 软体机器人发展前沿161
7.2 智能机器人关键核心技术创新趋势163
7.2.1 智能机器人机构设计164
7.2.2 智能机器人核心零部件164
7.2.3 智能机器人感知与决策技术165
7.2.4 智能机器人灵巧作业技术165
7.2.5 智能机器人的人机共融与集群技术166
7.2.6 机器人通信与软件系统166
7.2.7 智能机器人系统集成技术167
7.3 5G与机器人的融合发展167
7.4 工业视觉与机器人的融合发展169
7.5 智能传感器与机器人的融合发展176
7.5.1 激光传感器与机器人的融合与发展前沿176
7.5.2 力觉传感器与机器人的融合与发展前沿179
7.5.3 语音采集传感器、语音交互与机器人的融合与发展前沿182
7.5.4 柔性电子皮肤与机器人的融合与发展前沿184
7.6 本章小结186
结束语187
附录 机器人技术的领先院所与公司188
参考文献199