物联网时代：机器人的智能感知技术

2013年，美国首先喊出了“万亿传感器革命”这一口号。

“万亿传感器革命”这一说法，最初出现在美国产学联合会议“万亿传感器峰会（TSensors Summit）”上。该会议由仙童半导体公司副总裁Janusz Bryzek、加州大学圣地亚哥分校工学院院长Albert P.Pisano等共同主持。支持并参加该会议的有来自ICT（信息通信技术）、半导体、电子零部件行业的多家著名企业和组织，及多所大学和研究机构。

会议提出了“万亿个传感器覆盖地球（Trillion Sensors Universe）”计划，计划推动在社会基础设施建设和公共服务中每年使用1万亿个传感器（图2-2）。

1万亿，这个数字相当于目前全球传感器市场需求的100倍。可以预见，在不久的将来，我们身边将到处布满传感器——物联网时代即将真正到来！

图2-2 万亿传感器的物联网时代

物联网是将现实世界与信息技术紧密结合的系统。

通过信息技术源源不断地获取从摄像头等各种传感器采集的现实世界的数据，物联网将直接或间接地对机器人在现实世界的活动产生影响。

信息技术与现实世界的融合，除了“物联网”之外，还有其他表述。例如，美国自然科学基金（NFS）早在2006年就召开了CPS（Cyber Physical Systems，信息物理系统）工作组会议，探讨CPS的可行性，并认为CPS是美国在未来世界保持竞争力的关键所在；IBM提出Smart Planet（智慧地球）愿景，致力于应用传感器推动信息技术与现实世界的融合；惠普也推出了CeNSE（the Central Nervous System for the Earth，地球中枢神经系统）这一同类型概念。

IT行业巨头们不约而同地推出“物联网”或类似概念，是因为物联网的发展既能够满足社会进步的需求，也是一项极有前景的业务。

其实，信息技术与物理世界的结合并非是最近才开始的。飞机与汽车之中实际上已经嵌入了复杂的信息技术。一辆高端汽车之中有可能含有100多项信息技术工艺。那么为什么如今在机器人领域重新提及“物联网”呢？

首先，比起数据量与处理量等方面的复杂度，社会系统中还要求许多跨领域的质的复杂度。例如，机器人必须感知环境数据，结合经验数据，实现智能决策，才能进行自律操作。

其次，物联网与现实世界紧密相融。对于机器人来说，现实世界无法实现完全的模式化，因此无法知道下一刻会发生什么。现实世界中的行为都是以人类和机器人的活动为起因的，不管是个体行动还是集体行动，一般来说都难以借助模式化进行预测。相对于传统信息技术，物联网技术能够帮助机器人灵活应对诸如此类的现实世界环境的动态变化。

重力传感器、语音传感器、图像传感器等遍布机器人身体各部位的传感器能够采集大量的数据监测信息。由于这些数据具有时间与空间属性，因此可以将机器人的现实活动反映于网络虚拟空间，进而将这些信息进行汇集，通过数据分析，便能够指导机器人的下一步行动（图2-3）。

图2-3 机器人上的传感器

图片出处：《机器人+：战略行动路线图》，王喜文。

利用物联网技术，将让机器人具备智能感官。从物联网技术的角度展望机器人的发展，将与传统机器人的发展概念完全不同。未来机器人的发展需要的是基于物联网的新技术、新设计、新解决方案。机器人和物联网传感器既要实现软硬件的兼容，又要实现各种接口数据格式的标准化，从而能够在工作环境中信息资源充分共享和集成的基础上，实现机器人的自律操作和智能行动。(www.xing528.com)

当然，机器人对传感器有着特殊的要求。

传感器作为机器人的智能感官，在计算测量方面发挥着重要作用，在未来机器人上应用的传感器与传统的物联网传感器也有着不同的要求。

①轻量化、小型化

由于受到机器人自身“身高”和“体重”的限制，嵌入机器人身体之内的传感器要求尽量轻量化、小型化。

②低耗电量

机器人并不是像台式计算机那样插着电源工作，而是需要依靠电池驱动的。所以，为了延长工作时间，低耗电量也是传感器必须考虑的条件之一。

③实时性

实时性主要是指从传感器获取信息，实时探测机器人的动作和环境的变化。一旦感知数据和控制对象发生变化，则需要及时作出相应的调整。

④结合执行器扩大感知能力

机器人都具备执行器。因此，通过执行器，积极调整传感器状态，才能扩大感知能力。

⑤抗环境干扰能力

人类的生活环境对于机器人来说是复杂的，不像工厂那样有着恒温、恒湿等固定环境。这就需要机器人能够适应不可预见的光线、噪声和温度变化等复杂环境因素，也要求传感器即便是在噪声环境中，也能不受干扰，正确执行工作。

我们知道，日本机器人的实力最开始是因其在工业领域的普及而受到全球认可的。目前，日本仍然保持工业机器人产量、安装数量世界第一的地位。2012年，日本机器人产值约为3400亿日元，占全球市场份额的50%，安装数量（存量）约30万台，占全球市场份额的23%。而且，日本企业在机器人主要零部件，包括机器人精密减速机、伺服电机、重力传感器等方面，占据90%以上的全球市场份额。

伴随德国“工业4.0”战略的影响不断升温，生产制造领域的工业机器人也需要不断朝智能化方向升级。为此，日本政府于2015年1月23日公布了《机器人新战略》。该战略重视欧美与中国的技术赶超，认为互联网企业向传统机器人产业的渗透，给机器人产业环境带来了剧变。这些变化，将促使机器人应用大数据实现自律化，使机器人之间实现网络化，物联网时代也将随之真正到来。

2015年5月，“日本机器人革命促进会”正式成立，标志着“机器人新战略”迈出了第一步。最初，“机器人新战略”主要有两大目的，即“扩大机器人应用领域”与“加快新一代机器人技术研发”。而近两年来，德国的工业4.0、美国的工业互联网等概念相继涌现，加速了以新一代信息技术为主线的制造业创新。日本政府也积极跟进，决定在“日本机器人革命促进会”下设“物联网升级制造模式工作组”。机器人与物联网技术的融合趋势日益明显。