日本2014机器人发展白皮书介绍(下)
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  5.野外机器人当前的研究和挑战

  5.1摘要

  野外机器人这个词的狭义解释是,被定义为室外工作的机器人。在这个词的更广泛的意义上说,它们是定义为在室内或室外进行远程操作的机器。由于汽车是由汽车行业处理的,写在本白皮书里的野外机器人技术的新视角范围内的东西都被包括在野外机器人领域的范畴。

  即使相比工业机器人,野外机器人已经有了显著悠久的历史。不过,尽管有很高的期望,在全面市场的投资在未来的日子才会开始。当考虑到野外机器人技术的未来,你不应该只是想象市场仅仅只有机器人。重要的是你想象市场的研究新的答案,让社会可以解决对机器人技术有需求的公司的各种问题,保证舒适性和安全性,下降的出生率和人口老龄化,环境保护等是野外机器人和机器人系统发展的大背景。

  综合上述的意见,本章的重点是财务改善,避免危险和创造一个新的有关野外机器人的社会,并考虑多少领域可以得到发展。

  1)目前的发展现状和市场

  A)建筑及公共工程的领域

  在关于机器人的使用在建筑和公共工程领域,在最初的发展阶段,1990年以前,以通过改善工作环境,确保操作人员的安全是关注的焦点。但是,由于泡沫经济的崩溃,这一目标改为追求经济效益。其结果是,许多具体工作的工业和建筑机器人在大学的研究开发项目得到发展,如混凝土地板的机器人开发,但这些都没有得到广泛实施以代替人的劳作。自动建筑系统,为工厂准备建筑结构是可以实现的,但也有成本方面的限制,使他们基本用不起来。然而,近年来,自动化系统类似于建筑物解构工作正在被使用。在未来的岁月里,所有使用老知识的机器人系统将在人口日趋老龄化的进程中实现。

  B)社会基础设施维护机器人

  社会基础设施的维护机器人已经开发,主要用于结构检查的自动化需求(如桥梁、隧道、公共设施等)。然而,市场仍然需要更多的成长,才可以称得上是适当的市场。主要的原因是机器人化的这一概念还没有被考虑到所有的目标结构,检验方法严重依赖于人和其他机器人,执行故障已经基本无效。基础设施维护工作发展机器人化,同时促进与人共处。然而,关于使用国有土地的概念加强社会基础设施,机器人化将极大地采取从建设阶段考虑机器人化建设的发展。

  C)工厂维护的领域

  化工厂是典型的油料工厂,老化的快,保养以延长其寿命是必不可少的。然而,因为这个领域的可访问性差,这是比社会基础设施维护差的地方,检查的难度大,以至于机器人化一直没有太大进展。然而,随着一批经验丰富的维修人员的减少,同时机器人的开发和操作方法的提高,且机器人具有经济效率,易用性和检测效率高的优点,于是专注于保养和维修机器人的实现会逐渐有进展的。

  D)农业领域

  农业劳动者的老龄化是一个严重的问题。这样一来,如西红柿或草莓采集机器人和土壤消毒机器人等,减少农业就业岗位的工作量的机器人的开发正在进行。在海外的大型养殖场,农业设备的机器人化正稳步推进。然而,在日本,由于狭窄农田,丘陵和山区地形的复杂,操作率的降低和成本的增加都成为实施机器人的阻碍。因此,如何解决这些障碍是要实施农业机器人的关键。另一方面,已经有人口老龄化的限制。提升当前农业设备和通过产业遵守的新农业系统的合作,来实现机器人化是不可避免的情况。通过了解农业领域的机器人,其中包括木材工业,作为一个较大的食品安全和国家的节约用地制度的一部分,而不是仅仅为追求经济效益,实现机器人的重要性将变得更大。

  E)救灾机器人

  大地震在东日本发生后,对于救灾的兴趣急剧增加,并对救灾机器人的兴趣也有所增加。然而,就像福岛第一核电站的应对机器人,在日本对于救灾机器人没有正规的市场,比较各西方国家的军事机器人,市场力量有较大的差异。然而,我们不能忽视人力和经济成本。在日本这个灾难的群岛,如果我们能培养一个国家和社会保护的政治市场,从挽救生命并确保参与其中的人的安全的角度看,救灾机器人的实施和应用将会有所发展。

  F)核电领域

  为了处理放射性材料,并且为了解决持续在高辐射环境中作业,需要使用机器人技术和使用远程操作来帮助防止和减少工人的暴露。在核电站和核燃料加工厂以及各种工厂,远程操作机械的发展和加入就是用来响应那些需求。

  东京电力公司福岛第一核电站事故的发生是因为发生在2011年3月11日的大地震和海啸。在中期,进行长期的措施应对这起事故和关闭核反应堆,这个时候极其多样且重要的机器人和远程操作机器的需求产生了。事故以后,围绕在核反应堆建筑的辐射量是非常高的,这是因为许多污染物质射出的。使用操作远程的机器,机器人在各种情况下都是很需要的。针对这些不同的需求,到目前为止已经有许多机器人技术被引入。在未来的日子里,我们需要进一步开发和引进机器人技术,专注于关闭反应堆。

  G)其他机器人领域

  虽然他们似乎很难做成一个大的市场,甚至在不久的将来也很难:

  1、空间上的应用;

  2、深海里的应用

  3、军事上的应用

  表现为使用非常复杂的技术和特殊环境下的机器人,而却是实现梦想的机器人。但是,使用军用机器人是一个特殊的例外。在基本功能方面,即使有共同的因素,它可能需要定位为不同的类别,归入其他领域的机器人分类。

  2)相关技术

  有很多野外机器人,能移动也能工作,并需要所有普通机器人的基本技术。下面列出的所有事项都是野外机器人在户外环境下工作需要的非常重要的技术。

  自适应自然环境:适应不确定性,时事和人不能控制的环境因素(即对环境变化的典型的对策,例如白天和黑夜,阴雨天气,风和雨,极端温度等)的能力。

  不平坦的地形反应:主要的差别于道路上行驶的汽车,需要适应模式化困难和不平坦地形的能力

  支持环境的安装:如果我们准备一个在机器人适应领域的机器人基础设施,它的应用将推动实际使用。

  A)建筑及公共工程的领域

  让现有的人工操作的设备无人值守,促进了野外机器人技术的是采用高精度GPSS。他们在大型矿山等有一个很好的未来发展,GPS无线电波几乎全面掩盖。通过允许一定程度的运行误差,保证道路宽度,及管理控制挖掘工作环境内的工作者的安全,它能够提供高度可靠的导航。

  在日本无人驾驶机构是所使用的优良的遥控操作式施工机械人系统。这个系统是远程操作和自动操作的组合。它实现了取石等工作,从离一个安全地方好几公里来远程使用无人驾驶工程机械,视频图像和GPS保护工人免受未预料到的来自Unzen-Fugen山爆发产生的火山碎屑。它还在Usu火山喷发的对策,暴雨造成滑坡的对策,福岛第一核电厂事故应急响应和处置垃圾等方面发挥了作用。

  建设工作需要在各种工作环境下操作。作为结果,通过将处理整个施工工作作为一个系统,其结果将是非常庞大的,甚至比机器人的各个动作更大。利用信息和通信技术的计算机结构系统技术正是为了这个目的(国土资源部,基础设施,交通运输及旅游)。

  B)社会基础设施维护机器人

  访问困难的地方是社会基础设施维护机器人的特性。有很多需要吸附的挑战,如混凝土壁面运动,磁钢结构运动,电气线路的运动,竖梯运动,运动排水管等。但因为这些方式都是独特的,所以它们不适合于通用的用途。我们需要不同的想法来发展这些用途。同样重要的是,我们需要保持积极性和沟通。许多方法被提出用于电线中的固定线路的处理,这是通常情况下的处理。

  C)工厂维护的领域

  维护管道和建筑结构的技术是设备维护的特点。有很多比如弯曲管和旁通阀的例子,正在开发响应于一些特殊的机械,磁力机械等,以及一些像使用罐壁表面检查设备的例子。提出一些创造性的提案,比如电缆与操作有干扰的处理方法。但是,这些有优点也有缺点。当用于封闭管道中的机器人出现故障时,我们没有一般的解决方案,当实际应用受到限制时我们也就没办法了。

  我们在工厂和基础设施的维护上首先需要做的事情是确定它们的整体。因此,我们需要做一个机器人系统,同时采用了最优化的检查方法和适当的信号处理方法相结合,并具有超声波,涡流,摇动和视觉检测等技术,后两个形式组成了机器人技术,便进行维护。

  D)农业领域

  农业在日本的机器人化需要对狭窄的农业区和多样化的土地等情况做出对策。为了应对这一点,结合过去的农业机械和履带式移动设备,对机器人的轮子提出建议。实现高精度GPSS也越来越受欢迎,具有高度精确运动的收割机器人也正在研制。但是,我们需要一些不具备技术发展的个体响应的机器人在未来几年的新计划。

  E)救灾机器人

  我们在救灾上需要的技术是,可以将每种类型的传感器使用到现场,进行绘图等,并使用这些东西,以一种易于理解的方式将信息告知人们。我们接下来需要做的事情是救灾和恢复工作能力。救灾机器人被要求在不可预知的环境中工作的情况非常多。重要的是,它们具有有效地利用人的判断的机制。同样重要的是,我们能熟练地操作机器人和了解机器人的功能,培养和教育可以处理现场环境的操作者。不平坦地形的行驶技术也是救灾机器人需要的一个很特别的技术。目前强化不平坦地形的适应能力,和人形机器人在救灾环境的适应能力的研究正在不断进行着。

  F)核电领域

  在关于处理热室中的放射性物质方面,主、从机器手已长期以来一直在使用。另一方面,在实际工厂也有许多专门的机器用来观察,检查和维护核电厂(如在水下检查机器人)。在福岛核事故的应急响应和关闭反应堆的措施中,大量机器人和遥控操作机等正在研制出来,并用于检查,清除碎物,净化环境等工作。甚至机器人科技,便非全指的是用于各种类似关闭反应堆的操作的所谓机器人。

  5.2未来将面临的挑战与建议

  现在我们将讨论一些建议,包括定义的机器人化,和三个全新观点。每个点将进行详细地讨论。

  1)将提高经济效率的野外机器人

  只有市场可以决定对于提高经济效率的评估。我们不能提出一个具体的计划来降低成本,但考虑到升级工程机械将促进工程建设领域的机器人时,那么解决的办法就是高品质的工程机械施工的机器人。这就是说,如果我们能够实现双模式的施工机械,我们将不需要特殊规格的施工机械硬件了。操作的速度会增加,我们将能够使用他们作为在紧急情况下的救灾机器人。实现机器人可以双模式工作是一个挑战,但并没有什么技术是我们不能够解决的。因此,可以说,机器人的发展和双模技术的发展进步是广泛使用建筑机器人的快捷方式。同时从提高农业机械的角度来看,这个双模式技术可以促进农业和林业机器人的发展。

  2)规避风险的野外机器人

  假设救灾机器人是规避风险的野外机器人的代表,我们需要为救灾组织定制相应的国家政策,以使它们的使用更普遍。然而,因为有人指出机器人技术的经验是很缺乏的,与此同时,我们必须不断地计划,发展机器人技术来普及机器人的使用。鉴于当前的发展,很重要的是我们需要采取行动,以长远的角度来实现机器人的组织发展。即使我们只追求眼前的直接应用,只要没有可行性,我们要充分利用研究开发结束的危险中学到的教训。

  此外,对于在福岛第一核电站关闭核反应堆,我们的任务也就仅仅是关闭核反应堆。即使这些机器人归入了规避风险机器人的范畴,但它们都必须有独特的应用。然而,可能他们和救灾机器人将有相似之处,从长远的角度来看,至关重要的是我们能开发让它们合作的技术。

  3)社会创造的野外机器人

  称这是社会创造可能是有点夸张,但日本的出生率下降和人口老龄化是一个大问题,这是以前从未见过的。如果我们要解决这个问题,那么我们唯一的选择是创建一个新的社会结构。随着人口(特别是劳动者)的急剧下降,如果我们要保持一个充满活力的社会,那么肯定的是得到机器人支持是我们唯一的选择。

  野外机器人将在协助解决人口不足和预计会发生的集中问题上发挥重要的作用,特别是在解决和协助在密集社会下的挑战。人口没有积累的地区,或叫有限的社区,是一成不变的人口稀少的地区。村庄机器人化的概念将是解决这一问题的关键,而且野外机器人将是它的巨大基础。可能这将导致数以百计学校参与的思想争论,而为了不摆脱那些村庄去解决这个问题,那么有野外机器人,其中包括无人驾驶汽车,是非常重要的。即使我们摆脱村庄,考虑到社区有限的问题是不可避免的,那么野外机器人将变得越来越重要。野外机器人的新观点的一个具体例子已经出现在正文7.2.5,所以我们在这里就不提了,但许多有识之士已经认识到,社区有限是一个大问题,这将吞噬每一个市区。例如,野外机器人作为农业系统的成功将为日本的未来展现巨大的潜力。

  6机器人走进社会

  6.1摘要

  这一章不是一个从目前的技术进行预测的讨论,不同于所有之前的章节。它描绘了在未来我们应该会有的愿景,并确定这一愿景所需技术的步骤。它反映了一个事实,即现有RT组件的组合不会导致社会难题的解决。

  1)服务驱动的机器人设计的必要性

  对于小的社会挑战,我们应该考虑为人们服务。人们相信,考虑这些服务的类型和技术,及它需要的东西很可能导致新的机器人产业化。我们需要服务驱动的机器人设计。

  2)我们该有的社会视角

  从全球来看,以发达国家为中心,65岁以上年龄的人口比率一直在增加。在2050年,据预测,全球65岁以上年龄的人口比率将达到16.2%,而在发达地区为26.2%。即便如此,日本的老龄化速度的增长是在一个完全不同的水平,日本将是首个体验到老龄化的国家。世界从未经历过一个老龄化的社会,但现在就在我们面前,它似乎是不可避免的。

  即使是在全日本的地区,老龄化的社会浪潮正倾泻而下。尤其是在人烟稀少的地区,因为年轻人转移到城市上大学和寻求就业机会,而没有回来,相对目前的人口在统计上增加了老龄化速度,其不仅仅只是增加了工人的数目。出生率的下降引起青少年数量的下降,也进一步加强了老龄化速度的上升。

  在另一点要注意的人口变化是人口集中在城市地区。

  一组AIST的项目对在一个老龄化社会下我们应该有的东西作出了以下假设。

  当不同年龄、不同性别的,拥有各种经验的人群开始持续地互相信任,彼此形成一个连接,这将是一个每个人可以感到安心的社会。

  然而,为了提供基于以上假设的一个理想的生活方式,我们可能需要城市的发展,扩大我们有的东西,如社会保障体系,同时也能在危机时期尽可能地照顾我们,我们能居住在附近而不是在一起,且使一种人与人之间保持联系的社会制度成为可能。

  3)使我们应该有的东西成为现实的进程(臆想的系统设计和维护)

  现在我们将讨论的是使上面文章提到的我们需要的东西成为现实的可能性,并指出相应的进程。在正常情况下,国家和地方政府的20到30年的城市发展,需要考虑到老龄化社会,以及来自于它的臆想的政策。解决庞大的社会挑战意味着要处理极其复杂和庞大的问题。虽然寻找传统常见的解决方案是不可能的,我们需要应用在特定区域相同的限制和探求特别的解决方案。

  4)进程中的国际竞争力(国际标准、推广和安全技术、认证系统)

  这就表明需要处理很多东西,如法律系统、国际标准、在生活中实际使用机器人的计划,及应对机器人安全的安全检测中心,等例子都是面对社会实现时的问题。

  6.2未来面临的挑战与建议

  我们认为,不像现有的层叠机器人的开发步骤那样揭示我们的是需要的最终形式的东西,而是决定那些有助于机器人社会实现的各个组件(与设计和开发现有的机器人的步骤有很大的不同)。

  如果机器人发展到现在为止,没有从旨在结合各个组件进行社会的检定的技术的形式转变到旨在通过去除不需要的组件进行社会的实现的技术的形式,那么我们将对社会没有任何作为。

  特别是在这一章中,从城市发展的单项技术移除的多个例子都一目了然。这是因为,由于系统工程师(显著地与RT组合,很像机器人的研究人员),涉及到城市发展,能够在机器人和RT组件(这是解决社会问题的一部分)变得复杂时将复杂问题组织起来,被认为是机器人社会实现的新进程。

  如今,随着从对象开始转向成本,许多企业开始从制造产品转变到制造最近出现的服务(IBM等)。即使在制造产品的方面也出现了特别,制作通过高端设计来获利的服务系统,比如iPhone和iTunes。以及制作低端设计,经常在任何时间点进行及时降价,而不考虑相应的利润率有多低。

  说日本还没有一个高端设计和服务设计是不准确的。日本有手艺这个高端设计和工作这个低端设计,它们共同构成了工艺,但我们可能已经忘记了过程中某处的手艺。

  当做高端设计时,在未来可能需要日本的工艺作用的工业建筑。

  日本专家寄语:形成一个拥有机器人技术的智能社会

  考虑到机器人技术在日本的作用

  近年来,一些声音担心日本的产业竞争力的衰落,依赖于技术和制造,和辩论失去的20年,这些都不是罕见的东西了。在出生率不断下降和人口老龄化,制造业的海外转移等严峻的形势下,日本作为一个以技术和人才为资源的大国,需要与世界各地的国家创建良好的合作伙伴关系,来保持经济的增长。为了实现这一点,日本需要相比于新兴国家(为了赶上发达国家的),保持领先的先进技术(产品制造),而与发达国家在技术竞争时具有发展优势。同样重要的是,日本通过向发达国家和新兴国家提供具有高附加值的服务(服务制造),来保持和加强全球业务环境中的产业竞争力。即使在各类政府的白皮书和报告中,同样的论断也脱颖而出。

  尤其是在服务机器人的领域,在未来增强产业竞争力和提供国民财富的期望也在不断增加,曾经有一段时间,每个人用迎宾和播放音乐这样的表演,来欢迎科技的进步。目前,机器人技术是我们的实际生活场景的一部分,就好像它已经无缝地融入了我们每天的日常生活和社会制度中,从实现梦想中性能的设备到机器人技术(RT),密切关系到生活和社会,如侦测障碍物并进行自我控制操作,以及整体高效的运输和分配系统,使用大数据和各类传感器为个人优化健康信息管理,在护理、电器、安防系统,已经安装了在智能家居和城市中能提够观察功能的信息终端。机器人技术的使用一直在蔓延,而我们甚至没有注意到它的基本组件技术,比如结合安全,安心,舒适,便利和愉悦成分的解决方案服务。

  我们称这个为服务机器人解决业务产业化。日本的服务机器人最终目的就是这一点,比如大规模的研究开发的国家项目各种政策正每一天都有在被处理。在另一方面,很多区域和地区都没有受到刺激,和过度集中有利于大城市繁荣的发展,这被认为是日本找回失去的20年的限制。为了让每个区域结合,并借助他们自己鲜明的特点(人力资源,地方产业,特色产品,旅游景点等)和机器人技术(RT)和信息技术(IT),如网罗在该地区的各种人员的手工技能,使公民的生活安全,安心,舒适,便利和愉悦,他们已经开始利用机器人实现该地区的医疗和护理照顾,并以自己的方式扩展到世界其他地方,还利用互联网。正在努力利用这些数据为再制造作反馈,培养一个现实的区域经济和社会系统,该系统包含以当地情况为基础的机器人技术。此外,近年来,努力结合不同领域的合作,包括政府、企业和高校的合作,使主要的部门产业形成六部门产业化,利用人力资源的互动和教育来创造新的技术和服务,发展新的要求,带来具有鲜明特色得以实现的区域创新和经济发展,这一切都在不断地开始进展着。

  在过去,真的有一段时间我们试图去采用机器人技术,甚至是为了人类能够将东西做得更充分(你会希望通过机器人精确的性能来听古典音乐,还是通过专业人员的富有表现力的表现呢?)。然而,在未来的岁月里,我们相信我们将过渡到一个实现机器人技术广泛使用的阶段。因为将形成一个智能机器人技术在我们生活环境周围的的社会,和一个没有不安感的社会制度。

  应用机器人技术日本可以变得更强大

  工业机器人一直支持日本的经济高增长和高品质的产品制造。然而,近年来,在发展中国家开发和使用工业机器人已经有很多积极进展。工业机器人历来为实现高品质的制造提供了工业设备和工业系统。然而,为了将生产和消费转到如亚洲的那样的新兴国家,我们需要构建工业系统,并不是已有的系统的扩展(例如能够处理那些我们到现在为止都很难处理的软组织,有显著更高的运转速度和生产效率,能够响应甚至是季节性的,数量可变的和类型多样的产品,拥有可以灵活地应用到安装地点的便携式系统,能够安全地操作并与人和平共处,等等)。我们需要建立的东西包括系统工程,作为一个更具全球化的产品和分配系统,具有高附加值和转换高品质的产品制造服务,这一直是日本的供应全球化的基础。

  对于参加灾难情况下的机器人(救灾机器人、特种环境机器人、野外机器人等等),由于维护和管理的限制,它们便不是是第一个加入到之前的核电厂事故现场的,但日本的机器人确实令人钦佩,能完成即使是军事技术和技术老练的西方机器人也无法完成的任务。日本目前有很多基础设施的风险,比如省会城市的内陆地震风险和南海海槽地震风险等。如果我们了解太平洋侧的生产设施的分布密度的话,我们就会知道当太平洋海槽地震发生时载人的操作是根本无效的。显然,全日本作为一个整体,需要使用机器人进行快速应急的响应和恢复重建的操作。此外,如果我们将注意力放在每年发生在世界各地的,由于自然灾害、意外事故和恐怖主义等造成的大规模CBRNE灾害(灾难包括化学制剂,生物制剂,放射性物质及爆炸物品),那么可能日本的具有丰富经验的机器人技术,将在未来参到全球范围内来减少和防止灾害。作为一个能促进国内外制造业的业务的可能性也在不断扩大。

  使得机器人技术成为加强日本产业竞争力和国家财富的动力

  比如使用便携式信息、音乐设备和家庭游戏系统都是很常见的。然而,即使我们简单地以硬件制定一台机器,如果我们不组织那些有吸引力、有使用环境、有基础设施等(这些升级将需要一个策略)的软件和操作系统,我们将不能预测到它们是否会广泛使用,得到实现和进行产业化发展。由研究人员开发,且十分满意的机器人技术进行传播也有很多限制。如果我们不发展那些响应用户实际情况和需求的机器人技术,那么市场将不被接受。

  我们曾尝试写作和编辑《工业、商业和日常生活的机器人化的白皮书》,目的是想通过有机地连接多年累积的机器人技术在各科研相关的宝贵资源(如成绩,实际知识,经验,人脉等),在继续积累时保证持续性和连贯性,并呼吁那些不熟悉机器人技术的人群加强问题意识,以及考虑包括机器人的学者,制造商,用户,系统工程师等在内的未来设想,这一系列方式来实现机器人技术有效的应用和广泛使用(国内和国际),以及机器人产业的振兴和发展。

  在机器人技术和产业化环境上有许多的挑战。我们需要一些创新,为了培养卓越的机器人技术,或者可以称为是能获得产业竞争力和国家财富的关键产业的新一代需要的日本知识。本书能给读者提供兴趣和对机器人产业化必要性的理解,我们希望《工业、商业和日常生活的机器人化的白皮书》可以帮助他们为机器人产业发展做出贡献。

  最后,《2014年关于工业、商业和日常生活的机器人化的白皮书》已经写出来了,是通过与著名专家的合作编辑,都是积极参与在机器人技术领域第一线的专家。尽管本书的题材非常广泛,但这就是大家认可的,且是编写本书的目的。写了组成的基本结构和《2012年关于工业、商业和日常生活的机器人化的白皮书》的要领,并撰写和编辑根据这些要点(2013年)的具体草案。本书的编辑委员会(主席TomomasaSato,东京大学特聘教授)会一直负责问题的讨论,和贯穿每章的基本理念相关的机器人技术的发展情况,这些理念都是读者在观看本书整体结构时展现给读者的。本书中共建立了6大部分内容,讨论了各种问题。就因为有这些专家的努力,才有了本书,这么说一点也不夸张。我们也想感谢瑞穗信息和研究院,他们负责数据采集,感谢委员会总部,感谢在经济、贸易和工业部的工业机械部门,他们从许多不同的角度给了我们许多建议和支持。

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