知能ロボット技術の応用と開発動向

王耀南院士が2020年国家ロボット開発フォーラムで報告

著者プロフィール:王耀南、中国工程院院士、湖南大学教授。 1981年に華東理工大学電子計算機学科を卒業、1989年から1995年まで湖南大学産業オートメーション学科で修士号と博士号を取得、1995年から1997年まで国防科学技術大学自動制御学科で博士研究員として研究に従事、1998年から2001年までドイツ・ブレーメン大学オートメーション学科のフンボルト奨学生、2002年から2004年までドイツ・ブレーメン大学BIBA研究所に勤務。EU第5次国際協力枠組みの主要プロジェクトの主任科学者を務めた。 2001年から2020年まで湖南大学電気情報工学学院の学長を務め、2014年から2020年までロボット視覚認識制御技術国家工学実験室の所長を務め、2015年から2020年まで湖南大学ロボット工学学院の学長を務めました。

彼は国家「百万人人材計画」の候補者であり、中国オートメーション学会フェロー、中国コンピューター学会フェロー、中国人工知能学会フェローであり、国家863計画に基づく知能ロボット分野の専門家です。中国画像グラフィック学会会長、国家知能ロボット革新連盟副会長、中国オートメーション学会事務局長、中国人工知能学会監事、教育部科学技術委員会エネルギー・交通部委員、湖南省オートメーション学会会長など。

彼は長年、インテリジェント制御とロボット技術の教育と科学研究に携わってきました。この成果により、国家技術発明賞で2等賞を1回、国家科学技術進歩賞で2等賞を4回受賞し、IEEEロボティクスおよびオートメーション分野で「産業応用最高賞」を受賞しました。これまでに70名以上の博士課程学生（IEEEフェロー、長江奨学生、国家優秀若手奨学生などを含む）を育成し、IEEEなどのSCI論文を160本以上発表し、12冊の著書を出版し、80件以上の国家発明特許を取得しています。彼は、国家高等教育機関優秀教員賞、国家五一労働勲章、国家先進労働者賞、国家革新賞などの名誉称号を受賞しています。

1. ロボット開発の意義と目的

インテリジェントロボットの開発は常に進められています。馬車は我が国の東漢時代に登場し、世界最古の無人自動車とも言える。近代産業の発展に伴い、ロボットは第二段階に入り、産業に貢献し始めた。20世紀には、ロボットは第三段階、つまり知能ロボットの時代に入った。

人類が近代産業時代に入ったとき、ロボットを産業分野に適用し、産業用ロボットを使用して生産活動を行いました。第二次世界大戦後、極度の労働力不足により、日本、米国、ドイツでは肉体労働の代替としてロボットが広く導入されました。そのため、これらの国々では、第二次世界大戦後の1960年代に産業用ロボットが開発されました。

ロボットの誕生により、自動車製造工程でのロボットの活用が拡大し、ロボット技術の発展はインダストリー4.0の目標に向けて大きく前進しました。現在のロボットは単なる自動化装置であり、真に知的なロボットではありません。将来必要になるのは、真に知的なロボットです。

ロボットは製造大国にとって重要なツールであり、溶接、加工、測定、試験などを効率的に完了することができます。特に我が国では、航空宇宙製造など、国内の主要な設備製造にはインテリジェントロボットが不可欠であり、屋内での使用にも大きな可能性を秘めています。さらに、ロボットは国民生活プロジェクトでも重要な役割を果たしています。ロボットは危険な作業リンクを完了する際に人間を補助し、人間に代わることができ、複雑で反復的で時間のかかる作業に従事することができます。ロボットは、大規模な工学建設、大規模な橋梁建設、アプリケーションのメンテナンス、海洋開発、宇宙探査、インテリジェント製造において大きな役割を果たしてきました。ロボットは、主要な国家工学プロジェクトのインフラストラクチャであり、「新しいインフラストラクチャ」の構築における重要な現代的な文脈です。

ロボット開発の最も重要な分野は製造業です。ロボットは、人口の高齢化、採用と製造の難しさ、製品の反復と更新、小ロット、多品種製造など、製造業における多くの人工的な困難と問題点を解決することができます。同時に、労働力不足や人口の高齢化などの問題も効果的に解決できます。

2. 国内外のロボット開発の現状

現在、世界各国は、米国のロボティクスプロジェクト2.0、ドイツと欧州連合のインダストリー4.0計画、中国製造業2025、日本のロボット戦略など、ロボットがハイエンド製造業やインテリジェント製造業へと前進し、主導権を握ることを推進するために、ロボット技術の開発に積極的に取り組んでいます。

US Strategy 2.0 の分析から、US Strategy 2.0 ではロボットの知覚を作り出すために、複数のロボット間の相互通信と連携を重視していることがわかります。ドイツのインダストリー4.0は、スマート工場、スマートパワーの構築、スマート生産ライン、スマートワークショップ、スマート工場におけるロボットの役割の最大限の発揮、サイバーフィジカルシステムによるロボットの生産ラインへの統合に重点を置いています。 EUは、医療、人間の生命と健康のためのロボットとロボット、外科用ロボットの連携を重視し、ロボットのための協調環境を構築したいと考えています。

過去10年間の中国のロボットの発展は2つの段階に分けられます。最初の5年間は基本的に産業発展段階でしたが、現在はハイエンド段階に入っています。ロボットは「製造業の至宝」であり、その研究開発、製造、応用は、国の科学技術革新とハイエンド製造レベルを示す重要な指標です。我が国のロボットのレベルを向上させなければなりません。したがって、わが国は国内のロボット産業を向上させ、より多くの市場を占める必要があります。ロボット技術と産業の発展はわが国にとって主要な戦略的ニーズとなっています。 「中国製造2025」と「次世代人工知能発展計画概要」の発表は、知能ロボットの発展を促進し、国民経済、国家の主要戦略、国家の主要プロジェクトに奉仕するためのものである。ロボットの発展をめぐっては、地方政府や地方自治体が多くの政策を導入しており、深センもその1つである。サービスロボットの分野における深センの取り組みは非常に顕著である。

3. 知能ロボットの主要技術

ロボットは、操作や移動タスクを自動的に実行できる機械装置です。認識、計画、意思決定、制御の機能を備えており、人間が完了するのが難しいタスクや、反復的、退屈、危険、または過酷な環境での作業を完了できます。

ロボットは用途によって産業用ロボット、農業用ロボット、医療用ロボット、検査用ロボットなどに分けられ、空間によって陸上ロボット、海上ロボット、空中ロボットに分けられます。その中でも産業用ロボットが主力で、続いて水中ロボット、宇宙ロボットなどが続いています。

ロボットがどれほど複雑であっても、またどのような種類のロボットであっても、それは認識システム、意思決定システム、制御システムを備えた自動化システムです。ロボットの主要技術は、主にボディ構造、知覚、意思決定、実行技術の4つの部分で構成されています。自動化の言語で説明すると、ロボットは知覚、意思決定、実行のフィードバック制御システムです。

ロボット工学は、機械工学、人工知能、制御科学、コンピューター、電子工学、材料、学際的統合など、多くの学際的な分野もカバーしています。ロボットは今日、あらゆるところに存在し、製造、物流、医療産業、人間生活サービス、海洋、航空、宇宙などの分野で広く使用されています。また、自動車製造や電子機器製造でも大きな役割を果たしています。

4. ロボットの今後の発展方向

機器製造業界では、航空宇宙機の製造など、大規模で複雑なシステムの構築にも、複数のロボットの共同組み立てが必要です。また、各国が宇宙資源をめぐって競争する中、月探査ロボットなどの宇宙ロボットも過去2年間で急速に発展した。海洋支援やサルベージ、水中探査などに使われる海洋ロボットや、過酷な環境での科学技術調査に使われる科学研究ロボットもある。例えば、将来的にはエベレスト登山がロボットを使って行われるかもしれない。

2020年にCOVID-19パンデミックが発生した後、医療用ロボットも将来のロボット開発の主な方向となり、温度測定・診断用知能ロボット、知能消毒ロボット、医療用品取り扱い用知能ロボット、その他の防疫緊急予防・制御ロボット、支援ロボット、防疫ロボットの開発が進むでしょう。脳コンピューターインターフェースロボットは、ロボット工学におけるトップ10のホットな課題の1つです。軍用ロボットや特殊作戦ロボットも、将来の主要な開発方向です。

サイエンス誌が発表したロボット工学の課題と方向性のトップ 10 の中で、インテリジェント ロボットは最も重要なものです。脳とコンピューターのインターフェイス、社会的相互作用、医療、マルチマシン スウォームはすべて、インテリジェント ロボットの開発方向です。インテリジェントロボットのネットワーキングと相互作用の 2 つの特性は、インテリジェントな自律認識機能を反映しています。ロボットには、知覚、計画、意思決定、動作、自己学習という 5 つの主要要素が必要です。その中でも、インテリジェントな知覚、インテリジェントな協調計画、インテリジェントな精密制御は、ロボットの 3 つのコア技術です。

ロボットのインテリジェントな認識に関して。完全なロボット視覚認識システムを設計し、マイクロセンシング、高度にインテリジェントなセンシングと制御の統合チップを作成することは非常に重要な開発方向であり、やるべき作業はたくさんあります。これは、ロボットの3次元認識、SLAM技術、ロボット測定などの応用に大きな影響を与えるでしょう。

ロボット制御技術において。ロボット準拠制御、ロボットインテリジェント制御、マルチロボット協調制御はすべて、現在の研究のホットスポットです。そのアプリケーションはすべて、ディープラーニングと強化学習に基づくロボット制御技術を反映しています。タスクの割り当て、複雑なタスクの正確な構成、ネットワーク制御と制御の柔軟性、ネットワーク攻撃に抵抗しながらシステムの秩序ある動作を確保することはすべて、ロボット制御技術で研究する必要がある領域です。

ロボットには、インテリジェントな認識とインテリジェントな制御に加えて、安定した効果的な関節も必要です。ロボットの関節は、アクチュエータの重要なコンポーネントです。ロボットは複雑なタスクを完了するために器用な手を必要とします。医療用、産業用、航空宇宙用、海洋用ロボットのいずれであっても、複雑なタスクを完了するには手を使用する必要があります。したがって、器用な手はロボットの 4 番目の重要な技術です。

4つの主要技術に基づいて、ロボットを統合および革新してロボットシステムアプリケーションを形成します。産業用ロボット、サービスロボット、特殊操作ロボットを作成し、さまざまな分野に適用できます。ロボットのコラボレーション、スケジューリング、柔軟な自動化生産ラインの設計、製薬業界や飲料業界でのマシンビジョンの適用、自動車製造や電子機器の組み立てにおける特定のプロセスでロボットを使用して手作業を置き換えることはすべて、将来の開発方向です。

現在のロボットはまだ産業用ロボット1.0と2.0の段階にあります。将来のロボットはロボット3.0である必要があります。現在の機能に加えて、感情的な相互作用、人間と機械のコラボレーション、自己学習、人間と機械の相互作用、意味分析、自然言語理解などの機能も備えている必要があります。このようにしてのみ、ロボットは真にインテリジェントなサービスロボットになることができます。将来的には、ロボットが自律型サービスロボットに発展し、4.0の段階に進むことも期待されています。ロボットがインテリジェントで自律的なネットワーク制御システムを備え、大きなロボット市場を形成できるように、ロボットにAI技術、知覚能力、記憶能力、学習能力、意思決定能力を有機的に追加する必要があるため、やるべきことはたくさんあります。人工知能はロボット開発の鍵です。人工知能、知覚技術、認知技術、行動制御技術の3つのコア技術が、知能ロボットの未来を決定します。

今後のロボットの応用はネットワーク協調型製造に向けられ、柔軟な自動化生産ラインをベースとした小ロット、多品種、個別対応の製造が行われるようになるでしょう。デジタル化、ネットワーク化、インテリジェンス化の特徴を備え、産業インターネットネットワークアーキテクチャの下でインテリジェント製造を実現し、製品設計、研究開発、製造からサービスまでの全プロセスインテリジェント製造を形成する必要があります。ネットワーク化された共同製造は、パーソナライズされた生産およびサービスモデル、および複雑で変化に富んだ作業環境とタスクに対応でき、インテリジェント生産に向けた将来の産業発展のトレンドとなります。これにはロボットが重要な役割を果たすでしょう。

5Gの到来を背景に、通信速度の向上、ブロードバンド化、遅延の低減が進むクラウド空間において、5G技術を活用し、新世代のスマートコネクテッド電気自動車、スマート無人航空機、スマートコネクテッド電気自動車を生み出すことは、未来都市生活の美しいビジョンでもあり、つまり、スマートネットワーキング、無人運転、無人ドック、空港を生み出すことです。

人間と機械の相互作用も非常に重要な開発方向です。人間と機械の協働モデルは、人間の長所（知性と器用さ）とロボットの長所（高速性と高精度）を深く融合し、柔軟な人間と機械の操作を実現し、ロボットの導入コストの高さと柔軟性の欠如という問題を解決します。産業、農業、精密医療などにおいて極めて重要な応用シナリオを有し、言語認識、物体認識、意味理解、感情分析、意図理解など人工知能とロボットを有機的に組み合わせた強力なリンクであり、意思決定層にはマルチモーダルインタラクション、歩行認識とインタラクションなどがある。

ロボットの今後の発展は、ネットワーク化、自律化、協調化、器用化が求められます。同時に、ロボットの開発には、計画的かつ実行可能な戦略、革新的な環境、次世代ロボットの標準と技術が必要です。最も重要なことは、ハイレベルの科学研究リーダーと産業チームの人材の育成に重点を置くことです。