機器人產業碩果累累，形成規模

機器人是智能制造的重要載體，其研發、制造、應用是衡量一個國家科技創新水平和高端制造業水平的重要標志，是搶占智能社會發展先機的重要戰略領域。

近年來，先進院團隊在機器人研發方面走在全國前列，尤其在船體除銹機器人、自動噴涂機器人、醫療機器人、核電機器人、柔性下肢外骨骼機器人和水下外骨骼機器人等高端機器人開發和應用領域不斷涌現出成果，對我國快速發展的機器人產業起到了強有力的支撐作用。

1.工業機器人大顯身手

2022年6月，位于舟山的中遠海運重工有限公司的大型船塢里，長340米、寬47.2米的集裝箱船正在進行除銹作業，18臺除銹清洗爬壁機器人攜帶超高壓清洗盤快速工作，1臺機器人的效率是1名工人的5倍，而且除銹效果更好，除銹清洗爬壁機器人可將工人從除銹清潔的繁重勞動中徹底解放出來。這幅畫面來自深圳先進院最新特種機器人技術的一個應用現場。

先進院精密工程研究中心何凱團隊的研究出發點是結合產業需求，解決行業痛點。團隊注重學科交叉、集成創新，擅長利用模塊化設計與優化、有限元數值仿真、虛擬樣機及智能控制等機械自動化共性技術解決工程應用問題。他們研制出基于高壓水射流技術的除銹清洗爬壁機器人，可應用于船舶外板、石化儲罐內外壁、風電塔筒的除銹除漆作業。該技術可以完全取代目前國內傳統的人工干氣噴砂除銹方式，遠程遙控作業，安全可靠，實現綠色、無塵、高效、高質量除銹除漆清洗。團隊還開發出爬壁噴涂機器人，可實現大型構件表面的自動噴涂，提高噴涂效率，降低生產成本，目前已成功應用于儲罐、風塔表面的噴涂作業。針對輪船、高鐵、貨車等大型交通運輸工具的噴涂需求，何凱團隊還通過信息交互、多傳感器融合、離線編程等技術，實現多個機器人協同噴涂作業。

用于三峽水電站的液壓啟閉機活塞桿銹蝕檢測的機器人是團隊另一項研究成果。根據防汛、發電、通航需求，大壩的閘門需要定期打開和關閉，而液壓啟閉機就是控制閘門的開關，其活塞桿直徑在200毫米至410毫米之間。經過數年運行，液壓啟閉機表面存在一定程度的銹蝕，容易造成漏油、污染液壓軸、加速密封磨損等危害，嚴重時甚至會影響水電站的運行。

電站工作人員需要對液壓啟閉機進行定期的銹蝕檢測，傳統檢測方法需要通過人工搭設腳手架檢測活塞桿，安全風險大，工期長，成本高。如果使用團隊開發的銹蝕檢測機器人，以上問題就全部迎刃而解了，爬壁機器人搭載2D和3D相機，對活塞桿表面銹蝕情況進行圖像采集和合成，生成缺陷報告。這項技術已成功應用于三峽水電站，將單次檢測時間從傳統搭腳手架檢測所需的20天縮短到2小時以內。

自《中國制造2025》公布以來，我國機器人行業高速發展，機器換人成為新趨勢。為了更好地推動工業機器人成果轉化，何凱團隊已經孵化出一家高新技術企業“深圳市行知行機器人技術有限公司”，該企業近期已完成A輪融資，融資總額達數千萬元人民幣，這是該公司繼2020年獲得Pre-A輪融資后，再度獲得投資者青睞。該輪融資完成后，行知行機器人將持續鞏固在國內高空作業爬壁機器人領域的龍頭地位，同時加速優質產品在船舶、石化、風電等場景的拓展應用，踐行“潔凈世界，安全作業”的企業使命。

2.突破醫療機器人關鍵技術

除了工業機器人之外，先進院在醫療機器人方面也早有布局。我國醫療機器人行業自2010年以來進入快速發展階段，多個細分領域的國產手術機器人產品先后上市，但是核心技術仍然被國外壟斷。

先進院集成所胡穎研究員介紹，手術機器人是集臨床醫學、生物力學、機械學、計算機科學等諸多學科為一體的新型醫療器械，整體運行需要多項技術的協同。其中，系統軟件中的圖像重構、空間配準和定位控制是手術機器人最為核心的部分；而硬件裝置（如機械臂的設計）則需要與手術具體情況相結合，反復實驗；人機交互的主機必須充分考慮醫生的治療習慣和臨床應用場景。先進院集成所組建的認知與交互研究中心既有手術機器人的團隊，又有圖像處理的團隊，因此具有先天的人才優勢和交叉創新優勢。

2017年，胡穎團隊申報的深圳機器人基礎研究中心項目——“骨科手術機器人組織-器械交互作用機理與多源信息感知方法研究”獲批了國家自然科學基金。她介紹，由于患者個體差異性大、手術空間和視野狹小、解剖標志點和空間位置關系不明顯等問題，對骨科手術機器人操作安全性提出了更大的挑戰。先進院團隊以骨科手術機器人安全應用為目標，考慮到患者的個體差異以及典型骨疾病特征，建立基于多物理場耦合的骨組織，即器械有限元模型，并進行基于離體培養的骨組織損傷評估；提出基于多源信息的手術狀態表征方法，形成骨科手術機器人精細感知和安全控制方法。

胡穎說：“我們的骨科手術機器人具備精細感知和安全控制關鍵技術，為該類機器人的臨床應用提供了重要的理論支撐。在先進院這樣的科研機構做研究，可以圍繞自己感興趣的方向做跨學科的前沿創新。企業的創新活動大部分只是圍繞產品的創新展開，以追逐利潤為導向，在大學做創新則受限于缺少穩定的人才隊伍，如果沒有穩定的人才團隊，就無法開展有深度的科研工作。”

2021年，她的團隊承擔了國家重點研發計劃“數字診療專項”，研制具有自主知識產權的醫用光學定位跟蹤系統，打破國外產品壟斷，為醫用機器人導航系統提供國產化部件，有力促進手術機器人產品升級，為解決我國醫療健康問題提供強大的技術支撐。

這一年，胡穎還牽頭了“超聲醫生手法模擬算法與機器人自主掃描關鍵技術”項目，成功獲批國家自然科學基金數學天元基金“數學與醫療健康交叉重點專項”。這涉及胡穎團隊與中國人民解放軍總醫院最新合作開展的前沿研究方向。

眾所周知，超聲檢查具有價格低、無輻射、方便快捷等優點，已成為目前臨床應用最為廣泛的影像診斷方式。與CT、MR檢測不同，超聲檢查和診斷極為依賴醫生的操作經驗，這會嚴重影響超聲檢查的規范化和診斷的一致性。

胡穎團隊重點研究了超聲圖像質量評價方法、動態環境下的超聲自主掃描規劃與精準控制、基于多源信息的病灶識別等方向，開展系統集成及臨床試驗驗證，為推動安全、可靠的自主超聲機器人走向臨床奠定基礎。

3.特種機器人應用于核電領域

機器人在特種領域的應用潛力非常大，在核電行業更是存在很大的需求。2022年2月，深圳先進院集成所副所長、深圳先進院智能仿生中心吳新宇團隊再次與中廣核研究院有限公司（以下簡稱“中廣核”）合作，簽訂“蒸汽發生器下封頭環焊縫在役檢查裝備”合作協議，致力于用智能特種機器人取代人工。這是繼2021年9月雙方簽署“蒸汽發生器二次側爬壁式檢測系統”研發合同后的又一項深入合作。

早在2012年12月，吳新宇研究團隊就與中廣核簽訂了合作協議，針對蒸汽發生器二次側底部布滿傳熱管、空間狹小、無光照、檢測無法完成的現實難題，攜手開展爬壁式檢測系統研制。其間對爬壁機器人本體、視頻檢查模塊、運動控制系統、三維仿真軟件和人機交互技術進行了摸底，通過模擬體試驗對爬壁機器人的性能參數進行了系統測試，各項指標均達到合同要求，該項目于2014年3月順利結題。

之后，他們針對機器人的自主控制、智能環境感知、特種檢測等技術持續開展深入研究，積累了豐富的研究經驗。為了獲得更多的經費支持，2019年6月，該團隊與河北工業大學張明路教授聯合申請了科技部國家重點研發項目并獲批，項目名稱為“面向大型立面維護的作業機器人關鍵技術研究與應用示范”。

經過多年的技術積累和沉淀，中廣核從2021年開始繼續與吳新宇團隊開展科研合作，努力實現核電設備關鍵部件在役自動化檢測，以科技賦能核電設備安全運行。核電機器人由于具備抗輻射能力和較強的越障能力，可在核電監測和檢修環節獲得廣泛的應用。

4.外骨骼機器人將從陸上走入水下

“過去幾年，我們研制的機器人不僅被用于核電檢修，而且其中的柔性下肢外骨骼機器人在助老以及醫療領域均有廣闊的應用前景，未來還將推出水下外骨骼機器人，幫助潛水員進行打撈救援、海底管線與電纜的鋪設。”吳新宇介紹道。

柔性外骨骼機器人是一款可穿在人身上的機器人，被稱為“可穿戴的機器人”，可幫助士兵長途跋涉，還可以幫助老人、行動不便的人士正常行走，實現對各種運動模式（如行走、轉向、奔跑、上下斜坡與樓梯等）的實時監測與響應，具有非常好的自適應能力，在軍工、助老以及醫療領域均有廣闊的應用前景，是當前各國研究的熱點，具有重要的社會、經濟效益。

“普通人背負20公斤重物的情況下走5公里就會筋疲力盡，而穿上柔性外骨骼機器人可以讓你健步如飛。”吳新宇介紹說，“該機器人由傳感器、控制系統和驅動系統組成，重量只有1.5公斤，是國際上最輕的柔性下肢助力外骨骼機器人。與以往的全金屬結構的剛性外骨骼不同，柔性外骨骼采用了柔性驅動的方式，可使外骨骼機器人與穿戴者具有很高的兼容性，不會改變穿戴者本身的習慣；可通過多傳感器的反饋信號識別穿戴者的運動意圖，并快速響應，給予合適的助力，從而保證穿戴者的舒適性和機動性。另外，對電機和機械結構的優化，使系統的實時響應速度得到極大提高，在快速運動的狀態下依然能提供穩定助力。”吳新宇團隊圍繞多場景關鍵技術，制成柔性下肢助力外骨骼機器人，也是世界上首套用于參加馬拉松比賽的外骨骼機器人。他們研制出的這套國際首創的剛性支撐、柔性驅動的外骨骼助力系統，有效降低了負重行走時的人體代謝消耗，實現外骨骼與穿戴者的智能化有機耦合以及人體機能增強。該項目多次參加高交會，并被央視新聞、新華網等重要媒體專題報道。

吳新宇介紹，“多模融合人體意圖識別”項目被科技部列入國家重點研發計劃——政府間國際科技創新合作重點專項，旨在研發一種能夠快速準確識別人體運動行為意圖的人機接口系統，探索人體運動行為意圖在生物和物理信號中的表征，完成人體腦電、肌電運動信號特征提取與模式識別，并在上下肢人機接口平臺上進行實驗驗證。中日雙方的合作重點將圍繞腦電、肌電活動映射機制建模這個科學問題，開展以連續信號輸出為目的的意圖識別人機接口研究。借助日方的國際領先優勢，合作開展基于生物與物理傳感信號的多模態信息融合策略研究，共同搭建上下肢人機接口驗證平臺，最終突破人體運動意圖理解的技術難題。該項目2021年通過了中期考核，考核結果為“優秀”。

值得關注的是，柔性外骨骼機器人是機電、信息與生物技術融合的研究成果，旨在為老年人、殘疾人提高肢體運動機能和生活質量。但如何有效獲取與理解人體運動意圖，成為制約可穿戴式康復助力設備進一步發展和應用的難題。因此，人體運動意圖的獲取與理解是當前該研究領域的重要需求，吳新宇團隊和集成所認知與交互技術研究中心王瓊課題組合作進行的“面向高級腦機交互的視聽覺認知基礎理論與關鍵技術研究”被列入國家重點基礎研究發展計劃。2021年，“基于柔性可穿戴傳感的自然人機交互機制與協同控制策略研究”獲批國家自然科學基金聯合基金重點項目，將對基于柔性傳感的穿戴式機器人的共性關鍵技術展開研究。

吳新宇對柔性外骨骼機器人的產業化充滿了期待。2022年春天，他的團隊成員陳春杰與長沙優龍機器人有限公司簽署協議，圍繞偏癱柔性外骨骼機器人方向在前沿技術研究、新產品開發、技術平臺建立及人才培養等多層面進行廣泛合作，預計在一年內取得醫療認證。未來，力爭成長為國內醫療外骨骼機器人行業的領軍企業。

機器人不僅在陸地上有廣泛的應用，未來還將服務于水下工作場景。潛水員在進行打撈救援、海底管線與電纜的鋪設、檢測與維修、海下礦產勘察時，運動和作業均極其費力，嚴重降低了潛水員的水下工作效率。吳新宇團隊針對潛水的需求，準備研制潛水式水下作業助力外骨骼機器人。“我們缺乏水下機器人密封、通信、控制經驗，準備聯合精密工程研究中心何凱領導的仿生機器魚團隊，充分借鑒他們在海洋機器人研究方面的經驗，通過陸上外骨骼關鍵技術與水下機器人技術的交叉融合，使外骨骼順利下海，為潛水員助力。”吳新宇在先進院平臺上積極開展跨界融合創新，未來成果可期。

5.引領機器人產業大發展

先進院不僅在機器人關鍵技術上布局早、成果多，而且對整個機器人產業發揮了引領和匯聚的重要作用。早在2014年，先進院牽頭成立了我國第一個機器人產業協會，2020年又成為新一代信息通信產業集群機器人領域的總促進機構。

深圳市機器人協會連續8年組織撰寫《深圳市機器人產業發展白皮書》，承擔工信部成果轉化中心平臺建設工作。協會連續13年在高交會上舉辦機器人專展，連續7年在中國電子信息博覽會期間同期主辦“深圳國際機器人與智能系統博覽會”，全方位地展示最新的機器人工藝、研發成果及應用趨勢，累計吸引專業觀眾60余萬人。由深圳市機器人協會承辦的“深圳國際機器人與智能系統院士論壇”，以機器人技術為媒介，搭建一個機器人智能系統的產、學、研、資、用平臺，強有力地推動了粵港澳大灣區機器人產業的發展壯大。

先進院產業發展處處長畢亞雷兼任深圳市機器人產業協會秘書長。他介紹，深圳的首個機器人產業規劃是在2014年12月出臺的，深圳市科創委發布了《深圳市機器人、可穿戴設備和智能裝備產業發展規劃（2014—2020年）》和《深圳市機器人、可穿戴設備和智能裝備產業發展政策》，為深圳市服務國家創新驅動發展戰略贏得先機，市財政每年安排5億元支持機器人產業的發展，努力將深圳建設成國際化的機器人產業基地。該舉措為機器人產業持續、快速、健康發展提供了強有力的政策保障。2018年和2019年陸續發布了對新興產業的資金扶持政策和新一代智能發展的行動計劃。2022年6月，深圳出臺“20+8”產業新政，明確提出要發展壯大智能機器人產業集群。此舉將有利于產業競爭力整體提升，為深圳市機器人產業發展帶來前所未有的機遇。

目前，深圳市智能機器人研究院、機器人與智能制造研究院、工業4.0研究院等重大創新平臺已經建成，深圳市智能服務機器人產業園、坪山機器人產業園、深圳寶龍機器人產業基地等重點機器人相關項目建設加速推進。深圳機器人產業鏈條建設基本完備，基礎技術實力充足，在自動化控制器、無人化設備等領域具有一定優勢，并且培育壯大了一大批優秀的本土機器人企業。《深圳市機器人產業發展白皮書（2022年）》顯示，2022年深圳市機器人產業總產值為1644億元，相比2021年深圳市機器人產業總產值1582億元，同比增長3.9%，增速略高于深圳市高技術制造業增加值增速，其中，工業機器人產業總產值為1033億元，占機器人產業總產值的62.83%。深圳市機器人產業企業總數達到1018家，較2021年的945家同比增長7.68%，深圳市機器人產業企業數量持續保持較高位增長。從區域分布上看，主要集中在南山區和寶安區。

在機器人產業蓬勃發展的今天，先進院充分發揮“國家隊”的作用，努力研發和掌握機器人產業關鍵核心技術，支撐國內機器人產業穩健快速發展，爭取在全球機器人產業競爭中點亮“中國智造”的品牌。