【2022 机器人领域研究热点与发展趋势综述】
1.1趋势：
借助认知科学的方法得到突破突破深度学习的数据瓶颈
学习范式可从依靠“大数据”转变成依靠“大规则”
通过耦合、交互、增强、互补等实现人机的无缝连接
机器人和AI相结合为智能体，AI和人类相结合为人机耦合以及增强智能，而机器人和人类相融合为增强机体
1.2 具体研究方向：
不同细分场景定制（柔性、可变形液态金属……）
机器学习
发展方向：少样本、因果推理、群体智能、认知科学、多模态多源数据、知识规则
运动智能（机器人肢体灵活性逐渐趋近于生物，波士顿动力机器人的研究方向）
发展方向：仿生、逼近控制、柔性机器人
当前限制：
计算资源、能量、运动控制的限制
波士顿动力机器人的运行方式是基于电机驱动，存在很多缺点，例如刚性运动、自重比较大、反应速度和灵活性的矛盾以及耗能大
来源:
IEEE Fellow李世鹏 ：人工智能与机器人前沿研究之思考
IEEE Fellow李世鹏 ：人工智能与机器人前沿研究之思考
目标：机器人的运行系统应该像人一样满足：高效、灵活、精确、鲁棒、刚柔并济、轻量、自适应等指标
研究方向：运动智能的一个重要研究方向是：仿生。仿照动物的运动智能，例如运动控制采用逼近反馈式，运动过程视变化随时灵活调整。
增强智能（机器人模仿人类思维、帮助人类增强物理机体能力）
发展方向：增强智能、增强机体、无缝角色转换和合作
当前瓶颈：机器学习框架大都是基于大数据的深度学习框架，会遇到机器智能处理不了的情景，这对于某些高风险领域，例如自动驾驶等来说是致命的
待解决的核心问题：
核心问题1：机器智能如何感知自己处理不了一些情况，而主动要求人来接管？
核心问题2：什么时候人类可以完全放手给机器自主完成任务？
核心问题3：什么样的人机交互设计能充分发挥人和机器各自的长处，同时又无需非必要地麻烦对方？
增强机体
目标：实现人与机器和谐共处，操控起来如同人类的自己的器官一样自然
核心研究课题：机器感知人的意图、人的姿态、理解人的自然语言命令、肢体语言等等，从而让机器以最适合人类接受、恰到好处的平滑方式帮助人解决问题
智能交互-人机协作中的耦合、交互、增强、互补、协作
目标：不需要告诉机器人类的意图，机器就能领会，从而达到人机的无缝连接、群体协作，情感识别，生物信号控制（脑机接口、生物肌电信号）
重点研究：人机自然交互、感知及增强。具体可能包括：生物特征检测和识别、人机接口、脑机接口、语音识别、动作识别、表情识别、语言理解、意图理解、体态感知、无隙增强，以及在扩展现实与远程现实的延伸等
群体智能-多智能体协作
发展方向：简单单体、协同感知（视野等信息共享）、协同控制、协同行动、社会属性（工厂内流水线分工协作、仓储场景下多个抓取分类的机器人有效调度提高工作效率）、去中心化控制（允许智能体之间存在自主行为，在相互协作的同时还能做自己的事）、自动驾驶中协同感知和协同控制
智能体群体协作目前涉及的规则：群体行为模型和激励机制、群体智能协同决策
智能皮肤-触感-敏感触觉技术
参考来源：
机器人领域十大前沿技术
It’s not easy giving a robot a sense of touch
Robo-skin mimics our neuro architecture
Coming soon: robots with jellyfish skin
黑暗等视野不佳的环境中可以仅凭触感判断抓握是否成功
1.3机器人分类：
1.3.1按照应用场景：
医疗（手术（达芬奇机器人）
康复（义肢（结合脑机接口、肌电信号）、外骨骼）
脑机接口
2000 Brain–Computer Interface Technology: A Review of the First International Meeting
https://d1wqtxts1xzle7
2006 A high-performance brain–computer interface
http://web.stanford.edu/~shenoy/GroupPublications/GroupPublications/SanthanamEtAlNature2006ALL.pdf
肌电信号(sEMG)模式识别和模式分类
Training-Free Bayesian Self-Adaptive Classification for sEMG Pattern Recognition Including Motion Transition
Training-Free Bayesian Self-Adaptive Classification for sEMG Pattern Recognition Including Motion Transition | IEEE Journals & Magazine | IEEE Xplore
在使用软可穿戴机器人的人类运动辅助领域，这种新型机器人将帮助肌肉无力患者或患有身体或神经系统疾病（例如：中风或创伤性脑损伤）的患者完成移动或抓握等精细运动任务。
服务（家居服务、餐饮）、救援（特种作业、营救）
工业（流水线）
军事（侦查）
农业（播种、采摘、收割）（视觉+机械臂）
Robot harvests lettuce, and that’s impressive
The surprisingly complicated technology that goes into picking winners
太空作业（天宫一号机械臂）
机械臂，多项全能！_中国载人航天官方网站
两栖多栖（水下机器人）
A robot glider that takes off from water
1.3.2按照类型特点：
软体
轮式
足式
仿生
（人形、扑翼机、蛇形、昆虫（微型）、鱼形、机械手）
可编程块
（如何根据任务场景决策要搭建的身体结构、如何快速构建最高效的结构）
机械臂
外骨骼
无人机
纳米（微型）机器人（体内环境）
Mini robo-snakes in our brains?
医疗微纳米机器人是“外力”研究方向的代表。例如依靠磁力，小机器人精确地将药物从一个管道运送到另一个管道。
可以局部靶向，低侵入性检查与治疗
可生物降解
需要精确对其运动进行控制
活体细胞机器人
Robots made of living animal cells
1.4各类型研究内容、待解决的问题与发展方向：
软体机器人
参考：
2014 Soft Robotics: A Perspective—Current Trends and Prospects for the Future
https://www.researchgate.net/publication/275605108_Soft_Robotics_A_Perspective-Current_Trends_and_Prospects_for_the_Future
推荐阅读：Soft Robot: A Review
Soft Robot - A review - Elveflow
2016 Soft Robotic Blocks: Introducing SoBL, a Fast-Build Modularized Design Block
Soft Robotic Blocks: Introducing SoBL, a Fast-Build Modularized Design Block | IEEE Journals & Magazine | IEEE Xplore
Soft Robotic Blocks: Introducing SoBL, a Fast-Build Modularized Design Block | IEEE Journals & Magazine | IEEE Xplore
定义：
软体机器人，它依赖于模仿自然界中存在的软体的运动机制来实现平滑和复杂的运动。在那些可以在复杂环境中移动的“软体”例如蚯蚓、蛇、昆虫幼虫、章鱼和鳗鱼
软机器人主要由易于变形的物质组成，例如流体、凝胶和弹性体，这些物质可以与某些材料相匹配，这一过程称为顺应性匹配。
液态机器人
优势：
实现复杂的运动
防撞：吸收冲击，防止受伤
可弹性变形且柔软
适应形状
多功能的
与人类互动兼容（生物相容和合规）
与软生物物质相同的弹性和流变特性（合规性匹配）
低成本材料
缺点：
难以控制（可改进方向）
不如刚性机器人强大和精确
支持设备（硬件）保持在外部：限制运动和自主性
当前的电子设备不适应（刚性支撑）
驱动类型：
气动 (PneuNets)
Pneumatic Networks 执行器 (PneuNets) 是最常见的软机器人，由一种软材料、一种弹性体组成，加压流体可以在其中通过一系列通道和腔室。当这些腔室加压时，截留的流体会从材料内部产生应力，导致材料应变、变形，并使致动器运动。这种运动的性质是通过修改嵌入式腔室的几何形状及其壁的材料特性来控制的。通常，流体弹性体机器人的每个部分都会弯曲，这种弯曲是由于材料应变造成的。如果机器人由单一的均质弹性体组成，大多数膨胀将发生在最薄的结构上，因此机器人的运动将取决于微流体电路的几何形状。然而，具有不同弹性行为的材料也可用于进一步控制致动器行为。
如：气动空气人工肌肉
光敏
光敏致动器与液晶弹性体 (LCE) [6]一起发挥作用，这是一种智能材料，在可见光照射下可以表现出较大的形状变化。
介电弹性体
介电弹性体致动器 (DEA) [7] 使用在感应电场时会变形的电活性聚合物。这种类型的致动器的常见设计包括在两个顺应电极之间捕获软绝缘弹性体膜。当在电极之间施加电压时，所产生的电场导致膜的厚度变薄和面积扩大。
趋势：
刚体与软体结合
轮式机器人
A review of mobile robots: Concepts, methods, theoretical framework, and applications
https://journals.sagepub.com/doi/pdf/10.1177/1729881419839596
SLAM、感知、规划、控制领域的进一步提升，较成熟
仿生机器人、足式机器人
（人形（波士顿动力）、扑翼机、蛇形、昆虫（微型）、鱼形、机械手）
参考：
多种仿生机器人进展：
Robotics - Latest research - Page 5 of 8
2019 A Century of Robotic Hands
https://www.annualreviews.org/doi/pdf/10.1146/annurev-control-060117-105003
机械手
先后公布机械手、移动机器人两项机器人研究进度，索尼这次究竟是业务扩展，还是转型吹号？
Robotic hand dexterous enough to use tweezers
2010 Learning, planning, and control for quadruped locomotion over challenging terrain （四足机器人-挑战性地形上运动的学习、规划和控制 ）
https://journals.sagepub.com/doi/10.1177/0278364910388677
https://journals.sagepub.com/doi/pdf/10.1177/0278364910388677
2011 The Stanford LittleDog- A learning and rapid replanning approach to quadruped locomotion（四足机器人-机械狗-四足运动规划）
https://journals.sagepub.com/doi/10.1177/0278364910390537
https://journals.sagepub.com/doi/pdf/10.1177/0278364910390537
2016 Optimization-based locomotion planning, estimation, and control design for the atlas humanoid robot（人形机器人-波士顿动力Atlas仿人机器人运动规划、估计和控制）
Optimization-based locomotion planning, estimation, and control design for the atlas humanoid robot | SpringerLink
Optimization-based locomotion planning, estimation, and control design for the atlas humanoid robot | SpringerLink
鱼形机器人
Fishy robot outswims the school
壁虎机器人
Crashlanding geckos rely on their tails to get a grip
变色龙机器人
Colour-changing chameleon-bot
可编程块状机器人
（研究热点：如何根据任务场景决策要搭建的身体结构、如何快速构建最高效的结构）
Self-transforming robot blocks jump, spin, flip, and identify each other
Self-transforming robot blocks jump, spin, flip, and identify each other | MIT News | Massachusetts Institute of Technology
机械臂机器人
较成熟
不同材料与类型物体抓取和分类
外骨骼机器人
哈佛大学柔性外骨骼-利用超声波呈像可在几秒内适应肌肉状况
哈佛大学柔性外骨骼再升级！利用超声波呈像可在几秒内适应肌肉状况
机器人外衣-助力
Robo exo-suits to improve exercise
截肢患者辅助
Robotic thigh helps above-knee amputees
无人机
多旋翼机群-分散时空轨迹规划
2021 Decentralized Spatial-Temporal Trajectory Planning for Multicopter Swarms
https://arxiv.org/abs/2106.12481
https://arxiv.org/pdf/2106.12481.pdf
Decentralized Spatial-Temporal Trajectory Planning for Multicopter Swarms_哔哩哔哩_bilibili
结合增强现实-执行操作员意图的辅助空中遥操作
2022 GPA-Teleoperation: Gaze Enhanced Perception-aware Safe Assistive Aerial Teleoperation
https://arxiv.org/abs/2109.04907
https://arxiv.org/pdf/2109.04907.pdf
GPA-Teleoperation: Gaze Enhanced Safe Assistive Aerial Teleoperation_哔哩哔哩_bilibili
受限空间飞行轨迹优化
2021Geometrically Constrained Trajectory Optimization for Multicopters
https://arxiv.org/abs/2103.00190
https://arxiv.org/pdf/2103.00190.pdf
【Extended】Geometrically Constrained Trajectory Optimization for Multicopters_哔哩哔哩_bilibili
未知环境快速避障-飞行轨迹优化-混乱的未知环境下无人机的快速自主飞行实验，其中使用了能够鲁棒感知、重新规划的策略
2020 RAPTOR: Robust and Perception-aware Trajectory Replanning for Quadrotor Fast Flight
https://arxiv.org/pdf/2007.03465
港科大最新工作：无人机快速飞行中智能鲁棒感知和轨迹规划策略_哔哩哔哩_bilibili
群体机器人协作
2020 An overview of collaborative robotic manipulation in multi-robot systems
An overview of collaborative robotic manipulation in multi-robot systems - ScienceDirect
An overview of collaborative robotic manipulation in multi-robot systems - ScienceDirect
1.5其他参考
“十四五”机器人产业发展规划
http://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-12/28/5664988/files/7cee5d915efa463ab9e7be82228759fb.pdf
相关解读文章：
机器人十四五规划纲要来了，这些重点值得关注
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