高 协 余晓蔚 李亚军
张 晗 马丽华 余婷婷
刘 翔
1 引言
智能机器人（Intelligent Robot）的研发制造及应用，一直是人类的追求和梦想。Nature杂志2012年的New Year, New Science，展望了科学界的重大发现，6个“visionary”研究计划中就包括研制单身人士的机器人伴侣（robot companions）[1]。麦肯锡2013年的研究报告Disruptive technologies: Advances that Will Transform Life, Business, and the Global Economy对潜在12种改变未来的颠覆性技术进行了分析，其中一项为先进机器人技术（advanced robotics），该报告表明由于人工智能（artificial intelligence, AI）、机器人通信（robot communication）等技术的发展，未来的机器人将会更敏捷、更智能、更容易与人交流[2]。欧美、日本、中国等许多国家的政府也纷纷制定相应的发展战略计划，投入大量经费来研制智能机器人，美国启动了“国家机器人计划”（National Robotics Initiative, NRI），“先进制造伙伴计划”（Advanced Manufacturing Partnership, AMP），日本的“新机器人战略”（New Robot Strategy），欧盟的“地平线2020”（Horizon 2020）。中国也制定了相应的战略如《中国制造2025》，“十二五”发展规划等来推进机器人领域的研究与应用。一场“机器人革命”（Robot Revolution）正在全球范围内进行[3]。
1.1 智能机器人发展概述
美国机器人协会（Robotic Industries Association, RIA）认为：机器人是一种可编程和多功能的操作机。智能机器人则是在其基础上具备独立感知思考行动、接近人类智能的机器人。目前，关于智能机器人国际上没有统一定义，但是一般认为至少具有感觉要素、运动要素、思考要素三个要素。
美国是机器人的诞生地。1927年，美国制造了世界上第一部真正意义上的人形机器人Televox[4]。1969年，斯坦福研究院（Stanford Research Institute, SRI）首次采用了人工智能学研制出了智能机器人（Intelligent Mobile Robot）Shakey[5]，为智能机器人的研究揭开新的序幕，标志着智能机器人的研究正式开始[6]。1973年，ABB公司推出了世界上第一款微处理器控制的商业化工业智能机器人IRB 6[7]。智能机器人不仅在工业范围内得到了广泛的应用，在医疗、家庭服务等行业也飞速发展。1999年，SONY公司研制的AIBO机器狗不仅能够娱乐，还可以和主人沟通，这也是智能机器人首次作为娱乐应用到普通家庭[8]。2000年，日本本田公司首次研发出可以根据声音、手势等命令来从事相应的动作的人形机器人ASIMO[9]。2001年，浙江大学设计出国内第一个具有初步智能的自主吸尘机器人（intelligent dust-collecting robot）[10]。
智能机器人是未来新产业发展的基础之一，据全球机器人市场统计数据分析，2013年全球机器人工业销量达到178 132台；专用服务机器人销量达到了21 000台，总量比2012年增加了28%。预计到2017年，仅家庭服务机器人将达到2 390万台，随着社会老龄化的发展，面向老人与残疾人的护理机器人、康复机器人等智能机器人也将大幅度增长，未来20年服务机器人市场将会大幅度扩张[11]。因此，大力发展智能机器人对提高生产效率，提升服务质量、降低能源消耗，实现由“制造”向“智造”的转变具有重要意义。
1.2 智能机器人应用领域
随着科技的发展创新，智能机器人的应用已经从传统的工业领域，扩展到军事、探测、医疗、家庭服务等各个领域。智能机器人有着多种分类体系，根据中国自动化学会的2015年机器人产业发展报告[12]来看，常见的智能机器人有如图1所示这几种类别。
图1 智能机器人类别
1）工业领域
工业智能机器人（intelligent industrial robot）目前被广泛应用于汽车工业、物流等行业，它可以自动执行工作，依靠自身动力和控制能力来实现各种功能。其包括焊接机器人（welding robot）、搬运机器人（transfer robot）、装配机器人（assembly robot）、处理机器人（processing robot）等。根据国际机器人联合会（International Federation of Robotics, IFR）的数据，全球工业机器人的年均销售增长率为9%，中国工业机器人年均销售增长率达到25%，到2015年市场需求将达到4.5万台，大规模替代人工，成为规模最大的机器人市场。而随着控制技术及人工智能的发展，利用人工智能和网络技术，未来的工业机器人将会具有更高的智能。
2）军事领域
军用机器人包括无人侦察机（UAV）、无人攻击机（UCAV）、战斗机器人（battle robot）等，这些军用智能机器人未来将会成为国防装备中的亮点。例如IRobot公司研制的“Packbot”机器人在阿富汗战争中，就已经被投入使用。法国、意大利、西班牙等国研制的无人作战机“NEURON”，能够在无任何指令的情况下，独立完成飞行，并能自动校正[13]。伴随着科技的发展，未来的军用机器人将会拥有更高的智能，人与机器人，机器人与机器人之间将会更容易进行交互沟通，从而达到良好的协作配合，最终实现协同作战。另一方面，随着信息化、一体化的程度不断加深，军用机器人将涉及深海、太空、网络等新式战场。
3）探测领域
依靠探测和导航系统，智能机器人能够进行精准定位现场，并实时传回信息，可按照应用场所（太空、陆地、水下）分为三类。美国的“好奇号”火星探测机器人于2012年成功在火星表面登陆，并传回了拍摄到的照片[14]。美国宇航局喷气推进实验室（NASA’s jet propulsion laboratory, NASA/JPL）研究的HAZBOTⅢ移动机器人可以对危险陆地环境进行探测。伍兹霍尔海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution, WHOI）研制的水下机器人Nereus完成了10 902 m的深海探测[15]。随着人工智能的发展，未来的探测机器人的智能化程度将会越来越高，定位系统越精准，环境适应能力越强，探测能力也将会越来越优秀。
4）医疗领域
根据国际机器人联合会的分类，医疗机器人自身可以分为四个类别：诊断机器人、外科手术机器人、康复机器人（rehabilitation robot）及其他。利用机器人进行外科手术辅助可以精准定位，提高手术操作的可视性和精确性。美国Intuitive Surgical公司开发的达芬奇手术机器人（Da Vinci surgical robotic）是目前世界上应用最广、技术最先进的手术机器人，它能同时允许外科医生进行微创手术，还可以模仿外科医生的手部动作控制仪器[16]，康复机器人可以取代或协助人体的某些功能，从而在康复医疗过程中发挥作用，不仅可以促进临床康复治疗效果，还可以为病人的日常活动提供方便[17]。美国麻省理工机械学院研发的“MIT–Manus”机器人可用于神经康复治疗。医疗机器人能够操作准确、很好地适应外部复杂的环境，但如何提高机器人辅助手术的安全性和有效性，提高医疗机器人的智能性以及人性化都将是以后的研究重点。
5）家庭服务领域
主要包括清洁机器人、除草机器人、教育娱乐机器人、伴侣机器人等家庭服务的机器人。法国Robosoft公司推出的Kompai，可以给老人和残疾人给予照顾。东京大学IRT研究所和丰田汽车株式会社研究的家用机器人，可以进行如送餐具等一系列的家务劳动。当前家庭智能机器人虽然处于初步发展阶段，但受制于人类老龄化的加快，服务机器人将会快速发展。由于家用机器人的使用者是普通人，所以构建一个良好的人–机交互平台是关键；另一方面，现有的家用机器人控制方式单一，携带性差，使用成本高等，这也是将来家用机器人发展亟须解决的一个问题[18]。
2 主要国家发展战略要点
2.1 美国
20世纪60年代，美国首先发明了工业机器人并将其商业化。但当前绝大部分的工业机器人生产却是在亚洲和欧洲国家完成的。为了在全球制造业的竞争中占据有利位置，美国联邦政府近年来发布了多项战略和研究计划，力图加强先进机器人产业的发展。
2011年6月24日，美国总统奥巴马宣布启动了《先进制造伙伴关系》（Advanced Manufacturing Partnership, AMP）研究计划，其中“投资于下一代机器人”是联邦政府振兴制造业的关键步骤之一[19]。在该研究计划下，美国国家科学基金会（NSF）、美国国家航空航天局（NASA）、美国国立卫生研究院（NIH）和农业部（USDA）联合开展了“美国国家机器人计划”（National Robotics Initiative, NRI），并将提供高达7 000万美元的研究经费，用于支持“下一代机器人”的研发和应用[20]。自NRI计划启动以来，上述四个联邦部门对NRI计划进行了持续的经费投入，资助范围包括先进制造、民用及环境基础设施、卫生保健康复、军用及国家安全、空间及海洋探索、食品生产加工及物流、自理能力及生活质量提升、安全驾驶等多个主要应用领域。
2013年3月20日，由美国科学基金会（NSF）资助，佐治亚理工学院、卡内基梅隆大学、美国机器人技术联盟、宾夕法尼亚大学、南加州大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、华盛顿大学、麻省理工学院多个大学及研究机构联合完成了美国《机器人技术路线图：从互联网到机器人》（A Roadmap for U.S.Robotics: From Internet to Robotics）。该路线图阐述了机器人在制造、卫生保健与医疗机器人、服务应用、空间、国防五个领域的发展目标、关键挑战和未来研究方向等，强调了机器人技术在美国制造业、卫生保健等领域的重要作用，同时也描绘了机器人技术在创造新市场、新就业岗位和改善人民生活方面的潜力。
2015年，美国NRI计划发布了最新的项目征集[21]，并新增了美国国防部（Department of Defense）和国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency）两个合作伙伴，继续资助NRI计划的“直接支持个人与团体行为的协同机器人（co-robots）的实现”项目。此次项目征集重点关注能够与人类协同工作的下一代机器人，研究协同机器人的传感和感知技术、建模和分析、设计和材料、通信和接口、设计和控制、人工智能、认知和学习能力、算法和硬件，以及在人类活动各个领域的社会、行为和经济方面的应用，医疗保健、海洋、监控、矿产、家庭、农业和纳米机器人的研究，以及微型机器人、人形机器人、网络化多机器人团队、机器人操作系统（ROS）、外骨骼、假肢器官、装配流水线等特定平台和操作系统的研究。
2.2 欧盟
欧盟将机器人产业视为保持区域经济持续发展、提升地区核心竞争力的关键性产业[22]。在2007年至2013年实施的第七研发框架计划（FP7）中，欧盟直接向成员国内500多个科研组织的130个机器人研发项目提供了总计5.36亿欧元的资助[23]。2011年，欧盟委员会将未来信息分析模拟技术、石墨烯、纳米级传感器、人脑工程、医学信息技术和机器人技术评选为对未来影响最大的6项前沿技术[24]。2014年初，欧盟第八研发框架计划地平线2020（Horizon 2020）最终敲定，新一期计划将重点关注创新性和创造财富的研究，机器人研发亦被列为其中。欧盟对机器人技术的重视，由此可见一斑。
2013年10月，欧洲机器人协会（euRobotics）在地平线2020战略指导下发布了《机器人2020战略研究日程》（Robotics 2020 Strategic Research Agenda）。预计到2020年，欧盟范围内将有超过7.5万名正式员工从事工业型和服务型机器人的制造，超过140家企业以机器人制造为主营业务，由机器人及相关产业带来的GDP将达到800亿欧元。为应对未来全球范围内的机器人销售竞争，欧盟将建立协同创新机构、实现开放式创新和建立强大的组件市场作为战略目标。
2013年11月，欧委会在《地平线2020工作计划：2014—2015》（Horizon 2020-Work Programme 2014—2015）中指出，当前机器人研究的首要目标是在认知、人机交流、机电一体、导航、感应等技术领域解决一系列关键问题，提升机器人的适应、配置、决策、交流等性能，迅速提高工业型和服务型机器人的技术水平[25]。次年6月，欧委会联合欧洲机器人协会下的180个公司及研发机构共同启动了全球最大的民用机器人研发计划“SPARC”。根据该计划，双方将共同投资推动机器人在制造业、农业等领域中的研发和应用。“SPARC”计划的实施将有望在欧洲创造24万个就业岗位，推进欧盟机器人行业年产值增长至600亿欧元，将欧盟机器人所占全球市场份额提升至42%[26]。
2.3 英国
英国拥有发达的制造业，但其国内机器人保有量不高。据统计，日本每万名劳动者拥有235台机器人，而英国每万名劳动者仅拥有25台机器人[27]。这与英国在工业领域的诸多领先优势并不相符。2012年，英国财政大臣提出将机器人和自动系统（Robotics and Autonomous Systems，RAS）作为调整经济、创造就业、促进发展、支撑英国工业战略目标的八大战略性技术之一[28]。
2013年，英国技术战略委员会（Technology Strategy Board，TSB）成立机器人和自动系统特殊行业集团（Robotics and Autonomous Systems Special Interest Group, RAS-SIG）[29]。2014年，由TSB领导的RAS 2020计划向政府提出了以下战略建议：进一步加强对协作计划、资产、重大挑战、关键集群和关键技术等5个RAS战略要素的投资，培育英国在RAS方面的能力；为RAS基金会建立相关流程，促进创意、人才以及科研活动从基础研究阶段向前期论证阶段再向完全商业化阶段的快速转移；建立RAS领导委员会以加强工业界、学术界和政府之间高级领导层的联系，为战略提供独立的顾问并监督计划执行过程；进一步加强与欧盟、投资者、国内外企业资源之间的联系，促进这5个战略要素的发展；继续发展与标准和法规制定部门之间的对话，制定更详细的计划；向国际企业和投资者阐明，英国正争取成为RAS技术成果转化的最佳投资地[30]。
2014年8月，TSB更名为英国创新机构（Innovate UK），并联合皇家工程院（RAEng）、英国工程与自然科学研究委员会（Engineering and Physical Sciences Research Council, EPSRC）共同提出当前和未来的RAS行动计划，其中包括：英国创新机构与国防部联合向国防科技实验室（Defence Science and Technology Laboratory）投资500万英镑刺激海上自动系统的发展；EPSRC向机器人和自动系统及相关领域高水平研究提供4 000万英镑赞助；EPSRC投资1 000万英镑成立“自动-智能和连接控制”计划（Towards Autonomy-Smart and Connected Control），开发下一代无人驾驶交通工具；EPSRC组织建立RAS伙伴关系，邀请学者和博士后科研人员参与其中[31]。
2.4 日本
日本对机器人技术的重视由来已久。日本政府曾先后出台了一系列旨在推进机器人研发的产业规划，近年来更是将机器人产业列为本国经济增长的重要支柱[32]。
2013年6月，日本内阁发表《科学、技术和创新综合战略路线图》（Comprehensive Strategy onScience, Technology and Innovation Roadmap），机器人被视为促进医疗保健、维护基础设施、应对自然灾害、开发地方资源的重要手段之一。日本内阁提议将机器人技术与医疗、基建、救灾等领域中的现有技术融合，形成自动、实用、高效的问题解决方式。预计到2035年，日本国内护理辅助、诊断维护、灾害应对3种类型机器人的市场总值将达到9 200亿日元[33]。
2013年，日本经济产业省（Ministry of Economy, Trade and Industry，METI）推出以促进护理型机器人的开发、引进为目的专项工程（Project to Promote the Development and Introduction of Robotic Devices for Nursing Care）。为提高老年人的自理能力、减轻赡养者负担，工程将优先发展移动支撑设备、排泄支撑设备、老年性痴呆症患者监控设备、可穿戴式移动辅助设备及非可穿戴式移动辅助设备等5种机器人。该项目还将制定护理型机器人商业化所必需的一系列标准，建立有关安全标准制订、安全测试方法制订、风险评估、伦理审查的示范性条例[34]。
2015年2月，日本经济振兴指挥部（The Headquarters for Japan’s Economic Revitalization）发布《机器人新战略》（New Robot Strategy）。《战略》提出，为应对国内自然灾害频发、社会步入老龄化阶段、制造业竞争力下滑等问题，日本除了要推行社会、经济制度改革外，还要进一步推进技术层面的创新与应用，以机器人技术助推社会、经济发展。
经济振兴指挥部认为，实现机器人革命须以三大战略为核心：① 打造世界级的机器人创新基地。巩固机器人产业的培育能力，增加产、学、官合作，增加用户与厂商的对接机会，诱发创新，推进人才培养，研发下一代技术，开展国际标准化工作。② 发展世界领先的机器人应用社会。在日常生活各领域广泛使用机器人，在推进机器人开发的同时打造应用机器人所需的环境。③ 迈向领先世界的机器人新时代。在物联网时代，数据的高级应用形成了数据驱动型社会，所有物体都将通过网络互联，日常生活中将产生无数的大数据。为此要推进机器人相互联网，积极申请国际标准[35]。
2.5 中国
中国在国际科学技术发展趋势和国家重大需求的牵引下，也十分重视先进制造前沿技术的发展和机器人产业及其应用。从20世纪80年代起，我国出台多个科技计划或国家战略文件，对于机器人技术和产业发展的支持力度越来越大[36]。
2006年2月，国务院印发了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》，部署了一批具有前瞻性、先导性和探索性的重大技术，以提高我国高技术的研究开发能力和产业的国际竞争力。在先进制造技术领域，提出了“智能服务机器人”作为重点突破的前沿技术之一，需要“以服务机器人和危险作业机器人应用需求为重点，研究设计方法、制造工艺、智能控制和应用系统集成等共性基础技术”[37]。
2012年4月，国家科技部印发了《服务机器人科技发展“十二五”专项规划》，围绕国家安全、民生科技和经济发展的重大需求，将服务机器人产业定位为我国未来战略性新兴产业。该规划以“培育发展服务机器人新兴产业，促进智能制造装备技术发展”为目标，提出了“突破工艺技术、核心部件技术和通用集成平台技术”三大突破和“重点发展公共安全机器人、医疗康复机器人、仿生机器人平台和模块化核心部件”四大任务[38]。
2013年底，国家工信部印发了《关于推进工业机器人产业发展的指导意见》。该意见提出了“到2020年，形成较为完善的工业机器人产业体系，培育3 ～ 5家具有国际竞争力的龙头企业和8 ～ 10个配套产业集群；工业机器人行业和企业的技术创新能力和国际竞争能力明显增强，高端产品市场占有率提高到45%以上，机器人密度（每万名员工使用机器人台数）达到100以上，基本满足国防建设、国民经济和社会发展需要”的发展目标，并从主要任务和保障措施两大方面给予机器人产业发展的政策性指导[39]。
2015年5月8日，国务院正式印发《中国制造2025》，提出了中国制造强国建设三个十年的“三步走”战略，这是我国实施制造强国第一个十年的行动纲领。该规划就机器人领域，重点提出了“围绕汽车、机械、电子、危险品制造、国防军工、化工、轻工等工业机器人、特种机器人，以及医疗健康、家庭服务、教育娱乐等服务机器人应用需求，积极研发新产品，促进机器人标准化、模块化发展，扩大市场应用。突破机器人本体、减速器、伺服电机、控制器、传感器与驱动器等关键零部件及系统集成设计制造等技术瓶颈”，为我国机器人领域的未来发展指明了方向[40]。
继《中国制造2025》规划，今年国家“十三五”规划的制定也将给机器人领域的发展带来机遇。根据国家工信部透露消息称，《机器人产业“十三五”发展规划》已完成初稿，正处于修改完善阶段，有望在今年年底前发布[41]。该规划将提出今后五年中国机器人产业的主要发展方向，包括加强基础理论和共性技术研究、提升自主品牌机器人和关键零部件的产业化能力、推进工业机器人和服务机器人的应用示范、建立完善机器人的试验验证和标准体系建设等，以及实现在助老助残领域、消费服务领域、医疗领域等重点领域的示范应用，并开展核心零部件攻关、前沿共性技术研发、医疗康复机器人应用等重点工作。该规划的编制和出台将进一步对我国机器人领域的发展带来强大推动力。
上述主要国家或地区在机器人领域提出的重要的发展战略规划或相关项目，如表1所示。
表1 主要国家/地区近5年机器人发展战略规划
3 科学研究及技术发展全景展示
为全面了解机器人研究领域发展状况，从最近10年间（2005—2015）发表的SCIE期刊论文、CPCI–S会议论文和专利申请数量两方面进行数据统计和定量分析，检索策略详见3.5。期刊论文选取SCIE近10年所有题名含有robot*的论文，共计28 015篇。
会议论文选取CPCI–S近10年所有题名含有robot*的论文，共计34 862篇。
专利数据选取德温特数据库近10年所有题名含有robot*的专利，共计48 911件。后续利用专利申请数量进行主题分析，利用发明专利申请数量进行国家和机构分析。
3.1 领域发展概况
1）年度分布
考察机器人领域科学研究的总体趋势，以发表期刊和会议论文数量的年度分布情况揭示科学研究发展趋势。图2和图3分别展示了近10年机器人领域SCIE期刊论文年度分布及其生命周期，期刊论文产出量呈稳健增长趋势，发文数量和作者数量的比值稳定，说明机器人领域正处于成长期。图2同时也揭示了CPCI–S会议论文年度分布情况，2005—2009年会议论文产出量稳步攀升，2010—2012年出现大幅跌落，2011年会议论文产出量更是跌至谷底，经2012—2013年短暂回升后，2014年会议论文产出量又急剧下降。分析其原因，论文产量较大的IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO)、IEEE International Conference on Mechatronics and Automation(ICMA)等会议2010年、2011年和2014年未被CPCI–s收录。
图2 机器人领域期刊和会议论文产出年度分布图
图3 机器人领域期刊论文生命周期
2）国家总体分布
本节以期刊和会议论文产出数量来表征国家研究实力。如图4所示，SCIE期刊论文高发文Top 10国家与CPCI–s会议论文高发文Top 10国家完全重合。从期刊论文上看，美国处于绝对领先地位，发文8 600余篇；中国位居第二，发文量2 400余篇，不足美国三分之一；韩国、日本、意大利和英国以较为接近的发文量紧随其后。从会议论文上看，中国、美国和日本位居前三甲；中国以微弱的优势占据榜首。综合两者来看，机器人领域美国霸主地位不容动摇，中国和日本表现活跃，具有较强的竞争力。
选取五个重点关注国家，分析其期刊论文年度分布趋势，如图5所示。美国起步略早于其他国家，经过2005—2006年和2008—2012年两次快速发展后，目前似乎已经步入成熟期，产量基本维持在1 000篇/年。中国在机器人领域可谓后起之秀，2005—2008年维持小幅增长，2008年之后大放异彩，从趋势上看，中国正在步入高速发展时期。日本、英国和德国年度分布曲线相对平坦，尤其是日本，发文量始终保持在150篇/年左右，未见大幅度变化。
图4 机器人领域期刊和会议论文产出Top10国家分布图
图5 机器人领域期刊论文Top5国家年度分布趋势图
3）国家影响力
本节以发文百分比和被引频次百分比来表征高发文Top10国家影响力。期刊论文方面，由图6可知，在机器人领域美国论文被引频次百分比明显高于发文百分比，说明在此领域美国具有强大的综合实力；同样意大利和德国也具有较高的影响力；法国和加拿大被引频次百分比与发文百分比几乎相当，说明其论文产出能够保持质与量的均衡发展；其他五国被引频次百分比明显低于发文百分比，中国尤为突出，在论文被引影响力方面和美国差距较大。这种差距在会议论文上表现更为明显，如图7所示，美国发文量略低于中国的情况下，被引频次达到中国被引频次的6倍之多。可见中国学者应该注意提升论文质量及其业界影响力。
图6 机器人领域期刊论文产出Top10国家百分比图
图7 机器人领域会议论文产出Top10国家百分比图
4）学科分布
本节考察机器人领域总体以及高发文Top10国家论文的Web of Science学科分布情况。
机器人领域期刊论文按Web of Science学科进行分类，如图8所示。机器人领域期刊论文学科分布较为均衡，机器人学、泌尿学/肾脏学各占20%左右，此外自动化与控制系统、人工智能、外科各占10%左右，由图9国家和地区期刊论文技术领域分布图可以看出，泌尿/肾脏学科发文主要集中在美国，说明在美国医疗机器人属研究热点，而反观中国，对此关注度不高。
机器人领域会议论文按Web of Science学科进行分类，如图10所示。机器人、电子电气工程、自动化与控制系统、人工智能4个学科占据主导位置，医学相关学科未能进入到发文百分比前八位，说明会议论文与期刊论文关注点有所不同。从国家和地区论文技术领域分布来看（见图11），各国发文在上述4个学科分布比较均衡。
图8 机器人领域期刊论文学科分布图
图9 国家和地区期刊论文技术领域分布图
图10 机器人领域会议论文学科分布图
图11 国家和地区会议论文技术领域分布
3.2 主题分析
为考察机器人研究领域的热点主题、新兴主题，了解其发展动态，应用CiteSpace对2005—2015年间期刊论文、会议论文及申请专利中出现的主题词进行共现和聚类分析。
3.2.1 期刊论文主题分析
1）热点主题分析
利用CiteSpace对28 015条SCIE期刊论文数据进行主题词的共现可视化分析，运行得到主题共现可视化图谱，如图12所示。
图12 机器人领域期刊论文近10年主题共现可视化图谱[42]
图12中每个正方形的节点代表从文献中提取的名词短语（term），节点的大小代表该短语出现频次的多少。其中，高频和高中心度[43]主题反映了机器人研究的热点，将热点主题分类归纳如表2所示。可见，机器人近10年的研究热点主要集中在医疗领域的应用研究。
表2 机器人领域期刊论文近10年研究热点分类归纳表
利用CiteSpace对SCIE期刊论文主题词进行聚类分析，从中挖掘机器人研究的集中热点领域。根据聚类结果的模块度和相似性数据，可以看出机器人包含的研究领域比较清晰，但领域内的研究主题比较笼统宽泛、可拓展性强。
机器人研究的热点领域共有4个聚类，每个聚类的详细信息总结如下：
（1）0号聚类 围绕机器人应用于前列腺等疾病治疗的研究，平均年份是2005年，包含关键词有：前列腺疾病（prostate, prostatectomy, prostate cancer, radical prostatectomy,assisted radical prostatectomy）、癌症（cancer）、腹腔镜检查（laparoscopy）、无病生存期（disease-free survival）等。
（2）1号聚类 围绕机器人技术及原理研究，平均年份是2005年，包含关键词有：神经式网络（neural network）、强化学习（reinforcement learning）、机器人控制（robot control）、鲁棒控制（robust control）、机械手（robot manipulator）、视觉伺服（visual servoing）等。
（3）2号聚类 围绕机器人应用于各种外科手术及病症的研究，平均年份是2008年，包含关键词有机器人外科手术（robotic surgery）、直肠癌（rectal cancer）、病态肥胖症（morbid obesity）、子宫内膜癌（endometrial cancer）、腹腔镜手术（laparoscopic surgery）等。
（4）3号聚类 围绕工业机器人及其技术原理研究，平均年份是2005年，包含关键词有：力控（force control）、阻抗控制（impedance control）、工业机器人（industrial robots）、机器人细胞注射（robotic cell microinjection）、基于模型的控制（modelbased control）、被动关节摩擦（passive joint friction）等。
综上所述，机器人研究的集中热点领域主要围绕着机器人在医疗领域的应用、包含工业机器人在内的机器人技术及原理两方面。
表3 机器人研究热点领域聚类详细信息表
①TF–IDF（term frequency-inverse document frequency），基于词频和逆向文本频率算法，常用加权技术，有效过滤常见的词而保留重要的词。
②LLR（Log-Likelihood Ratio），对数似然比算法，根据概率密度函数决定最大可能性，找出最有可能的词。
（续表）
通常，某一领域的研究热点可通过对一定时间内，具有内在联系、数量相对较多的一组文献所共同探讨的问题来发现，即引文聚类。对28 015条SCIE期刊论文进行引文聚类，得到图13所示结果。根据聚类结果的模块度和相似性数据，可以看出机器人包含的研究领域比较清晰，但领域内的研究主题稍微笼统宽泛、可拓展性强。
根据聚类结果，选取聚类文献数最多的前5个代表性聚类为机器人领域学者关注的热点。通过深入分析用以标识聚类的关键词并结合构成聚类的引文及聚类文献的施引文献，对机器人领域学者关注的热点总结如下：
（1）0号聚类 围绕机器人应用于前列腺等疾病治疗的研究，平均年份是2004年，包含关键词有前列腺疾病（prostate,prostatectomy, radical prostatectomy, prostate cancer, prostatic neoplasm）、尿失禁（urinary incontinence）、循证医学（evidencebased medicine）等。
图13 机器人领域期刊论文近10年引文聚类图[44]
（2）1号聚类 围绕机器人应用于肾脏等疾病治疗的研究，平均年份是2008年，包含关键词有缺血（ischemia, warm ischemia）、机器人辅助部分切除手术（robot-assisted partial nephrectomy）、肾部疾病（renal cell carcinoma, kidney cancer）、腹腔镜部分切除手术（laparoscopic partial nephrectomy）、微创外科（minimally invasive）等。
（3）2号聚类 围绕机器人应用于子宫等疾病治疗的研究，平均年份是2007年，包含关键词有分期手术（staging surgery）、子宫疾病及手术治疗（radical hysterectomy, cervical cancer, uterine cancer）、腹腔镜检查（laparoscopy）等。
（4）3号聚类 围绕机器人应用于肾及输尿管等疾病治疗的研究，平均年份是2001年，包含关键词有肾盂输尿管连接部梗阻（ureter, ureteropelvic junction, ureteropelvic junction obstruction）、腹腔镜检查（laparoscopic）等。
（5）4号聚类 围绕机器人应用于直肠结肠等疾病治疗的研究，平均年份是2008年，包含关键词有：直肠（rectal）、直肠癌（rectal cancer）、全直肠系膜切除术（total mesorectal excision）、结肠切除术（colectomy）、结肠直肠（colorectal）、达芬奇机器人（da vinci robot）等。
可见，机器人领域学者关注的热点主要围绕着医疗领域，具体涉及了前列腺、肾脏、子宫、肾及输尿管、直肠结肠等疾病的机器人外科手术的治疗。
2）新兴主题分析
利用CiteSpace提供的词频探测技术，通过考察词频的时间分布，将其中频次变化率高的词（burst term）从大量的主体词中探测出来，依靠词频的变动趋势，而不仅仅是频次的高低，来确定前沿领域和发展趋势。所以在这里，我们认为爆发性（burst值）高的关键词可以代表技术前沿领域。
对SCIE期刊论文抽取的主题词进行爆发性检测，检测到33个爆发性主题词，从中筛选近3年涌现的爆发性增长的主题（见表4）总结如下：
近3年爆发性增长的新兴主题主要有：系统综述（systematic review）、经口腔机器人手术（transoral robotic surgery）、机器人辅助部分切除手术（robot-assisted partial nephrectomy）、机器人甲状腺切除手术（robotic thyroidectomy）等。这些主题揭示了机器人领域的研究前沿。
表4 机器人领域期刊论文近3年爆发性主题列表
3.2.2 会议论文主题分析
1）热点主题分析
利用CiteSpace对34 862条CPCI–S会议论文数据进行主题共现可视化分析，设置参数同期刊论文主题分析部分，运行得到主题共现可视化分析网络知识图谱，如图14所示。
图14 机器人领域近10年会议论文主题共现可视化图谱[45]
其中，高频和高中心度主题反映了机器人研究的热点主题，将热点主题分类归纳如下（见表5）。可见，会议论文近10年机器人的研究热点与期刊论文有所不同，主要集中在工业等领域和机器人关键技术及原理的研究。
表5 机器人领域近10年会议论文研究热点分类归纳表
2）新兴主题分析
对CPCI–S会议论文抽取的主题词进行爆发性检测，检测到22个爆发性主题词，如表6所示，总结如下：
大量的主题词集中在2012年左右出现爆发性增长，近3年爆发性增长的新兴主题主要有：机器人部分切除手术（robotic partial nephrectomy）、机器人辅助根治性前列腺切除手术（robot-assisted radical prostatectomy, radical prostatectomy,robot-assisted laparoscopic radical prostatectomy）、体感机器人（kinect）、component、机器人外科手术（robotic surgery）、机械手（robotic arm）、肿瘤（oncological outcomes）、放射外科治疗机器人（robotic radiosurgery）、机器人妇科手术（robotic sacrocolpopexy）、软机器人（soft robot）、外科手术机器人（surgical robot）等。可见，用于医疗领域的外科手术机器人，以及用于其他领域的体感机器人、软机器人等主题是近3年爆发性增长的主要前沿研究。
表6 机器人领域会议论文近3年爆发性主题列表
3.2.3 专利主题分析
因机器人应用范围非常广，无法用专利分类号来进行限定，因此仅以主题为robot*进行检索，时间范围为：2005—2015，在DII数据库中检索到48 911条记录。为获得更多的分析字段，将德温特入藏号导入带TI数据库中，得到47 880个同族专利，其中发明专利39 373个，一下针对申请的47 880个同族专利进行分析。
采用国际专利分类号（International Patent Classification）作为技术分类的依据，对全球机器人领域专利申请技术领域布局进行分析，分别基于IPC的大类作为统计单元，列出机器人领域的专利技术类别。分析中共得到126个类别，可见机器人技术的应用范围之广。
为简化分析过程，列出专利申请数量IPC分类的Top10，如图15和表7所示。从中我们可以看到，在机器人领域中，专利申请数量最多的类别是“手动工具；轻便机动工具；手动器械的手柄；车间设备；机械手”（B25），其次是“控制；调节”（G05）。从其分布的应用领域看，机器人技术更多地应用在机械、测量、医学、电气、运输等各种领域。
图15 机器人领域专利申请数量Top10 IPC分类图
表7 机器人领域专利申请数量Top10 IPC分类对照表
（续表）
利用CiteSpace对专利文献进行主题分析，得到图16。将热点主题加以整理，归纳如下：
机器人部位名称 机械手臂（robot arm, mechanical arm），机器手（robot hand）等。
机器人类别 工业机器人（industrial robot），移动机器人（mobile robot），焊接机器人（welding robot）等。
图16 机器人领域专利文献主题分布图[46]
机器人应用部件 控制器（control unit, control device），连杆（connecting rod），旋转轴（rotating shaft），从动轴（output shaft），主体（main portion, main body），上端（upper end），伺服马达（upper end），末梢执行器（end effector），驱动马达（driving motor），机架（machine frame）等。
其他 机器人系统（robot system），新型（utility model,new type），行走机制（walking mechanism），蓄电池组（machine frame），存储电能（storing electric energy），工作效率（working efficiency）等。
对机器人领域抽取的主题词进行爆发性检测，将Top 20近10年的爆发性主题词列出如表8所示，其中近3年出现的爆发性主题词代表了研究前沿，即表中最后一列最近三年标注红色的主题词，包括机械臂（machinery arm）、简单结构（simple structure）、机械手（machinery hand）、生产效率（production efficiency）、劳动强度（labour intensity）、工作效率（working efficiency）等。
表8 机器人领域近10年爆发性主题Top 20列表
（续表）
3.3 研究成果分析
为考察机器人研究领域的关键研究成果，了解这些关键成果的研究内容，应用CiteSpace对2005—2015年间SCIE期刊论文的引文进行分析，发掘领域内学者关注的热点文献和新兴文献。其中，热点文献通过领域内被引频次和中心度两方面来分析；新兴文献通过爆发性来分析。
利用CiteSpace对28 015条SCIE期刊论文数据进行引文网络可视化分析，运行得到引文可视化分析网络知识图谱，如图17所示，分别从机器人领域内被引频次、中心度、爆发性三方面来挖掘关键文献。
2005—2015年内机器人领域内被引频次排名前20或中心度大于0.1的文献有4篇，如表9所示，领域内被引频次高的文献揭示了学者关注的热点文献；中心度高的文献与领域内其他文献联系（共被引）紧密，揭示了机器人领域研究的中心与知识的转折。这4篇文献主要是概率机器人学方面的图书以及3篇机器人辅助外科手术相关的医疗领域文献。
对文献的爆发性进行检测，共检测到171篇高爆发性文献（见图17中红色节点），即同领域被引频次出现急剧增长的文献，其中近3年被引频次出现爆发性增长的文献有12篇，如表10所示，这12篇文献主要研究了机器人辅助外科手术等医疗领域应用问题。
图17 机器人领域引文网络可视化图谱
表9 机器人领域近10年领域内文献被引频次或中心度排名前四列表
表10 机器人领域近3年被引频次爆发性增长文献排名前十二列表
3.4 主要国家/地区科技实力分析
本节以期刊论文国家/地区发文网络来表征国家/地区合作关系，以发明专利申请数量表征技术实力。
3.4.1 国家/地区发文网络
利用CiteSpace对SCIE期刊论文进行国家/地区发文网络分析，共有24 437条记录有效被纳入分析，得到图18所示结果。图中未检测出中心度高的国家/地区，可见研究机器人领域的国家/地区合作关系并不显著。
图18 机器人领域近10年国家/地区发文网络图谱[47]
3.4.2 专利国家/地区分布
通过图19及表11中可以看到，从发明专利数量上来说，日本处于第一位，其次是中国，韩国、美国、德国紧随其后，法国、中国台湾、俄罗斯、意大利、瑞典的发明专利数量相比前5个国家/地区来说有显著下降；从发明专利Top 5国家的年度分布趋势来看（见图20），日本、韩国、美国、德国近10年的分布趋势基本一致，呈现平缓态势；而中国10年来则一直处于快速上升的趋势，可以说机器人技术在中国得到了长足的发展。由于专利从申请到公开要经历2 ～ 3年的时间，所以2014年至2015年的数据不做分析。
对比各个国家/地区的发明专利数量及引用情况，可以看到，美国发明专利数量居于第四位，引用总量却均处于第一位，篇均被引次数更是遥遥领先于其他国家，是创新能力最强的国家；日本的发明专利数量处于第一位，引用总量居于第二位，也是创新能力较强的国家；中国的发明专利数量及引用总量分居第二位和第三位，创新能力亦可圈可点。
图19 机器人领域发明专利数量Top 10国家/地区分布图
图20 机器人领域发明专利数量Top 5国家年度趋势图
3.5 主要机构竞争力分析
机构竞争力主要包括研究实力和技术实力两方面。其中，研究实力包括研究活跃度、研究影响力和合作关系三方面，研究活跃度以期刊论文数量、发文百分比、机构爆发性来表征，研究影响力采用总被引次数、篇均被引次数及被引频次百分比来表征，以机构发文网络表征机构间的合作关系；技术实力包括技术活跃度和技术影响力两方面，技术活跃度以发明专利申请和授权数量来表征，技术影响力以发明专利总被引次数来考察。
表11 Top 10国家/地区专利申请及引用情况表
3.5.1 机构分布
1）机构总体分布情况
整理全球SCIE期刊论文产出排名前20的机构（以下简称Top 20机构）数据，如表12所示。发文和引用排名最高的机构主要来自欧美发达国家的高校、研究机构和医疗机构。韩国延世大学作为亚洲机构跻身前列，美国加州大学系统以561篇领跑全球，上海交通大学位居第11。
以美国为首的欧美发达国家机构被引总量和篇均被引次数普遍高于亚洲国家，美国麻省理工学院以23次/篇的篇均被引次数遥遥领先于其他机构。
表12 Top 20机构发文量与被引次数表
图21采用发文和被引频次百分比数据，给出了更直观的展示。以美国为首的欧美发达国家机构被引频次百分比大部分都超过发文百分比，而包括中国在内的亚洲地区机构被引频次百分比均低于发文百分比，上海交通大学和中国科学院的发文数量百分比和被引频次百分比差距尤为显著。综上所述，以美国为首的欧美发达国家的影响力明显强于其他地区，也表明包括我校在内的亚洲机构的发文量和影响力发展极度不均衡，其业界影响力有待提高。
图21 Top 20机构发文量与被引次数百分比图
2）机构年度分布情况
图22展示了发文量靠前的5所机构近10年发展趋势。总体来看，美国加州大学系统虽有略微波动但基本呈缓慢增长，美国克利夫兰医学中心基本处于增长趋势，尤其在2012年发文量最高（呈爆发性增长），其他3所机构都呈现出持续增长之势。
图22 发文量Top 5机构论文产出近10年分布图
3.5.2 机构发文网络
利用CiteSpace对SCIE期刊论文进行机构发文网络分析，得到图23所示结果。图中未检测出中心度高的机构，可见研究机器人领域的机构合作关系并不显著。
对机构发文情况进行爆发性检测（见图23中红色节点），检测到近3年爆发性较高的机构共13个，如表13所示。其中，包括华南理工大学、北京航空航天大学、哈尔滨工程大学等在内的中国高校均位居爆发性机构前列，上海交通大学虽未呈现出爆发性增长，但近10年发文量基本呈现增长趋势（见图24），说明国内高校近年来愈发关注机器人领域的研究，并有持续增长之势。
图23 机器人领域近10年机构发文网络图谱[48]
图24 上海交通大学机器人领域发文量趋势图
表13 机器人领域近3年爆发性机构列表
3.5.3 专利机构分析
从图25和表14中看到，机器人领域中发明专利数量最多的机构依次为韩国三星电子有限公司（SAMSUNG ELECTRONICS CO LTD）、日本安川电机公司（YASKAWA ELECTRIC CORP）、日本精工爱普生公司（SEIKO EPSON CORP）、日本本田汽车公司（HONDA MOTOR CO LTD）、韩国LG电子公司(LG ELECTRONICS INC）。从发明专利数量来看，日本在这个领域发展迅猛，Top 10机构中，有7家为日本公司，其余3个机构分别属于韩国和美国。授权发明专利数量的趋势基本与发明专利数量的趋势一致。从篇均被引次数来看，美国直觉外科手术公司（INTUITIVE SURGICAL OPERATIONS）遥遥领先。
图25 发明专利数量Top 10机构分布图
表14 Top 10机构发明专利数量及引用情况表
4 发展建议
通过对智能机器人领域的全球发展态势分析可以看到：
智能机器人技术是当今全球关注的热点和科技发展的重要方向，甚至是改变未来的颠覆性技术之一。欧美以及亚洲地区国家纷纷将智能机器人的研究与应用纳入国家级战略，相继制定和出台了机器人领域的专项发展规划或路线图。当前，智能机器人的研究与应用已经从传统的工业领域，逐渐扩展到军事、探测、医疗、家庭服务等多个领域。仿人机器人、情感机器人、纳米机器人、软体机器人、云机器人等新兴的机器人研究热点也将成为未来机器人领域的攻克方向。
4.1 加强智能机器人领域研究，提升科技全球影响力
从机器人领域的科学研究情况分析，近10年全球机器人领域的学术研究发展强劲，科技文献量呈现稳健上升趋势。美国在该领域的SCIE期刊论文发文量位居全球首位，会议论文发文量也名列前茅，而且论文被引频次较高，反映了美国在机器人领域的强大研究实力和影响力。中国在该领域的科学研究近年来表现非常活跃，SCIE期刊论文发文量位居全球第二，会议论文发文量甚至跃居第一。日本在该领域也具有较强的竞争力，SCE期刊论文和会议论文的发文量均名列前茅。
虽然中国在机器人领域的科学研究正处于高速发展时期，但也存在发文总量仍然低于美国、科技文献被引频次不高的问题，说明我国在机器人领域的科学研究上，仍需要加大科研力量并重视提升科技文献质量，从而提高机器人领域研究的全球影响力。
4.2 重视智能机器人技术研发，提升科技原始创新力
从机器人领域的专利情况分析，近10年全球机器人领域的技术研发实力增长，发明专利数量逐年上升。日本在该领域的发明专利数量位居全球首位，其次为中国、韩国、美国、德国。从专利引用情况来看，美国在该领域的专利被引总量最高，日本次之，随后是中国和韩国。从发明专利数量的年度分布趋势来看，中国在近10年处于快速上升阶段，说明机器人技术在中国得到了长足的发展。但相较于欧美国家以及亚洲地区的日本，我国仍然需要在智能机器人领域加大研发力度，重视发明专利的申请与质量，进一步提升科技原始创新力。
4.3 关注机器人在医疗领域和工业领域的应用研究
通过机器人领域SCIE期刊论文和会议论文涉及的主题分析可知，近10年机器人领域的研究热点主要集中在机器人在医疗领域的应用，以及包含工业机器人在内的机器人技术及原理两大方面。围绕机器人在医疗领域的应用，学者们关注的研究热点具体涉及前列腺、肾脏、子宫、肾及输尿管、直肠结肠等疾病的机器人外科手术的治疗。近3年呈现爆发性增长的主题有：经口腔机器人手术、机器人辅助部分切除手术、机器人甲状腺切除手术、放射外科治疗机器人、机器人妇科手术等。围绕工业机器人等其他领域的机器人技术，近3年呈现爆发性增长的主题有：体感机器人、机器人组件、机械手、软机器人等。此外，通过机器人领域的专利主题分析，近3年呈现爆发性增长的主题有：机械臂、简单结构、机械手、生产效率、劳动强度、工作效率等。这些主题在一定程度上反映了当前机器人领域的研究前沿，值得我国持续关注和跟进。
4.4 加强智能机器人领域国际交流与机构合作
通过机器人领域SCIE发文机构分析可知，欧美国家高校、研究机构和医疗机构的发文量和引用量较高。美国加州大学系统位居全球发文量首位，其次为美国克利夫兰医学中心、韩国延世大学、法国国家科学研究院、哈佛大学、佛罗里达州立大学、康奈尔大学、约翰· 霍普金斯大学、伦敦大学和麻省理工学院。上海交通大学在机器人领域的发文也表现出色，位居全球第11位。中国科学院紧随其后，位居全球第14位。除了这些全球排名前列的高校和科研机构之外，还有一些高校和研究机构在近3年表现活跃，如意大利理工学院、韩国蔚山大学等，尤以中国高校居多，包括华南理工大学、北京航空航天大学、哈尔滨工程大学、北京理工大学、中山大学、东南大学。这反映了中国近年来国内高校对智能机器人领域的研究愈发重视，并呈现持续增长的势头。
而在机器人领域的发明专利方面，韩国三星电子有限公司、日本安川电机公司、日本精工爱普生公司是发明专利数量最多的前三位机构。从发明专利的引用情况来看，美国直觉外科手术公司的发明专利备受领域内的关注，其被引总量及篇均被引次数都远高于其他机构。
这些研发实力处于世界顶尖水平的高校、研究机构、医疗机构及企业，都是我国开展智能机器人领域国际交流与合作重要对象，有利于提升智能机器人研发国际化水平和影响力。
5 附录
数据来源：期刊论文数据来自Science Citation Index Expanded (SCIE)；会议论文数据来自Conference Proceedings Citation Index-Science (CPCI–S)；专利数据来自Derwent Innovations Index。
时间范围：2005.01.01—2015.10.28。
检索策略：见附表1。
附表1 机器人研究领域检索策略
附表2 图12机器人领域期刊论文近10年主题共现可视化图谱中英文对照表
（续表）
附表3 图13机器人领域期刊论文近10年引文聚类图中英文对照表
（续表）
附表4 图14机器人领域近10年会议论文主题共现可视化图谱中英文对照表
（续表）
附表5 图16机器人领域专利文献主题分布图中英文对照表
（续表）
附表6 图18机器人领域近10年国家/地区发文网络图谱中英文对照表
（续表）
附表7 图23机器人领域近10年机构发文网络图谱中英文对照表
（续表）
【注释】
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[39]工信部发布《关于推进工业机器人产业发展的指导意见》［EB/OL］.［2015–08–17］.http://www.zjjxw.gov.cn/zwgk/tzgg/wjtz/2014/01/03/2014010300022.shtml.
[40]国务院关于印发《中国制造2025》的通知［EB/OL］.［2015–08–17］.http://www.gov.cn/zhengce/content/2015-05/19/content_9784.htm.
[41]工控特别策划（一）：“十三五”规划前瞻之机器人篇［EB/OL］.［2015–08–17］.http://www.gkzhan.com/news/detail/dy58336_p1.html.
[42]图12机器人领域期刊论文近10年主题共现可视化图谱中英文对照表，详见附表2。
[43]中心度：Betweenness centrality，节点的中心度是指网络中所有最短路径通过该点的比例，中心度高的节点在网络中起到了桥梁作用。
[44]图13机器人领域期刊论文近10年引文聚类图中英文对照表，详见附表3。
[45]图14机器人领域近10年会议论文主题共现可视化图谱中英文对照表，详见附表4。
[46]图16机器人领域专利文献主题分布图中英文对照表，详见附表5。
[47]图18机器人领域近10年国家/地区发文网络图谱中英文对照表，详见附表6。
[48]图23机器人领域近10年机构发文网络图谱中英文对照表，详见附表7。
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