學(xué)術(shù)前沿：“共融機(jī)器人”， 增強(qiáng)與作業(yè)環(huán)境、人及其他機(jī)器人之間交互能力

學(xué)術(shù)前沿：“共融機(jī)器人”， 增強(qiáng)與作業(yè)環(huán)境、人及其他機(jī)器人之間交互能力

來源：中國(guó)科學(xué)報(bào)

【匠領(lǐng)導(dǎo)讀】作為2018年“世界機(jī)器人大賽——共融機(jī)器人挑戰(zhàn)賽”的參賽作品之一，一只大型“甲殼蟲”正在行走，下蹲、前進(jìn)、倒退、越障、上下樓梯一系列動(dòng)作行云流水，科技感十足。

據(jù)科研人員介紹，這臺(tái)由上海交通大學(xué)智能行走作業(yè)機(jī)器人研究中心研發(fā)的“探測(cè)救援六足行走作業(yè)機(jī)器人”能在復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行作業(yè)任務(wù)，可用于災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)偵查、危化品探測(cè)、滅火等場(chǎng)景。

比賽現(xiàn)場(chǎng)，和這只“甲殼蟲”競(jìng)爭(zhēng)的還有綠色消毒機(jī)器人、仿生機(jī)器魚、仿鴕鳥雙足機(jī)器人等，他們都有一個(gè)共同的特點(diǎn)——共融。此次比賽專家委員會(huì)主任、中科院院士丁漢向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者表示：“更加聰明、體貼、能干的共融機(jī)器人將引領(lǐng)我們走進(jìn)未來生活。”

更聰明、更體貼、更能干

目前，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)歷經(jīng)模仿人類運(yùn)動(dòng)行為、模仿人類智力行為兩個(gè)階段。在科學(xué)家們看來，模仿人類社會(huì)行為與環(huán)境、人和其他機(jī)器人進(jìn)行交互和協(xié)作，機(jī)器人將迎來第三個(gè)階段。“共融機(jī)器人”的概念應(yīng)運(yùn)而生。

依托“共融機(jī)器人基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”重大研究計(jì)劃（以下簡(jiǎn)稱重大研究計(jì)劃），國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱基金委）舉辦了此次比賽，共設(shè)置了共融機(jī)器人仿真、機(jī)器人創(chuàng)新路演和機(jī)器人青年創(chuàng)意三個(gè)獨(dú)立賽事，吸引了來自華中科技大學(xué)等50余家單位的78支隊(duì)伍、近300位參賽選手參與。

基金委副主任謝心澄院士在比賽開幕式上致辭表示，希望通過比賽帶動(dòng)相關(guān)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流，共同提升我國(guó)機(jī)器人研究的整體創(chuàng)新能力和國(guó)際地位。

在比賽現(xiàn)場(chǎng)，一臺(tái)鴕鳥樣貌的機(jī)器人展示了機(jī)器人—環(huán)境共融方面的新技能。吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究人員在三個(gè)月時(shí)間內(nèi)研發(fā)成功這只“鴕鳥”。記者看到，當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)入其攝像頭的監(jiān)控視野時(shí)，它將上傳視野錄像到手機(jī)或電腦端。它還會(huì)根據(jù)不同編號(hào)傳感器的反饋值，判斷地面情況調(diào)整步態(tài)、保持平衡。研究人員表示，這臺(tái)鴕鳥機(jī)器人獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和共融特性將在野外勘探、災(zāi)后救援及深空著陸等領(lǐng)域有所作為。

當(dāng)前，作為“共融機(jī)器人”概念的提出者，中國(guó)學(xué)者已在一些領(lǐng)域取得了可喜進(jìn)展。“比如大型曲面加工需要機(jī)器人能夠跟隨曲面輪廓進(jìn)行作業(yè)，這對(duì)機(jī)器人精度要求很高。”丁漢表示，“不久的將來，我國(guó)高鐵制造將用上機(jī)器人‘能工巧匠’。”

未來可期

共融機(jī)器人正在給人們的生活帶來革命性的變化，這讓科學(xué)家們充滿期待。

近年來，北京大學(xué)工學(xué)院教授王啟寧帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展了智能假肢的設(shè)計(jì)與控制及基于多傳感器融合的人體運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別研究。“在穿戴者行走的關(guān)鍵階段，假肢能提供主動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種地形的主動(dòng)適應(yīng)。”王啟寧在此次共融機(jī)器人挑戰(zhàn)賽期間展示了他們研制的一款具有可控剛度和力矩的智能動(dòng)力下肢假肢。

中國(guó)北方車輛研究所正在致力于智能車的研發(fā)。該所所長(zhǎng)曹暉向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者介紹，遙控、伴隨、規(guī)定路線、自主規(guī)劃反映智能車“智能”的四個(gè)等級(jí)。“目前，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能車第四個(gè)等級(jí)，也就是說，規(guī)定好起點(diǎn)和目的地，我們研發(fā)的智能車就能按照自主規(guī)劃的路線行駛到終點(diǎn)。”他說。

在不遠(yuǎn)的將來，依靠更成熟的云計(jì)算、路網(wǎng)及汽車智能終端建設(shè)，普通人也能用上智能汽車。

重大研究計(jì)劃奠定基礎(chǔ)

為了促進(jìn)我國(guó)共融機(jī)器人的基礎(chǔ)研究，在中國(guó)科學(xué)院院士丁漢、楊學(xué)軍和中國(guó)工程院院士鄭南寧等專家的建議下，2016年，基金委啟動(dòng)了該重大研究計(jì)劃，這是我國(guó)機(jī)器人領(lǐng)域首個(gè)重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃。

“和傳統(tǒng)機(jī)器人相比，共融機(jī)器人在機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)、傳感和控制方面都有顯著差別。”丁漢表示，“比如，傳感器上，共融機(jī)器人將更多地使用柔性電子傳感器。”重大研究計(jì)劃的啟動(dòng)，有望在原創(chuàng)性理論和方法上取得突破。

目前，科學(xué)家們對(duì)共融機(jī)器人形成了初步共識(shí)。共融機(jī)器人具有三個(gè)特征，即共存、協(xié)作與認(rèn)知，分別保證了機(jī)器人應(yīng)用的普遍性、機(jī)器人作業(yè)的協(xié)調(diào)性和機(jī)器人對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性。

據(jù)記者了解，重大研究計(jì)劃執(zhí)行期自2017年1月起至2024年12月，共八年時(shí)間，擬投入直接經(jīng)費(fèi)2.0億元。科學(xué)家將圍繞剛—柔—軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性與可控性、人—機(jī)—環(huán)境多模態(tài)感知與自然交互和機(jī)器人群體智能與操作系統(tǒng)架構(gòu)三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題開展理論與技術(shù)研究，支撐機(jī)器人在智能制造、康復(fù)醫(yī)療和國(guó)防安全領(lǐng)域的重大應(yīng)用。

“有了科學(xué)作支撐，共融機(jī)器人研發(fā)才會(huì)有充足后勁。”丁漢充滿期待地說。

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增強(qiáng)與作業(yè)環(huán)境、人及其他機(jī)器人之間交互能力的共融機(jī)器人

自1959年工業(yè)機(jī)器人誕生以來，機(jī)器人在機(jī)械制造、國(guó)防安全、健康服務(wù)、科考與醫(yī)療等方面發(fā)揮出越來越重要的作用。如今，機(jī)器人的應(yīng)用已經(jīng)從基本的機(jī)械加工和簡(jiǎn)單協(xié)助演變成了通過交互作用完成不同環(huán)境下的復(fù)雜任務(wù)。例如，在與環(huán)境交互方面，雙足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了在崎嶇地形上的高速協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)；在與人交互方面，智能假肢能夠通過神經(jīng)接口采集生物信號(hào)，模仿人的肢體動(dòng)作，并向使用人員提供反饋；在機(jī)器人與機(jī)器人之間的交互方面，群體智能機(jī)器人可以通過集群控制算法和分散信息交換實(shí)現(xiàn)群體合作。由此可見，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)高級(jí)功能很大程度上依賴于它們與環(huán)境、人和其他機(jī)器人的交互能力。

為了推動(dòng)機(jī)器人與作業(yè)環(huán)境、人及其他機(jī)器人之間的交互能力，在丁漢院士、楊學(xué)軍院士、鄭南寧院士等專家的建議下，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)于2016年啟動(dòng)了“共融機(jī)器人基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”重大研究計(jì)劃。共融機(jī)器人（Coexisting-Cooperative-Cognitive Robot, Tri-Co Robot）有三個(gè)要點(diǎn)，即共存（Coexisting）、協(xié)作（Cooperative）與認(rèn)知（Cognitive），分別保證了機(jī)器人應(yīng)用的普遍性、機(jī)器人交互的協(xié)調(diào)性和機(jī)器人對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性，從而增強(qiáng)與作業(yè)環(huán)境、人及其它機(jī)器人之間的交互能力。

共融機(jī)器人研究關(guān)注三個(gè)主要科學(xué)問題。首先是剛-柔-軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性與可控性。未來的共融機(jī)器人將是由剛性材料與柔性材料再加上運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的耦合系統(tǒng)，研究其動(dòng)力學(xué)模型和控制方法是增強(qiáng)機(jī)器人交互能力的前提。其次是人-機(jī)-環(huán)境多模態(tài)感知與自然交互。研究視-聽-觸等多模態(tài)信息獲取方法以及人體生理電信號(hào)頻譜特征，從而準(zhǔn)確理解人體行為意圖，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)人-機(jī)互動(dòng)協(xié)作。最后是機(jī)器人群體智能與操作系統(tǒng)架構(gòu)。探索自主個(gè)體互動(dòng)及感知決策信息的傳播機(jī)理，建立群體認(rèn)知和互動(dòng)協(xié)作的模型及方法，實(shí)現(xiàn)集群協(xié)作控制。同時(shí)，“共融機(jī)器人基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”重大研究計(jì)劃旨在發(fā)展機(jī)器人在智能制造、康復(fù)醫(yī)療和國(guó)防安全等方面的應(yīng)用，開發(fā)出“能工巧匠型”智能制造機(jī)器人、智能康復(fù)機(jī)器人和特種集群機(jī)器人等具有高級(jí)功能形態(tài)的機(jī)器人系統(tǒng)。