学术前沿：“共融机器人”， 增强与作业环境、人及其他机器人之间交互能力

学术前沿：“共融机器人”， 增强与作业环境、人及其他机器人之间交互能力

来源：中国科学报

【匠领导读】作为2018年“世界机器人大赛——共融机器人挑战赛”的参赛作品之一，一只大型“甲壳虫”正在行走，下蹲、前进、倒退、越障、上下楼梯一系列动作行云流水，科技感十足。

据科研人员介绍，这台由上海交通大学智能行走作业机器人研究中心研发的“探测救援六足行走作业机器人”能在复杂环境下执行作业任务，可用于灾害现场侦查、危化品探测、灭火等场景。

比赛现场，和这只“甲壳虫”竞争的还有绿色消毒机器人、仿生机器鱼、仿鸵鸟双足机器人等，他们都有一个共同的特点——共融。此次比赛专家委员会主任、中科院院士丁汉向《中国科学报》记者表示：“更加聪明、体贴、能干的共融机器人将引领我们走进未来生活。”

更聪明、更体贴、更能干

目前，机器人的发展已经历经模仿人类运动行为、模仿人类智力行为两个阶段。在科学家们看来，模仿人类社会行为与环境、人和其他机器人进行交互和协作，机器人将迎来第三个阶段。“共融机器人”的概念应运而生。

依托“共融机器人基础理论与关键技术研究”重大研究计划（以下简称重大研究计划），国家自然科学基金委员会（以下简称基金委）举办了此次比赛，共设置了共融机器人仿真、机器人创新路演和机器人青年创意三个独立赛事，吸引了来自华中科技大学等50余家单位的78支队伍、近300位参赛选手参与。

基金委副主任谢心澄院士在比赛开幕式上致辞表示，希望通过比赛带动相关基础研究领域的学术交流，共同提升我国机器人研究的整体创新能力和国际地位。

在比赛现场，一台鸵鸟样貌的机器人展示了机器人—环境共融方面的新技能。吉林大学工程仿生教育部重点实验室研究人员在三个月时间内研发成功这只“鸵鸟”。记者看到，当运动物体进入其摄像头的监控视野时，它将上传视野录像到手机或电脑端。它还会根据不同编号传感器的反馈值，判断地面情况调整步态、保持平衡。研究人员表示，这台鸵鸟机器人独特的结构设计和共融特性将在野外勘探、灾后救援及深空着陆等领域有所作为。

当前，作为“共融机器人”概念的提出者，中国学者已在一些领域取得了可喜进展。“比如大型曲面加工需要机器人能够跟随曲面轮廓进行作业，这对机器人精度要求很高。”丁汉表示，“不久的将来，我国高铁制造将用上机器人‘能工巧匠’。”

未来可期

共融机器人正在给人们的生活带来革命性的变化，这让科学家们充满期待。

近年来，北京大学工学院教授王启宁带领团队开展了智能假肢的设计与控制及基于多传感器融合的人体运动意图识别研究。“在穿戴者行走的关键阶段，假肢能提供主动力矩，实现对多种地形的主动适应。”王启宁在此次共融机器人挑战赛期间展示了他们研制的一款具有可控刚度和力矩的智能动力下肢假肢。

中国北方车辆研究所正在致力于智能车的研发。该所所长曹晖向《中国科学报》记者介绍，遥控、伴随、规定路线、自主规划反映智能车“智能”的四个等级。“目前，我们已经实现了智能车第四个等级，也就是说，规定好起点和目的地，我们研发的智能车就能按照自主规划的路线行驶到终点。”他说。

在不远的将来，依靠更成熟的云计算、路网及汽车智能终端建设，普通人也能用上智能汽车。

重大研究计划奠定基础

为了促进我国共融机器人的基础研究，在中国科学院院士丁汉、杨学军和中国工程院院士郑南宁等专家的建议下，2016年，基金委启动了该重大研究计划，这是我国机器人领域首个重大基础研究计划。

“和传统机器人相比，共融机器人在机构、驱动、传感和控制方面都有显著差别。”丁汉表示，“比如，传感器上，共融机器人将更多地使用柔性电子传感器。”重大研究计划的启动，有望在原创性理论和方法上取得突破。

目前，科学家们对共融机器人形成了初步共识。共融机器人具有三个特征，即共存、协作与认知，分别保证了机器人应用的普遍性、机器人作业的协调性和机器人对复杂环境的适应性。

据记者了解，重大研究计划执行期自2017年1月起至2024年12月，共八年时间，拟投入直接经费2.0亿元。科学家将围绕刚—柔—软体机器人的运动特性与可控性、人—机—环境多模态感知与自然交互和机器人群体智能与操作系统架构三个关键科学问题开展理论与技术研究，支撑机器人在智能制造、康复医疗和国防安全领域的重大应用。

“有了科学作支撑，共融机器人研发才会有充足后劲。”丁汉充满期待地说。

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自1959年工业机器人诞生以来，机器人在机械制造、国防安全、健康服务、科考与医疗等方面发挥出越来越重要的作用。如今，机器人的应用已经从基本的机械加工和简单协助演变成了通过交互作用完成不同环境下的复杂任务。例如，在与环境交互方面，双足机器人实现了在崎岖地形上的高速协调运动；在与人交互方面，智能假肢能够通过神经接口采集生物信号，模仿人的肢体动作，并向使用人员提供反馈；在机器人与机器人之间的交互方面，群体智能机器人可以通过集群控制算法和分散信息交换实现群体合作。由此可见，机器人实现高级功能很大程度上依赖于它们与环境、人和其他机器人的交互能力。

为了推动机器人与作业环境、人及其他机器人之间的交互能力，在丁汉院士、杨学军院士、郑南宁院士等专家的建议下，国家自然科学基金委员会于2016年启动了“共融机器人基础理论与关键技术研究”重大研究计划。共融机器人（Coexisting-Cooperative-Cognitive Robot, Tri-Co Robot）有三个要点，即共存（Coexisting）、协作（Cooperative）与认知（Cognitive），分别保证了机器人应用的普遍性、机器人交互的协调性和机器人对复杂环境的适应性，从而增强与作业环境、人及其它机器人之间的交互能力。

共融机器人研究关注三个主要科学问题。首先是刚-柔-软体机器人的运动特性与可控性。未来的共融机器人将是由刚性材料与柔性材料再加上运动机构组成的耦合系统，研究其动力学模型和控制方法是增强机器人交互能力的前提。其次是人-机-环境多模态感知与自然交互。研究视-听-触等多模态信息获取方法以及人体生理电信号频谱特征，从而准确理解人体行为意图，进一步实现人-机互动协作。最后是机器人群体智能与操作系统架构。探索自主个体互动及感知决策信息的传播机理，建立群体认知和互动协作的模型及方法，实现集群协作控制。同时，“共融机器人基础理论与关键技术研究”重大研究计划旨在发展机器人在智能制造、康复医疗和国防安全等方面的应用，开发出“能工巧匠型”智能制造机器人、智能康复机器人和特种集群机器人等具有高级功能形态的机器人系统。