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4月19日下午，2019國家機器人發(fā)展論壇暨RoboCup機器人世界杯中國賽之“共融機器人”專題論壇在浙江紹興柯橋成功舉辦，八位領(lǐng)域內(nèi)專家學(xué)者從機器人控制、群體機器智能、類生命機器人、移動機器人、柔性撲翼機器人等方面進行報告，并與參會者進行充分交流，共同探討機器人與人共融領(lǐng)域共同的發(fā)展前景，來自機器人、智能制造、國防安全、自動化等領(lǐng)域代表參加了此次論壇。論壇主席、清華大學(xué)教授劉辛軍主持。
第一個帶來報告的是浙江大學(xué)李鐵風(fēng)教授，報告題目是“The Control and Reinforcement Learning of a Soft Robot”。李教授指出，相對于傳統(tǒng)剛性機器人，由刺激響應(yīng)材料驅(qū)動的軟體機器人具有獨特的優(yōu)勢，如驅(qū)動大、重量輕、韌性高，還有著生物相容性。
然而，軟體機器人的大型驅(qū)動本質(zhì)上是難以實現(xiàn)高精度控制的。報告展示了一種由柔性人工肌肉驅(qū)動的模仿墨魚的機器人，它帶有一套完整的機載系統(tǒng)，包括電源和無線通信系統(tǒng)。在沒有任何驅(qū)動的情況下，墨魚機器人的運動完全由介質(zhì)彈性體驅(qū)動，具有變形程度大、能量密度高等類似肌肉的特性。采用強化學(xué)習(xí)的方法對墨魚機器人的控制策略進行優(yōu)化，以此代替人工調(diào)整。閉環(huán)反饋控制和機器學(xué)習(xí)可以應(yīng)用于軟體機器人的系統(tǒng)中，以提高其性能。從零開始，機器魚的游泳速度隨著學(xué)習(xí)的強化而得到提高。基于這種機器魚結(jié)構(gòu)和控制的設(shè)計原理可用于指導(dǎo)設(shè)備的設(shè)計，以滿足諸如柔性設(shè)備和軟體機器人等較高要求的應(yīng)用。
北京科技大學(xué)賀威教授的報告題目是“柔性撲翼飛行機器人關(guān)鍵技術(shù)”。賀教授指出，柔性撲翼飛行機器人是受昆蟲和鳥類飛行方式啟發(fā)的一類飛行機器人，與常見的固定翼和旋翼飛行器相比，柔性撲翼飛行機器人具有質(zhì)量輕、效率高、機動性強、能耗低等優(yōu)點，是飛行機器人發(fā)展的重要方向。撲翼飛行機器人的翅膀一般采用柔性結(jié)構(gòu)，在飛行中受到氣流作用會產(chǎn)生預(yù)期之外的振動和形變，從而影響飛行性能，甚至縮短使用壽命。
一方面，柔性結(jié)構(gòu)提高了撲翼飛行機器人系統(tǒng)的機動性和飛行效率；另一方面，柔性結(jié)構(gòu)的使用使得撲翼飛行機器人的動力學(xué)更加復(fù)雜，控制系統(tǒng)的設(shè)計也更加困難。賀教授在報告中，討論了柔性撲翼飛行機器人的關(guān)鍵技術(shù)，重點研究柔性撲翼機器人的自主控制和系統(tǒng)設(shè)計問題，分析撲翼飛行機器人的動力學(xué)模型，針對自主控制問題提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法，針對振動問題提出了自適應(yīng)邊界控制策略，搭建了幾款仿生柔性撲翼飛行機器人，能夠完成自主飛行、自主避障、實時航拍等任務(wù)。最后對該方向進行研究展望。
清華大學(xué)劉辛軍教授，報告題目為“大型結(jié)構(gòu)件原位加工機器人創(chuàng)新設(shè)計”。劉教授指出，人類為了狩獵獲取食物，發(fā)明了工具，揭開了人類創(chuàng)新發(fā)明機器的序幕。大自然界的生命體的行為，例如鼠鼬打洞、象鼻蟲筑繭、啄木鳥啄木以及工匠的精雕細(xì)琢，有一個共同特征，即：移動定位，局部精細(xì)作業(yè)。大型復(fù)雜構(gòu)件是航空航天、能源、船舶等領(lǐng)域裝備的核心結(jié)構(gòu)件，其高效高質(zhì)量制造是亟待解決的難題。基于大自然界的生命體的行為特征，報告介紹一種移動式加工機器人的設(shè)計理念和構(gòu)思方案，給大型結(jié)構(gòu)件的加工提供了一種新模式。
美國俄亥俄州立大學(xué)張明君教授在題為“基于生物啟發(fā)的機器人控制問題探討”的報告中，指出生物智能及控制方法的進化規(guī)律研究不僅對了解生物機理和疾病治療有重要意義，也對創(chuàng)新開發(fā)具有生物兼容性、高智能的機器人系統(tǒng)有獨特的啟發(fā)意義，尤其是對實現(xiàn)高社會和經(jīng)濟價值的人機共融系統(tǒng)有重要的參考價值。
報告以多尺度生物系統(tǒng)為實例，從生物智能和控制的角度揭示其工作規(guī)律，并以具體工程實現(xiàn)為例探討其在機器人控制方面的應(yīng)用，以尋找更有利于人機共融的機器人控制方法。同時，以傳感、執(zhí)行和控制為核心展開探討生物與工程系統(tǒng)在智能和控制方面的不同之處，特別是對微納系統(tǒng)控制的工程實現(xiàn)手段和局限性進行深入討論，進一步闡明由于生物系統(tǒng)的多樣性決定了高生物兼容性、高綜合價值的人機共融系統(tǒng)期待新的微納系統(tǒng)控制理論，特別是能與硅計算機系統(tǒng)接口的、超快、超小的基于有機材料的機器人控制系統(tǒng)。這也是對人機共融的巨大挑戰(zhàn)，未來技術(shù)革命的新機遇，對生命科學(xué)和健康產(chǎn)業(yè)有著舉足輕重的作用。
群體智能是廣泛存在于生物界和人類社會的一種重要智能形式，是智能領(lǐng)域的前沿方向。群體機器智能是有別于群體生物智能和群體社會智能的“新物種”，是由機器人集群的合作所表現(xiàn)出來的群體智能，是機器人與群體智能領(lǐng)域的交叉，是解決機器智能挑戰(zhàn)性問題的新的研究途徑。
大自然億萬年的進化使得生命系統(tǒng)具備具備了與生存環(huán)境相適應(yīng)的組織、器官和結(jié)構(gòu)，這為人類的技術(shù)創(chuàng)新提供了無限的想象空間，成為人類取之不盡用之不竭的靈感來源。以仿生學(xué)為基本思路，機器人研究取得了令人震撼的迅猛發(fā)展。然而生命系統(tǒng)如此精妙，仿生學(xué)意義上的人工系統(tǒng)很難完全復(fù)現(xiàn)生命系統(tǒng)的本征特性，如何進一步提升性能，讓人工系統(tǒng)逼近乃至超越生命系統(tǒng)是當(dāng)前科技界的研究熱點。
對此，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所劉連慶研究員在題為“類生命機器人模塊化制造與動力學(xué)建模調(diào)控方法研究”的報告中，提出類生命機器人的研究理念，通過生命系統(tǒng)和機電系統(tǒng)在分子和細(xì)胞尺度的融合，推動機器人系統(tǒng)由非生命介質(zhì)向生命介質(zhì)轉(zhuǎn)變，使得機器人同時具備生命系統(tǒng)和機電系統(tǒng)的優(yōu)點，進而提升機器人的各種性能、帶動機器人學(xué)科的發(fā)展。報告以類生命驅(qū)動為例，介紹如何以活體細(xì)胞為物質(zhì)載體，通過與機電系統(tǒng)的結(jié)合，實現(xiàn)可控的類生命驅(qū)動，并對生物介質(zhì)開展動力學(xué)建模和調(diào)控研究，演示出類生命機器人理念的先進性和效果。
華中科技大學(xué)陶波教授的報告題目是“大型復(fù)雜構(gòu)件移動機器人自律加工技術(shù)研究”。報告指出，大型復(fù)雜構(gòu)件在航空航天、能源和軌道交通等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其自由曲面外形尺寸精度與表面粗糙度對提高其空氣或流體動力學(xué)性能至關(guān)重要，需要通過先進的光整加工技術(shù)實現(xiàn)高精度、高表面質(zhì)量制造。以形位精度與表面質(zhì)量控制為目標(biāo)的高效高精度制造是超大型復(fù)雜構(gòu)件加工的關(guān)鍵難題。
相比數(shù)控機床，移動機器人具有運動靈活度高、作業(yè)空間大、環(huán)境適應(yīng)性和并行協(xié)調(diào)能力強等優(yōu)勢，以移動機器人作為制造裝備的執(zhí)行體，利用機器人的柔順性，將高技能的人工經(jīng)驗數(shù)字化并固化在機器人操作控制中，并配以強大的感知功能，將使機器人成為不知疲倦的“能工巧匠”，從而實現(xiàn)自動加工向智能加工轉(zhuǎn)化，為超大復(fù)雜構(gòu)件的高效高品質(zhì)加工提供新的解決思路。陶教授結(jié)合本人在機器人化智能制造領(lǐng)域的科研經(jīng)歷，與參會者分享近年來本人及所在研究團隊在大型復(fù)雜構(gòu)件機器人移動加工領(lǐng)域的研究與應(yīng)用體會。
帶來最后一場報告的是西安交通大學(xué)蘭旭光教授，報告題目是“人機協(xié)作中基于物體功能的機器人自主作業(yè)與運動預(yù)測”。
人機協(xié)作中機器人自主操作和運動預(yù)測是共融機器人的重要研究內(nèi)容，報告提出了一種基于物理穩(wěn)定性和物體功能的適用于多目標(biāo)堆疊物體場景中的抓取方法。通過基于卷積網(wǎng)絡(luò)的機器人抓取關(guān)系推理，構(gòu)建條件隨機場圖模型，實現(xiàn)對場景的感知、理解與推理，得到物體間空間關(guān)系、物體功能與抓取部位之間的關(guān)系以及物體功能和作業(yè)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系建模；最后基于有向錨點框機制，該網(wǎng)絡(luò)同時完成全卷積結(jié)構(gòu)的物體抓取部位實時檢測，在康奈爾抓取數(shù)據(jù)集的五折交叉檢驗上取得了99.44%的準(zhǔn)確率，是目前精度最高的算法。
為實現(xiàn)物理關(guān)系推理網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，采集了包含超過5000張圖片的視覺操作關(guān)系數(shù)據(jù)集，并基于物體三維模型，建立虛擬圖像庫。為了進一步拓展虛擬訓(xùn)練圖像庫的學(xué)習(xí)效果，研究了zero-shot的學(xué)習(xí)方法，構(gòu)建了正交空間和正交量化方法實現(xiàn)了模型方法的遷移學(xué)習(xí)；最終通過結(jié)合正確的抓取順序和抓取部位，我們能使機器人以正確的順序和功能準(zhǔn)確地對多個目標(biāo)堆疊物體抓取和作業(yè)。
當(dāng)前，國家自然科學(xué)基金委員會已成立“共融機器人基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)”重大研究計劃，通過面向智能制造、醫(yī)療康復(fù)、國防安全等領(lǐng)域?qū)踩跈C器人的需求，開展共融機器人結(jié)構(gòu)、感知與控制的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究，為我國機器人技術(shù)和產(chǎn)業(yè)提供源頭創(chuàng)新思路與科學(xué)支撐。未來，機器人可能有多模態(tài)傳感，會更加理解人類需求，共融機器人將成為未來發(fā)展的趨勢，實現(xiàn)人機智能化的自然交互。
學(xué)會秘書處 供稿
