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| 本文作者： camel | 2018-05-03 17:02 |
“我們這個重大研究計劃能夠在整個機器人發(fā)展歷程中留下什么樣的痕跡呢？”
——華中科技大學(xué)丁漢院士
2018 年 4 月 26-27 日，首屆國家自然科學(xué)基金重大研究計劃「共融機器人基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究」學(xué)術(shù)交流會在中國北方車輛研究所舉行，有 200 多名國內(nèi)機器人領(lǐng)域的頂級專家與會。
雷鋒網(wǎng)注：中國北方車輛研究所位于北京豐臺區(qū)槐樹嶺社區(qū)
會議開幕式中，丁漢院士表示，共融機器人將是未來機器人發(fā)展中重要代表方向之一。所謂「共融機器人」（Coexisting-Cooperative-Cognitive Robots, Tri-Co Robots）是指能與作業(yè)環(huán)境、人和其它機器人自然交互、自主適應(yīng)復(fù)雜動態(tài)環(huán)境并協(xié)同作業(yè)的機器人。
雷鋒網(wǎng)了解到，在 2016 年 7 月，經(jīng)過百名國內(nèi)外學(xué)者近兩年的討論、論證、匯報和咨詢后，國家自然科學(xué)基金委員會「共融機器人基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究」的重大研究計劃獲得批準。該計劃擬投入直接經(jīng)費 2 億元，歷時 8 年（2017 年 1 月～2024 年 12 月），瞄準國際機器人研究前沿，圍繞人-機-環(huán)境共融的機器人基礎(chǔ)理論和設(shè)計方法，希望在剛-柔-軟耦合柔順結(jié)構(gòu)設(shè)計與動力學(xué)、人-機-環(huán)境多模態(tài)感知與自然交互、機器人群體智能與操作系統(tǒng)架構(gòu)等方面取得創(chuàng)新性成果。
自重大項目啟動以來，共有兩批 20 項重點支持項目（2016 年 8 項，2017 年 12 項）和 53 項培育項目（2016 年 22 項；2017 年 31 項），投入經(jīng)費 3395 萬元。
本次學(xué)術(shù)交流會議作為該項目的首屆會議，主要是針對 2016 年度批準項目的實施情況和進展進行檢查與交流，與會專家圍繞項目進展進行總結(jié)和點評，并指出問題以及提出改進措施，同時也啟動了 2018 年「世界機器人大賽——共融機器人挑戰(zhàn)賽」。
這里對八項重點項目作以簡單介紹：
該項目是由哈爾濱工業(yè)大學(xué)趙杰教授承擔(dān)，主要為針對工業(yè)領(lǐng)域?qū)f(xié)作型雙臂機器人的重大需求，圍繞相應(yīng)的基礎(chǔ)科學(xué)問題而開展的一系列研究。
趙杰教授在「研究進展和成果」環(huán)節(jié)中，介紹了其在平臺研制和理論方面的研究工作。平臺研制方面包括驅(qū)控一體化關(guān)節(jié)、7 自由度協(xié)作型機械臂、協(xié)作性雙機械臂、軟件系統(tǒng)、仿真平臺等工作；理論方面，趙杰教授研究了運動學(xué)自建模、關(guān)節(jié)剛度在線辨識、無傳感器隨動控制方法、基于肌電信號反饋的操作剛度映射、人機技能傳遞等創(chuàng)新性工作。目前針對這些研究工作，共發(fā)表學(xué)術(shù)論文 7 篇。
該項目由上海交通大學(xué)的朱利民教授承擔(dān)，項目針對長厚比大于 1000 的「極端」弱剛性大型蒙皮構(gòu)件的壁厚加工精度保障難題，旨在將混聯(lián)機器人裝備技術(shù)和數(shù)字化加工技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)建雙機器人「切削加工與誤差補償+隨動支撐與壁厚測量」協(xié)同作業(yè)的鏡像加工新原理與新裝備。
項目圍繞機器人本體結(jié)構(gòu)、末端執(zhí)行器、雙機器人協(xié)調(diào)控制三方面開展研究，具體內(nèi)容包括：（1）高軸向剛度緊湊型混聯(lián)機器人設(shè)計與雙機器人同步控制；（2）工件形狀自適應(yīng)的隨動支撐頭設(shè)計與變剛度控制；（3）加工壁厚雙機器人協(xié)同實時跟隨測量與預(yù)測補償；（4）機器人鏡像加工系統(tǒng)構(gòu)建與試驗驗證。預(yù)期將建立加工機器人-薄壁零件-支撐機器人交互過程的主動順應(yīng)與協(xié)調(diào)控制理論，通過支撐頭的變剛度控制，實現(xiàn)對裝備-零件交互過程的主動順應(yīng)，通過雙機器人的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)對不規(guī)則變形零件加工壁厚的閉環(huán)控制。該項目目前共發(fā)表 SCI 論文 11 篇，國際會議 ICIRA 2017 最佳論文 1 篇，申請專利 4 項。
該項目由華中科技大學(xué)的熊蔡華教授承擔(dān)，項目主要解決當(dāng)前機器人外骨骼無法在自然環(huán)境中按照人的運動意圖和節(jié)律協(xié)調(diào)運動，導(dǎo)致穿戴者代謝能消耗巨大、倍感疲勞等挑戰(zhàn)性難題。
熊蔡華教授在該項目的研究中，主要聚焦于「下肢自然運動規(guī)律解析」、「運動意圖識別與自然交互」和「下肢自然運動的機械復(fù)現(xiàn)」三個科學(xué)問題，研究內(nèi)容包括：下肢在內(nèi)部肌力作用下的機械運動規(guī)律，人體運動狀態(tài)的在線感知與運動意圖的實時識別，下肢運動降維與機械復(fù)現(xiàn)原理，人機自然交互與機器人外骨骼的協(xié)調(diào)控制，以及理論與方法的驗證平臺等。
目前熊蔡華教授的研究成果包括：
揭示了下肢特征運動的構(gòu)成規(guī)律，為下肢運動智能的機械化做了初步探索；
建立了被動外骨骼設(shè)計理論與方法，為減少行走中代謝能消耗找到了新的解決辦法；
創(chuàng)立了動力背包設(shè)計的新原理，為以極少的代謝能消耗負重行走提供了科學(xué)原理。
該項目目前發(fā)表 SCI 論文 8 篇，EI 論文 5 篇；獲授權(quán)發(fā)明專利 2 項，申請發(fā)明專利 12 項；或第 45 屆日內(nèi)瓦國際發(fā)明博覽會金獎（2017 年）。
該項目由國防科技大學(xué)易曉東教授所承擔(dān)，項目主要研究群體智能機器人操作系統(tǒng)的機理、架構(gòu)和技術(shù)，解決自主行為與群體智能涌現(xiàn)機理和多態(tài)體系與分布架構(gòu)兩大科學(xué)問題。
群體智能是人工智能領(lǐng)域的前沿發(fā)展方向，而實現(xiàn)群體智能的載體則是軟件。易曉東教授在報告中首先介紹了他們基于「角色」的控制抽象以及基于「語義態(tài)勢圖」的數(shù)據(jù)抽象，面對群體智能中三個挑戰(zhàn)所搭建的體系架構(gòu)。三個挑戰(zhàn)分別為：
如何設(shè)計即管理資源又管理行為的操作系統(tǒng)架構(gòu)？
如何設(shè)計管理群體無人系統(tǒng)的操作系統(tǒng)架構(gòu)？
如何設(shè)計支撐「適應(yīng)環(huán)境人工智能」的操作系統(tǒng)架構(gòu)？
針對這三個挑戰(zhàn)，易曉東教授提出了縱向看的層次式架構(gòu)、橫向看的分布式架構(gòu)和深向看的平行學(xué)習(xí)架構(gòu)。
隨后易曉東教授還介紹了他們基于 OODA 的群體智能行為管理、群體感知數(shù)據(jù)管理、群體協(xié)同任務(wù)管理等 6 項關(guān)鍵技術(shù)，同時還介紹了群體智能機器人操作系統(tǒng)原型、大規(guī)模群體動力學(xué)仿真環(huán)境原型、集成開發(fā)工具集原型、機器人多體動力學(xué)自動化建模工具等系統(tǒng)研發(fā)工作，并演示了其在無人機群體協(xié)作等方面的工作。易曉東教授同時還開源了 10 多項工作的源代碼，發(fā)表論文 15 篇。
該項目由中國科學(xué)院自動化研究所喬紅研究員承擔(dān)，項目針對無人機與有人機共融博弈中面對瞬息萬變的敵對機群須實現(xiàn)快速、智能博弈的問題進行展開。
本項目通過提升無人機認知智能和人-機認知共融（包括特征融合與快速分類、深度學(xué)習(xí)、類腦認知模型深入研究和融合），提升無人機決策智能和人-機決策共融（包括深度增強學(xué)習(xí)、類腦決策模型深入研究和融合），保障系統(tǒng)的智能性、快速性與可靠性。研究內(nèi)容具有前沿性，三種方法層層遞進，保證了可靠性，同時，通過搭建大型的軟硬件結(jié)合的模擬平臺實現(xiàn)應(yīng)用驗證。
該項目由東南大學(xué)宋愛國教授所承擔(dān)，項目主要面向「生機電一體化靈巧操作假肢」開展共融機器人共性的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究，這包括：（1）基于生物信號的動作意圖理解；（2）力觸覺等多模態(tài)感知信息的獲取；（3）力觸覺多模態(tài)感知信息的反饋；（4）多感知增強神經(jīng)系統(tǒng)控制能力的機理；（5）基于生物信號的靈巧操作假肢協(xié)調(diào)控制方法。
該項目 2017 年按計劃完成了調(diào)研、資料檢索和分析、制定研究方案，探索了基于柔性陣列式肌電電極獲取高密度、高冗余 EMG 信號的信號檢測技術(shù)，基于高密度 EMG 信號發(fā)展精細動作識別的特征提取算法，以及基于深度學(xué)習(xí)構(gòu)造腦電與離散運動圖模式之間的映射模型。具體研究進展如下圖所示：
目前該項目共發(fā)表 10 篇論文，申請發(fā)明專利 7 項。
該項目由北京大學(xué)王啟寧承擔(dān)，該項目研究重點包括智能肢體的設(shè)計與控制、基于多傳感器融合的人體運動意圖識別兩個方面。
作為共融機器人在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域的典型代表，智能下肢假肢與人和環(huán)境的有效融合是亟待解決的關(guān)鍵問題。這里面臨著以下幾個問題：多關(guān)節(jié)的智能動力下肢假肢結(jié)構(gòu)仿生與控制、下肢運動意圖感知與識別以及復(fù)雜動態(tài)環(huán)境下人-智能假肢感知運動融合。
本項目首先突破傳統(tǒng)的生物信號來源，創(chuàng)新性的探索電容傳感在人體運動意圖識別中的機理和假肢控制中的應(yīng)用，實現(xiàn)柔性可延展的電容傳感測量前端，使殘疾人的皮膚不接觸金屬電極，克服現(xiàn)有生物信號測量方法的局限，并保證穩(wěn)定測量的同時不干涉殘疾人運動。
其次，研制一款具有柔性可控踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的智能動力下肢假肢，研究在不同的地形下依靠運動意圖識別的決策實現(xiàn)對智能假肢的控制，以實現(xiàn)殘疾人穩(wěn)定流暢的行走；實現(xiàn)當(dāng)外部環(huán)境和條件變化時，運動意圖識別算法和假肢控制算法的自適應(yīng)。
另外，他們還開展樣本量不少于 20 人的殘疾人穿戴實驗，研究膝-踝智能假肢在多種地形和不同行走速度下行走對殘疾人運動能耗、步態(tài)對稱性、假肢功耗等關(guān)鍵性能的影響。
最后，王啟寧教授還介紹了基于外周神經(jīng)接口的觸覺補償機制及其對下肢殘疾人步態(tài)性能的影響。
目前該項目已經(jīng)發(fā)表論文 18 篇，申請國家發(fā)明專利 2 項。
該項目由西安交通大學(xué)陳霸東教授承擔(dān)，該項目針對人機共融的靈巧柔順下肢康復(fù)機器人系統(tǒng)中「運動意圖實時準確判讀」和「人機協(xié)同控制」等核心挑戰(zhàn)性問題開展研究工作。
康復(fù)機器人的核心問題是研究人機共融的靈巧柔順下肢康復(fù)機器人，包括如何利用多模態(tài)神經(jīng)信號解碼人體運動意圖以及如何實現(xiàn)患者與康復(fù)機器人高度融合與協(xié)同控制。這些關(guān)鍵問題的解決將能夠有效提升康復(fù)機器人系統(tǒng)人-機融合程度，提高康復(fù)訓(xùn)練的效果。項目擬基于信息論學(xué)習(xí)、核自適應(yīng)濾波以及深度學(xué)習(xí)等先進建模方法，構(gòu)建多模態(tài)神經(jīng)信號與人體運動意圖之間內(nèi)在時空動態(tài)映射關(guān)系，讓機器人主動感知人的運動意圖，實現(xiàn)更加自然的人機交互，最終形成患者與康復(fù)機器人協(xié)同交互的智能康復(fù)系統(tǒng)，并研發(fā)一套面向臨床應(yīng)用的靈巧柔順坐臥式下肢康復(fù)機器人原型系統(tǒng)。
目前該項目的主要研究進展如下圖所示：
會議當(dāng)天除了 8 項重點支持項目外，還有 22 項培育項目的匯報和點評。列表如下，內(nèi)容詳見 2016 年度資助項目。
除了學(xué)術(shù)研討會外，26 日下午，為期一天半的第一階段的 2018 年「世界機器人大賽——共融機器人挑戰(zhàn)賽」也正是啟動。來自全國各地的 78 支參賽隊參與共融機器人仿真組、機器人創(chuàng)新路演組以及機器人青年創(chuàng)意組三個組別的比賽。除青年創(chuàng)意組的比賽采取幻燈片、視頻等技術(shù)開展問辯匯報形式外，另外兩組的比賽均采取實物實地角逐方式進行。
仿真組主要考核共融機器人的多模感知、自主避障、規(guī)劃決策、雙臂協(xié)同、靈巧作業(yè)、牽引載荷等綜合技術(shù)能力，此次共有 28 支隊伍參與角逐。其中
一等獎：華中科技大學(xué)自動化學(xué)院隊
二等獎：NPU5V5 隊、西安交通大學(xué) SKLIR 隊
三等獎：RobotCNC 隊、蘿卜火箭隊、簡鋒戰(zhàn)隊
路演組是面向智能制造、醫(yī)療康復(fù)、國防安全等領(lǐng)域?qū)踩跈C器人的需求，重點聚焦對剛-柔-軟體機器人的運動特性與可控性、人-機-環(huán)境多模態(tài)感知與自然交互、機器人群體智能與操作系統(tǒng)架構(gòu)等關(guān)鍵科學(xué)問題的研究，此次共 34 支隊伍參賽。其中
一等獎：上海加大智能步行機器人隊
二等獎：南大圖客隊、cothink robotics 隊
三等獎：VicRoB 全自由度移動機器人團隊、西安交通大學(xué) DDM 生物組團隊、climbing robot-SWPU 隊
青年創(chuàng)意組的比賽，旨在促進 1983 年 1 月 1 日之后出生的青年學(xué)者的積極，以瞄準國際機器人研究前沿，重點圍繞人-機-環(huán)境共融的機器人基礎(chǔ)理論和設(shè)計方法，通過機械、信息、力學(xué)和醫(yī)學(xué)等多學(xué)科交叉，從創(chuàng)意新穎性、主題契合度、方案可行性、內(nèi)容完整性四個維度，提出原理原創(chuàng)、技術(shù)前沿的創(chuàng)意比賽，此次共 16 支隊伍參賽。其中
一等獎：燕山大學(xué)軟體機器人科研團隊
二等獎：上海交大智能步行機器人團隊
三等獎：翱翔四海隊
據(jù)雷鋒網(wǎng)現(xiàn)場了解，2018 年「世界機器人大賽——共融機器人挑戰(zhàn)賽」第二階段的比賽將于今年 8 月舉行。這個戰(zhàn)場或許將代表中國機器人研究的未來。
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