丁汉院士：机器人技术发展应加强基础研究

　　新浪科技讯 10月21日消息，2016世界机器人论坛今日开始举行，大会邀请国内外机器人领域知名学者、专家围绕“共创共享共赢，开启智能时代”这一主题进行交流研讨。中国华中科技大学机械科学与工程学院院长丁汉院士以《共融机器人的基础理论和关键技术》为题发言，他表示，机器人的事业要发展壮大一个很重要的问题就是加强基础研究，离开了基础研究机器人的技术无法突破。作为一个重载的机器人，必须要有很好的控制算法，需要很多传感的技术。

　　以下为演讲实录：

　　非常感谢大会的邀请，下面向大家汇报一下我在这个领域的一些探索。报告分为四个方面进行：首先是机器人未来的发展趋势，然后在这个基础上向大家汇报国家基金委最近刚刚发布的机器人重大研究计划，也希望这个计划为我国机器人的未来发展提供理论和技术的支撑，还有机器人未来的发展趋势以及在某些领域的应用，最后简单地介绍一下我们课题组在这方面的一些工作。

　　大家知道，机器人自从1959年诞生以来在各方面都取得了很大的应用，特别是在汽车工业，近年来在康复医疗、国防、太空探索以及自然勘探方面都得到了很好的应用。人类发明机器人的目的最早是代替人，然后发展到服务人，将来是扩展人，就是可以从人类发展过程当中看出来最早是在一些恶劣的、极端的环境之下代替人，然后慢慢地为人服务，扩展出了一些新的功能。

　　现实当中的机器人和我们的期望值有很大的差距，例如工业机器人，目前大多在一些结构化的环境当中工作，在线传感能力都是比较差的，服务机器人目前还只能完成一些简单的任务，特种机器人都是需要遥操作来完成特定的工作。所以可以看出，现实当中的机器人和我们人类的想像还有很大的差距。

　　最早的机器人在五十年代就是一个Manipulator，慢慢地随着模拟传感器的发展开始进行一些自主的决策，然后又开始做一些群体的智能，刚开始是简单的工业机器人，慢慢地开始进行复杂的交互。未来的机器人操作的环境可能会和操作者更加协同来完成这样复杂的工作，所以未来机器人会有这样几个特征。

　　这是未来的一个趋势，就是机器人环境的适应，还有机器人和机器人之间的协同，比如多机器人可以进行协同工作，完成一个复杂的任务。实际上多机器人可以协同，单机器人可以自主，这也是未来的一个方向。还有就是机器人和人的协同，这是英国的机械手，可以看到假手和人手进行协同。以前我们都是刚的机器人，慢慢地可能发展到刚软机器人。可以看到和人交互的时候刚度的变化，还有人机交互的动力学，这也是未来机器人研究面临的第一个挑战。面临的第二个挑战就是对人的信号怎么理解，尤其是多模态的信号在动态环境下的表现，还有人的机电信号怎样进行交互，这也是和人互动必须进行的相关研究。

　　作为群体智能，一个很重要的标志就是个体之间有自立、群体之间有合作，需要研究群体智能的机理以及分布式的操作系统能够对机器人所有的资源进行有效的管理。正是在这样的前提之下，很多专家进行了近两年的研讨，最后基金委重大研究计划正式发布了，希望能够对未来机器人的这三个特点做一些理论上的研究，也为机器人的研究提供后续发展的动力。这个计划叫做共融机器人，这个英文翻译经过了仔细的考虑，主要具有三个特征：要是在一起Co-existing，就把机器人从一个被动的角色变成Partner的角色，机器人和人之间形成这样一个系统。

　　为了实现这样一个目标，无论是对机构、传感还是操作系统都提出了很大的挑战，将来机器人可能是一个刚柔软的偶合结构，可能会有无限多的自由度。传感不一定是单模态，可能是多模态，另外对人的信号理解也会很重要。还有一个特点就是群体智能，单个的群体智能和多个的协同，还有怎样能够满足这样一个合作任务。我们研究最主要的核心问题是要从机器人最原始的三个部分，就是结构、感知、控制开展研究，支撑下一代或者未来机器人的可持续发展。这里主要是机构方面更加强调刚柔软，传感方面强调多模态，分布式要有自己的机器人操作系统和相关规则的制定。

　　中国机器人未来的发展离不开基础理论的支撑，希望围绕着共融机器人开展一些研究，也希望通过这个进行多学科的交叉。当然，我们有两个考虑：一个是瞄准了机器人的国际学术前沿，大家知道最近软体机器人和群体机器人的工作开展了很多。因为我们是一个制造大国，可能要瞄准三个很重要的方向，就是制造业、康复和国防安全方面。我们需要研究刚柔软机器人的机构学和动力学，还要研究人和机器人之间的自然交互，这里牵涉到传感以及学习原理，还有操作系统和群体智能，希望能够在分布式框架之下对机器人进行自动操作，还有多机器人的协同和智能控制。

　　机器人重大研究计划有三个代表性的成果：第一是在机器人加工方面，第二是在康复方面，第三是在操作系统方面，这是我们重大研究计划的定位。我们认为将来可能会出现一些能工巧匠的机器人，尤其是在一些大型零件和复杂曲面，将来的机器人可能会出现一些能工巧匠。当然，机器人本体的性能要好，另外机器人要有一些AI和Learning Organism。康复方面要有一些聪明和体贴的机器人，就是能够准确理解人的意图，可以和人非常和谐地在一起。还有就是特种机器人方面能够进行不同跨度的协作，完成一些特定的用途。

　　重大研究计划的执行期是2014年到2024年，总共是八年时间，投入是两个亿的人民币。这个项目会分三类：一种是一般性的项目，还有一种是重点项目、探索项目和集成项目，每个项目的强度大概是80万元、350万元到2000万元的标准。我们也有5%的项目和国际上的机器人机构进行合作，希望有些高水平的机器人研讨会以及这样的杂志。我们发起了智能机器人应用的国际会议，这个会议开到了第十届，也为我们机器人研究提供了一个平台。同时明年我们也发布了一个智能机器人和应用的杂志，希望有些成果在杂志上发表。

　　下面和大家汇报的是机器人加工的一些挑战。

　　大家可以看到，机器人最早是用作Manipulator，变成Machining就要有一个精度，需要有一个实时校正。这种大型的风电叶片和汽轮机叶片，针对这种零件的加工优势就会慢慢地显示出来。因为这样大的零件要用机床加工的话成本非常之高，可能要三五千万人民币，但是机器人灵活配置可以完成大型结构件的加工。这个方面欧盟做了很多工作，几个计划都是和机器人加工相关的，他们提出了一个明确的目标，就是实现50MU的加工精度，个人认为这个计划还是非常有挑战性的。

　　我们认为机器人加工有这样几个特点：首先是可以在一个很大的工作空间里面进行配置，然后是能够非常容易地集成一些传感信息，所以机器人加工可以说是Multi-Sensor的系统，这样的系统里面机器人的加工应该可以表现出很多的优势。螺旋桨加工是典型的机器人车辆加工操作一体化，因为要先对它进行测量再进行匹配，还要进行这样的Machining。

　　当然，机器人加工也会面临很多挑战，比如精度太低，只有0.3毫米，高级机床可以达到微米以下，刚度和机床相比也有很大的差距，1MU里面是1牛顿，机床是50牛顿。但优点就是灵活配置，所以机器人加工可以作为机床加工的互补，机床还是作为主流，对于一些大型的零件机器人加工有它的优点。

　　研究机器人加工就有一些基础理论问题必须解决，包括道具路径的产生和Dynamic Model，还有过程的控制，这个工作必须仔细研究。中国机器人的发展将来要进一步突破的话，只有在基础理论上形成我们自己的一套理论体系才能支撑这个行业可持续健康的发展。

　　如何使机器人进行加工？很重要的就是标定和集成，需要进行这样一项工作。简单汇报一下我们在复杂机器人加工方面做的一些工作，作为一个理论至少需要十到十五年的时间。我们系统建立了机器人加工的运动学，就是刀具路径的产生和测量方法。这里主要的工作是建立了机器人加工的理论和技术，主要是复杂曲面。大家知道国家制造能力的体现很重要的表现就是复杂曲面和大型备件的加工能力，所以我们这种复杂曲面的加工理论和动力学，还有相关的软件，并且也建立了多机器人加工的系统，这些系统已经在相关企业得到了应用。首先是大型风电以及燃气轮机叶片，还有关于有效的测量方法。

　　我们的理论必须要有一个软件和系统的体现，在此基础上开发了自己的软件，这个软件可以对复杂的叶轮进行刀度规划，然后可以对复杂的曲面零件进行理论、软件和实际，相关的系统已经完成了。以前这些叶片都是人工磨泡，劳动强度很大，所以我们建立了一套机器人磨泡系统，完成了机器人磨泡的工作。这是我们磨泡的结果，可以看出机器人磨泡的时间、精度、一致性比人工磨泡更好，最主要的是机器人能够在恶劣的环境当中把人解放出来，也能够提高产品的质量。

　　另一个工作是大型风电叶片，这种叶片很大，最长可以达到70-80米，现在都是人在磨泡，所以科技工作者应该在一些国家急需的行业把机器人的技术应用进去，这样对国家和行业的进步都是非常大的。这里可以看到现场机器人系统已经在中国中车得到了应用，这种大型风电叶片可以达到80-100米，现场的环境非常恶劣，这种恶劣的环境之下对人的伤害是非常大的。现在我们建立了多机器人加工磨泡系统，进行了大量的工艺过程研究。我觉得机器人的研究将来很大一个方面就是工艺支持非常重要，不是买几个机器人回来就叫智能制造，一个很重要的前提就是针对一个行业的工业支持以及实际应用。我们进行了大量的磨泡实验，然后在现场进行调试，这是国内第一条大型风电叶片，紧接着后面有很多风电企业都会找我们课题组应用这个技术，工人的劳动强度也可以得到极大的，希望能够在将来得到实际应用。

　　今天给大家介绍的主要是未来机器人的特点，这种应用的空间非常大，想像的空间、应用的空间和探索的空间也非常大。未来机器人很难用一句话概括，我这里讲的主要是几个典型的方面：将来机器人的发展有非常广阔的前景，尤其是近年来随着人工智能的技术、新材料的技术以及各方面应用的技术，机器人的明天会更加美好。当然，机器人的事业要发展壮大一个很重要的问题就是加强基础研究，离开了基础研究机器人的技术无法突破。作为一个重载的机器人，必须要有很好的控制算法，需要很多传感的技术，所以我们也是在国家基金委的组织之下，相关专家发起了这样的一个建议，通过多轮验证和认证，最后也正式实施了基金委的重大研究计划。因为重大研究计划的资金有限，我们只能Focus在几点上面，但是机器人的方向是无限的，可以说它的应用空间是非常大的，未来机器人很难能够把它Exactly描述出来，但是很多新的技术的进步对于机器人的发展也提出了很大的挑战。我们就趁着这个机会和各位专家、各位来宾分享一下我们前期重大研究计划的一些思考，作为抛砖引玉把我们的工作和大家做了一个介绍。将来整个制造业的升级、生命健康和国防安全当中机器人会扮演越来越重要的角色，我们也希望能够在这几个方面贡献自己的力量。