熊蓉：我們的智能移動機(jī)器人思維
熊蓉教授，系國家科技部重點專項智能機(jī)器人專家組專家，RoboCup國際理事會理事，浙江省機(jī)器換人專家組專家，浙江大學(xué)機(jī)器人實驗室主任。日前，她被世界機(jī)器人大會邀請，做了題為《智能移動機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用》的主題演講，提出的智能移動機(jī)器人自然無軌導(dǎo)航等研究，格外引人關(guān)注。
在長達(dá)十多分鐘的發(fā)言中，熊蓉教授為我們梳理了我國制造業(yè)機(jī)器人的研發(fā)現(xiàn)狀和重要節(jié)點，其中既有她對于國際機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的深度理解，亦有對國內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景和重點方向的思考分析，干貨非常多，值得您花時間閱讀。
以下為演講全文：
尊敬的各位領(lǐng)導(dǎo)，各位嘉賓，大家下午好！感謝組委會的邀請，我來自于浙江大學(xué)控制學(xué)院機(jī)器人實驗室，今天主要為大家介紹我們在機(jī)器人方面所做的一些工作，其中將重點介紹智能移動機(jī)器人的有關(guān)技術(shù)。
之前關(guān)于機(jī)器人的背景，各位嘉賓已經(jīng)講得很多了，這里我只做一個簡要介紹。基于市場驅(qū)動與技術(shù)發(fā)展，目前機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為各個國家的戰(zhàn)略型新興產(chǎn)業(yè)。我是從2000年開始從事機(jī)器人研究，當(dāng)時有讀到2001年《世界周刊》的一篇報道，文中卡耐基梅隆大學(xué)的教授預(yù)測機(jī)器人產(chǎn)業(yè)會超越IT資訊產(chǎn)業(yè)，而那時還是IT非常熱的時候。之后很快到了2013年，中國就迎來了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)。從1956年的第一臺工業(yè)機(jī)器人誕生并應(yīng)用到汽車領(lǐng)域，到現(xiàn)在我們已經(jīng)有了非常多不同類型的機(jī)器人，且已經(jīng)應(yīng)用到了包括工業(yè)、外空探測、軍事、醫(yī)療手術(shù)、康復(fù)等各行各業(yè)里，機(jī)器人已經(jīng)逐漸向社會各個領(lǐng)域不斷滲透。
但是我們發(fā)現(xiàn)，這些機(jī)器人在應(yīng)用過程中無論是形態(tài)上還是智能上，仍有很多局限性，因而現(xiàn)在很多的研究機(jī)構(gòu)與機(jī)器人企業(yè)都在研究各種各樣的輕型機(jī)器人。如工業(yè)中能夠與人交互協(xié)作的機(jī)器人，或?qū)⒃瓉砣塑嚪蛛x的結(jié)合在一起，以及一些仿生機(jī)器人。關(guān)于這些機(jī)器人，除了它們的外部形態(tài)外，還有一個非常重要的問題，就是內(nèi)部的智能性。智能化是新一代機(jī)器人的核心特征，對于腿足機(jī)器人來說，不管是讓它適應(yīng)不平整的地面，實現(xiàn)動態(tài)的移動控制；還是在家庭服務(wù)中，不斷實現(xiàn)對作業(yè)任務(wù)的移動，以及對物體的操作；或是在人機(jī)交互中，對人臉、人體進(jìn)行識別，進(jìn)而識別人的情緒，開展對應(yīng)的自然交互；以及在工業(yè)中的人機(jī)協(xié)同作業(yè)和康復(fù)、助殘中的人機(jī)協(xié)同作業(yè)，還有如何讓機(jī)器人自主地學(xué)習(xí)技能，并在泛化的作業(yè)內(nèi)容中實現(xiàn)以上這些都是當(dāng)前研究的熱點。但就整體來說，其中最關(guān)鍵的還是如何讓機(jī)器人變得智能。
關(guān)于智能，我們提到兩個核心問題：一是感知，一是控制。獲得環(huán)境和自身的信息，然后基于感知進(jìn)行伺服的控制，兩者之間相互關(guān)聯(lián)，形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。通過這兩個作業(yè)，我們要使得機(jī)器人系統(tǒng)有很好的適應(yīng)性，能夠適應(yīng)各種不同的環(huán)境，適應(yīng)各種不同的操作對象以及各種不同的地形等等。
基于本人的計算機(jī)背景，我們的實驗室從2000年開始，主要關(guān)注于機(jī)器人的智能化方面。在17年的發(fā)展過程中，我們的發(fā)展方向主要概括為三個：如何進(jìn)行智能的操作、智能的移動和智能的運(yùn)動。下面我先簡要地介紹一下實驗室在智能操作和智能運(yùn)動方面的一些成果，然后再重點介紹一下在智能移動方面所做的各項工作。
首先是智能操作。
操作是工業(yè)機(jī)器人最基本的功能需求。但是從工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入到現(xiàn)在，就需要滿足柔性制造的發(fā)展來看，也對機(jī)器人的智能性提出了需求，即能否通過各種各樣的傳感器來感知其作業(yè)對象并進(jìn)行在線作業(yè)；而對于服務(wù)機(jī)器人來說，它更是一個必備的技術(shù)要求。因而不管是工業(yè)機(jī)器人還是服務(wù)機(jī)器人，人機(jī)協(xié)作是一個發(fā)展趨勢。這同樣意味著，我們的機(jī)器人需要具有感知的能力，去感知它的交互對象及意圖，然后來規(guī)劃自己的運(yùn)動。于是，在2008年到2011年間，我們在國家863重點課題的支持下，做了一個乒乓球?qū)Υ驒C(jī)器人，其實質(zhì)是在解決智能操作的問題。它主要通過對某個對象的快速識別、定位，來考慮如何安排自己的運(yùn)動，即對機(jī)械臂運(yùn)動軌跡進(jìn)行預(yù)測，然后規(guī)劃出機(jī)器人的全身運(yùn)動，這是在線、實時的規(guī)劃，并且要保證這個手臂在快速作業(yè)時的動態(tài)平衡控制。該成果于2011年10月發(fā)布，得到了國內(nèi)外的很大肯定。包括英國的路透社、美國的美聯(lián)社，以及美國國家地理頻道在去年開設(shè)的一個名為NothingImpossible的節(jié)目,都來到實驗室做了專題報道，更有很多的人慕名前來和這款機(jī)器人對打。（看圖）這就是第一位來和它對打的老先生，某雙蛇發(fā)球器的老總，從小打乒乓球。我們當(dāng)時生產(chǎn)了兩款這樣的機(jī)器人，他們之間可以進(jìn)行對打。但是機(jī)器人間的對打難度不及于他們與人類的對打，這是因為機(jī)器人是比較可控的，不像人類會有忽快、忽慢的速度，甚至所打的球會帶有旋轉(zhuǎn)性。同時，由于我們最初的定義就是制造一款仿人機(jī)器人，所以這款乒乓球?qū)Υ驒C(jī)器人也能走路，只不過它的速度和國際上相比還有較大差距。這款機(jī)器人主要解決的是如何利用它全身的關(guān)節(jié)，來保證穩(wěn)定的平衡控制及作業(yè)的精確性。（看圖）這是工博會上，萬鋼部長和它的對打，這些是在863成果20周年匯報上的一些照片。
這個作業(yè)完成后，我們將這一技術(shù)應(yīng)用到了工業(yè)領(lǐng)域。在該領(lǐng)域里，涉及到對不同物品的分揀。（看圖）這是我們給某企業(yè)做的幾套自動化單元，當(dāng)中有涉及到耳機(jī)這樣很小且沒有什么紋理的物品，我們要快速地識別它的位置，然后規(guī)劃機(jī)械臂的運(yùn)動實現(xiàn)抓取，進(jìn)而去適應(yīng)不同的對象、插件等等。（看圖）我們把一個工作臺臨時推到機(jī)械臂面前，它能夠在1分鐘內(nèi)完成標(biāo)定，然后開始精確作業(yè)（ICT的焊接對精度要求挺高），這解決了原來在工業(yè)上人機(jī)標(biāo)定作業(yè)和機(jī)械臂標(biāo)定時需要大量專業(yè)人員和大量時間的問題。
另外我們還開展了進(jìn)一步研究，即原先我們針對的是有相對少量旋轉(zhuǎn)的球，但其實在很多現(xiàn)實領(lǐng)域里，都會涉及到有大量旋轉(zhuǎn)的事物，比如在軍事對抗、航空航天領(lǐng)域里都有這樣對象作業(yè)的需求。那么在帶有高速旋轉(zhuǎn)的情況下，如何預(yù)測它的軌跡，就變得非常重要。因此，在國家自然科學(xué)基金的支持下，我們于2012年開始了這方面的工作。從最初對球（我們還是以球作為一個對象）上自然標(biāo)志的識別、跟蹤來估計它的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，第一次實現(xiàn)機(jī)器人對高速旋轉(zhuǎn)球的接打；到后來我們對模型進(jìn)行肌理分析，再結(jié)合視覺學(xué)習(xí)，建立準(zhǔn)確的模型，目前大家看到的就是不用看球上的任何標(biāo)示，完全只根據(jù)它的位置，就能做出精確的軌跡預(yù)測來實現(xiàn)機(jī)器人對球的接打。而眼下，我們正在進(jìn)一步研究的是如何能讓機(jī)器人把球打回到我們需要的地方，目前我們已經(jīng)完成了對球的旋轉(zhuǎn)建模即能夠接住球，下一步是要把球打到需要的位置上。