学界 | 这2亿人民币或将奠定中国机器人理论基础

2018 年 5 月 3 日 AI科技评论 camel

「我们这个重大研究计划能够在整个机器人发展历程中留下什么样的痕迹呢？」

——华中科技大学丁汉院士

2018 年 4 月 26-27 日，首届国家自然科学基金重大研究计划「共融机器人基础理论与关键技术研究」学术交流会在中国北方车辆研究所举行，有 200 多名国内机器人领域的顶级专家与会。

会议开幕式中，丁汉院士表示，共融机器人将是未来机器人发展中重要代表方向之一。所谓「共融机器人」（Coexisting-Cooperative-Cognitive Robots, Tri-Co Robots）是指能与作业环境、人和其它机器人自然交互、自主适应复杂动态环境并协同作业的机器人。

在 2016 年 7 月，经过百名国内外学者近两年的讨论、论证、汇报和咨询后，国家自然科学基金委员会「共融机器人基础理论与关键技术研究」的重大研究计划获得批准。该计划拟投入直接经费 2 亿元，历时 8 年（2017 年 1 月～2024 年 12 月），瞄准国际机器人研究前沿，围绕人-机-环境共融的机器人基础理论和设计方法，希望在刚-柔-软耦合柔顺结构设计与动力学、人-机-环境多模态感知与自然交互、机器人群体智能与操作系统架构等方面取得创新性成果。

自重大项目启动以来，共有两批 20 项重点支持项目（2016 年 8 项，2017 年 12 项）和 53 项培育项目（2016 年 22 项；2017 年 31 项），投入经费 3395 万元。

本次学术交流会议作为该项目的首届会议，主要是针对 2016 年度批准项目的实施情况和进展进行检查与交流，与会专家围绕项目进展进行总结和点评，并指出问题以及提出改进措施，同时也启动了 2018 年「世界机器人大赛——共融机器人挑战赛」。

一、重大支持项目及培育项目

这里对八项重点项目作以简单介绍：

1.人机协作型移动双臂机器人的基础研究

该项目是由哈尔滨工业大学赵杰教授承担，主要为针对工业领域对协作型双臂机器人的重大需求，围绕相应的基础科学问题而开展的一系列研究。

赵杰教授在「研究进展和成果」环节中，介绍了其在平台研制和理论方面的研究工作。平台研制方面包括驱控一体化关节、7 自由度协作型机械臂、协作性双机械臂、软件系统、仿真平台等工作；理论方面，赵杰教授研究了运动学自建模、关节刚度在线辨识、无传感器随动控制方法、基于肌电信号反馈的操作刚度映射、人机技能传递等创新性工作。目前针对这些研究工作，共发表学术论文 7 篇。

2.蒙皮镜像加工机器人系统的主动顺应与协调控制研究

该项目由上海交通大学的朱利民教授承担，项目针对长厚比大于 1000 的「极端」弱刚性大型蒙皮构件的壁厚加工精度保障难题，旨在将混联机器人装备技术和数字化加工技术相结合，创建双机器人「切削加工与误差补偿+随动支撑与壁厚测量」协同作业的镜像加工新原理与新装备。

项目围绕机器人本体结构、末端执行器、双机器人协调控制三方面开展研究，具体内容包括：（1）高轴向刚度紧凑型混联机器人设计与双机器人同步控制；（2）工件形状自适应的随动支撑头设计与变刚度控制；（3）加工壁厚双机器人协同实时跟随测量与预测补偿；（4）机器人镜像加工系统构建与试验验证。预期将建立加工机器人-薄壁零件-支撑机器人交互过程的主动顺应与协调控制理论，通过支撑头的变刚度控制，实现对装备-零件交互过程的主动顺应，通过双机器人的协调控制，实现对不规则变形零件加工壁厚的闭环控制。该项目目前共发表 SCI 论文 11 篇，国际会议 ICIRA 2017 最佳论文 1 篇，申请专利 4 项。

3.修复与增强人体运动能力的穿戴式机器人基础研究

该项目由华中科技大学的熊蔡华教授承担，项目主要解决当前机器人外骨骼无法在自然环境中按照人的运动意图和节律协调运动，导致穿戴者代谢能消耗巨大、倍感疲劳等挑战性难题。

熊蔡华教授在该项目的研究中，主要聚焦于「下肢自然运动规律解析」、「运动意图识别与自然交互」和「下肢自然运动的机械复现」三个科学问题，研究内容包括：下肢在内部肌力作用下的机械运动规律，人体运动状态的在线感知与运动意图的实时识别，下肢运动降维与机械复现原理，人机自然交互与机器人外骨骼的协调控制，以及理论与方法的验证平台等。

目前熊蔡华教授的研究成果包括：

揭示了下肢特征运动的构成规律，为下肢运动智能的机械化做了初步探索；
建立了被动外骨骼设计理论与方法，为减少行走中代谢能消耗找到了新的解决办法；
创立了动力背包设计的新原理，为以极少的代谢能消耗负重行走提供了科学原理。

该项目目前发表 SCI 论文 8 篇，EI 论文 5 篇；获授权发明专利 2 项，申请发明专利 12 项；或第 45 届日内瓦国际发明博览会金奖（2017 年）。

4.群体智能机器人操作系统的机理、架构与技术研究

该项目由国防科技大学易晓东教授所承担，项目主要研究群体智能机器人操作系统的机理、架构和技术，解决自主行为与群体智能涌现机理和多态体系与分布架构两大科学问题。

群体智能是人工智能领域的前沿发展方向，而实现群体智能的载体则是软件。易晓东教授在报告中首先介绍了他们基于「角色」的控制抽象以及基于「语义态势图」的数据抽象，面对群体智能中三个挑战所搭建的体系架构。三个挑战分别为：

如何设计即管理资源又管理行为的操作系统架构？
如何设计管理群体无人系统的操作系统架构？
如何设计支撑「适应环境人工智能」的操作系统架构？

针对这三个挑战，易晓东教授提出了纵向看的层次式架构、横向看的分布式架构和深向看的平行学习架构。

随后易晓东教授还介绍了他们基于 OODA 的群体智能行为管理、群体感知数据管理、群体协同任务管理等 6 项关键技术，同时还介绍了群体智能机器人操作系统原型、大规模群体动力学仿真环境原型、集成开发工具集原型、机器人多体动力学自动化建模工具等系统研发工作，并演示了其在无人机群体协作等方面的工作。易晓东教授同时还开源了 10 多项工作的源代码，发表论文 15 篇。

5.无人机与有人机共融博弈基础理论与关键技术研究

该项目由中国科学院自动化研究所乔红研究员承担，项目针对无人机与有人机共融博弈中面对瞬息万变的敌对机群须实现快速、智能博弈的问题进行展开。

本项目通过提升无人机认知智能和人-机认知共融（包括特征融合与快速分类、深度学习、类脑认知模型深入研究和融合），提升无人机决策智能和人-机决策共融（包括深度增强学习、类脑决策模型深入研究和融合），保障系统的智能性、快速性与可靠性。研究内容具有前沿性，三种方法层层递进，保证了可靠性，同时，通过搭建大型的软硬件结合的模拟平台实现应用验证。

6.面向生机电一体化灵巧操作假肢的共融机器人理论与关键技术研究

该项目由东南大学宋爱国教授所承担，项目主要面向「生机电一体化灵巧操作假肢」开展共融机器人共性的基础理论与关键技术研究，这包括：（1）基于生物信号的动作意图理解；（2）力触觉等多模态感知信息的获取；（3）力触觉多模态感知信息的反馈；（4）多感知增强神经系统控制能力的机理；（5）基于生物信号的灵巧操作假肢协调控制方法。

该项目 2017 年按计划完成了调研、资料检索和分析、制定研究方案，探索了基于柔性阵列式肌电电极获取高密度、高冗余 EMG 信号的信号检测技术，基于高密度 EMG 信号发展精细动作识别的特征提取算法，以及基于深度学习构造脑电与离散运动图模式之间的映射模型。具体研究进展如下图所示：

目前该项目共发表 10 篇论文，申请发明专利 7 项。

7.基于柔性电容传感的人-智能假肢-环境感知运动融合基础理论与关键技术研究

该项目由北京大学王启宁承担，该项目研究重点包括智能肢体的设计与控制、基于多传感器融合的人体运动意图识别两个方面。

作为共融机器人在医疗康复领域的典型代表，智能下肢假肢与人和环境的有效融合是亟待解决的关键问题。这里面临着以下几个问题：多关节的智能动力下肢假肢结构仿生与控制、下肢运动意图感知与识别以及复杂动态环境下人-智能假肢感知运动融合。

本项目首先突破传统的生物信号来源，创新性的探索电容传感在人体运动意图识别中的机理和假肢控制中的应用，实现柔性可延展的电容传感测量前端，使残疾人的皮肤不接触金属电极，克服现有生物信号测量方法的局限，并保证稳定测量的同时不干涉残疾人运动。

其次，研制一款具有柔性可控踝关节和膝关节的智能动力下肢假肢，研究在不同的地形下依靠运动意图识别的决策实现对智能假肢的控制，以实现残疾人稳定流畅的行走；实现当外部环境和条件变化时，运动意图识别算法和假肢控制算法的自适应。

另外，他们还开展样本量不少于 20 人的残疾人穿戴实验，研究膝-踝智能假肢在多种地形和不同行走速度下行走对残疾人运动能耗、步态对称性、假肢功耗等关键性能的影响。

最后，王启宁教授还介绍了基于外周神经接口的触觉补偿机制及其对下肢残疾人步态性能的影响。

目前该项目已经发表论文 18 篇，申请国家发明专利 2 项。

8.人机共融的灵巧柔顺下肢康复机器人交互方法与应用

该项目由西安交通大学陈霸东教授承担，该项目针对人机共融的灵巧柔顺下肢康复机器人系统中「运动意图实时准确判读」和「人机协同控制」等核心挑战性问题开展研究工作。

康复机器人的核心问题是研究人机共融的灵巧柔顺下肢康复机器人，包括如何利用多模态神经信号解码人体运动意图以及如何实现患者与康复机器人高度融合与协同控制。这些关键问题的解决将能够有效提升康复机器人系统人-机融合程度，提高康复训练的效果。项目拟基于信息论学习、核自适应滤波以及深度学习等先进建模方法，构建多模态神经信号与人体运动意图之间内在时空动态映射关系，让机器人主动感知人的运动意图，实现更加自然的人机交互，最终形成患者与康复机器人协同交互的智能康复系统，并研发一套面向临床应用的灵巧柔顺坐卧式下肢康复机器人原型系统。

目前该项目的主要研究进展如下图所示：

22 项培育项目

会议当天除了 8 项重点支持项目外，还有 22 项培育项目的汇报和点评。列表如下，内容详见 2016 年度资助项目（http://trico-robot.hust.edu.cn/info/1103/1285.htm）。

二、共融机器人挑战赛

除了学术研讨会外，26 日下午，为期一天半的第一阶段的 2018 年「世界机器人大赛——共融机器人挑战赛」也正式启动。来自全国各地的 78 支参赛队参与共融机器人仿真组、机器人创新路演组以及机器人青年创意组三个组别的比赛。除青年创意组的比赛采取幻灯片、视频等技术开展问辩汇报形式外，另外两组的比赛均采取实物实地角逐方式进行。

仿真组主要考核共融机器人的多模感知、自主避障、规划决策、双臂协同、灵巧作业、牵引载荷等综合技术能力，此次共有 28 支队伍参与角逐。其中

一等奖：华中科技大学自动化学院队

二等奖：NPU5V5 队、西安交通大学 SKLIR 队

三等奖：RobotCNC 队、萝卜火箭队、简锋战队

路演组是面向智能制造、医疗康复、国防安全等领域对共融机器人的需求，重点聚焦对刚-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、机器人群体智能与操作系统架构等关键科学问题的研究，此次共 34 支队伍参赛。其中

一等奖：上海加大智能步行机器人队

二等奖：南大图客队、cothink robotics 队

三等奖：VicRoB 全自由度移动机器人团队、西安交通大学 DDM 生物组团队、climbing robot-SWPU 队

青年创意组的比赛，旨在促进 1983 年 1 月 1 日之后出生的青年学者的积极，以瞄准国际机器人研究前沿，重点围绕人-机-环境共融的机器人基础理论和设计方法，通过机械、信息、力学和医学等多学科交叉，从创意新颖性、主题契合度、方案可行性、内容完整性四个维度，提出原理原创、技术前沿的创意比赛，此次共 16 支队伍参赛。其中