丁漢院士：機器人技術發展應加強基礎研究
新浪科技訊 10月21日消息，2016世界機器人論壇今日開始舉行，大會邀請國內外機器人領域知名學者、專家圍繞「共創共享共贏，開啟智能時代」這一主題進行交流研討。中國華中科技大學機械科學與工程學院院長丁漢院士以《共融機器人的基礎理論和關鍵技術》為題發言，他表示，機器人的事業要發展壯大一個很重要的問題就是加強基礎研究，離開了基礎研究機器人的技術無法突破。作為一個重載的機器人，必須要有很好的控制演算法，需要很多感測的技術。
以下為演講實錄：
非常感謝大會的邀請，下面向大家彙報一下我在這個領域的一些探索。報告分為四個方面進行：首先是機器人未來的發展趨勢，然後在這個基礎上向大家彙報國家基金委最近剛剛發布的機器人重大研究計劃，也希望這個計劃為我國機器人的未來發展提供理論和技術的支撐，還有機器人未來的發展趨勢以及在某些領域的應用，最後簡單地介紹一下我們課題組在這方面的一些工作。
大家知道，機器人自從1959年誕生以來在各方面都取得了很大的應用，特別是在汽車工業，近年來在康復醫療、國防、太空探索以及自然勘探方面都得到了很好的應用。人類發明機器人的目的最早是代替人，然後發展到服務人，將來是擴展人，就是可以從人類發展過程當中看出來最早是在一些惡劣的、極端的環境之下代替人，然後慢慢地為人服務，擴展出了一些新的功能。
現實當中的機器人和我們的期望值有很大的差距，例如工業機器人，目前大多在一些結構化的環境當中工作，在線感測能力都是比較差的，服務機器人目前還只能完成一些簡單的任務，特種機器人都是需要遙操作來完成特定的工作。所以可以看出，現實當中的機器人和我們人類的想像還有很大的差距。
最早的機器人在五十年代就是一個Manipulator，慢慢地隨著模擬感測器的發展開始進行一些自主的決策，然後又開始做一些群體的智能，剛開始是簡單的工業機器人，慢慢地開始進行複雜的交互。未來的機器人操作的環境可能會和操作者更加協同來完成這樣複雜的工作，所以未來機器人會有這樣幾個特徵。
這是未來的一個趨勢，就是機器人環境的適應，還有機器人和機器人之間的協同，比如多機器人可以進行協同工作，完成一個複雜的任務。實際上多機器人可以協同，單機器人可以自主，這也是未來的一個方向。還有就是機器人和人的協同，這是英國的機械手，可以看到假手和人手進行協同。以前我們都是剛的機器人，慢慢地可能發展到剛軟機器人。可以看到和人交互的時候剛度的變化，還有人機交互的動力學，這也是未來機器人研究面臨的第一個挑戰。面臨的第二個挑戰就是對人的信號怎麼理解，尤其是多模態的信號在動態環境下的表現，還有人的機電信號怎樣進行交互，這也是和人互動必須進行的相關研究。
作為群體智能，一個很重要的標誌就是個體之間有自立、群體之間有合作，需要研究群體智能的機理以及分布式的操作系統能夠對機器人所有的資源進行有效的管理。正是在這樣的前提之下，很多專家進行了近兩年的研討，最後基金委重大研究計劃正式發布了，希望能夠對未來機器人的這三個特點做一些理論上的研究，也為機器人的研究提供後續發展的動力。這個計劃叫做共融機器人，這個英文翻譯經過了仔細的考慮，主要具有三個特徵：要是在一起Co-existing，就把機器人從一個被動的角色變成Partner的角色，機器人和人之間形成這樣一個系統。
為了實現這樣一個目標，無論是對機構、感測還是操作系統都提出了很大的挑戰，將來機器人可能是一個剛柔軟的偶合結構，可能會有無限多的自由度。感測不一定是單模態，可能是多模態，另外對人的信號理解也會很重要。還有一個特點就是群體智能，單個的群體智能和多個的協同，還有怎樣能夠滿足這樣一個合作任務。我們研究最主要的核心問題是要從機器人最原始的三個部分，就是結構、感知、控制開展研究，支撐下一代或者未來機器人的可持續發展。這裡主要是機構方面更加強調剛柔軟，感測方面強調多模態，分布式要有自己的機器人操作系統和相關規則的制定。
中國機器人未來的發展離不開基礎理論的支撐，希望圍繞著共融機器人開展一些研究，也希望通過這個進行多學科的交叉。當然，我們有兩個考慮：一個是瞄準了機器人的國際學術前沿，大家知道最近軟體機器人和群體機器人的工作開展了很多。因為我們是一個製造大國，可能要瞄準三個很重要的方向，就是製造業、康復和國防安全方面。我們需要研究剛柔軟機器人的機構學和動力學，還要研究人和機器人之間的自然交互，這裡牽涉到感測以及學習原理，還有操作系統和群體智能，希望能夠在分布式框架之下對機器人進行自動操作，還有多機器人的協同和智能控制。
機器人重大研究計劃有三個代表性的成果：第一是在機器人加工方面，第二是在康復方面，第三是在操作系統方面，這是我們重大研究計劃的定位。我們認為將來可能會出現一些能工巧匠的機器人，尤其是在一些大型零件和複雜曲面，將來的機器人可能會出現一些能工巧匠。當然，機器人本體的性能要好，另外機器人要有一些AI和Learning Organism。康復方面要有一些聰明和體貼的機器人，就是能夠準確理解人的意圖，可以和人非常和諧地在一起。還有就是特種機器人方面能夠進行不同跨度的協作，完成一些特定的用途。
重大研究計劃的執行期是2014年到2024年，總共是八年時間，投入是兩個億的人民幣。這個項目會分三類：一種是一般性的項目，還有一種是重點項目、探索項目和集成項目，每個項目的強度大概是80萬元、350萬元到2000萬元的標準。我們也有5%的項目和國際上的機器人機構進行合作，希望有些高水平的機器人研討會以及這樣的雜誌。我們發起了智能機器人應用的國際會議，這個會議開到了第十屆，也為我們機器人研究提供了一個平台。同時明年我們也發布了一個智能機器人和應用的雜誌，希望有些成果在雜誌上發表。
下面和大家彙報的是機器人加工的一些挑戰。
大家可以看到，機器人最早是用作Manipulator，變成Machining就要有一個精度，需要有一個實時校正。這種大型的風電葉片和汽輪機葉片，針對這種零件的加工優勢就會慢慢地顯示出來。因為這樣大的零件要用機床加工的話成本非常之高，可能要三五千萬人民幣，但是機器人靈活配置可以完成大型結構件的加工。這個方面歐盟做了很多工作，幾個計劃都是和機器人加工相關的，他們提出了一個明確的目標，就是實現50MU的加工精度，個人認為這個計劃還是非常有挑戰性的。
我們認為機器人加工有這樣幾個特點：首先是可以在一個很大的工作空間裡面進行配置，然後是能夠非常容易地集成一些感測信息，所以機器人加工可以說是Multi-Sensor的系統，這樣的系統裡面機器人的加工應該可以表現出很多的優勢。螺旋槳加工是典型的機器人車輛加工操作一體化，因為要先對它進行測量再進行匹配，還要進行這樣的Machining。
當然，機器人加工也會面臨很多挑戰，比如精度太低，只有0.3毫米，高級機床可以達到微米以下，剛度和機床相比也有很大的差距，1MU裡面是1牛頓，機床是50牛頓。但優點就是靈活配置，所以機器人加工可以作為機床加工的互補，機床還是作為主流，對於一些大型的零件機器人加工有它的優點。
研究機器人加工就有一些基礎理論問題必須解決，包括道具路徑的產生和Dynamic Model，還有過程的控制，這個工作必須仔細研究。中國機器人的發展將來要進一步突破的話，只有在基礎理論上形成我們自己的一套理論體系才能支撐這個行業可持續健康的發展。
如何使機器人進行加工？很重要的就是標定和集成，需要進行這樣一項工作。簡單彙報一下我們在複雜機器人加工方面做的一些工作，作為一個理論至少需要十到十五年的時間。我們系統建立了機器人加工的運動學，就是刀具路徑的產生和測量方法。這裡主要的工作是建立了機器人加工的理論和技術，主要是複雜曲面。大家知道國家製造能力的體現很重要的表現就是複雜曲面和大型備件的加工能力，所以我們這種複雜曲面的加工理論和動力學，還有相關的軟體，並且也建立了多機器人加工的系統，這些系統已經在相關企業得到了應用。首先是大型風電以及燃氣輪機葉片，還有關於有效的測量方法。
我們的理論必須要有一個軟體和系統的體現，在此基礎上開發了自己的軟體，這個軟體可以對複雜的葉輪進行刀度規劃，然後可以對複雜的曲面零件進行理論、軟體和實際，相關的系統已經完成了。以前這些葉片都是人工磨泡，勞動強度很大，所以我們建立了一套機器人磨泡系統，完成了機器人磨泡的工作。這是我們磨泡的結果，可以看出機器人磨泡的時間、精度、一致性比人工磨泡更好，最主要的是機器人能夠在惡劣的環境當中把人解放出來，也能夠提高產品的質量。
另一個工作是大型風電葉片，這種葉片很大，最長可以達到70-80米，現在都是人在磨泡，所以科技工作者應該在一些國家急需的行業把機器人的技術應用進去，這樣對國家和行業的進步都是非常大的。這裡可以看到現場機器人系統已經在中國中車得到了應用，這種大型風電葉片可以達到80-100米，現場的環境非常惡劣，這種惡劣的環境之下對人的傷害是非常大的。現在我們建立了多機器人加工磨泡系統，進行了大量的工藝過程研究。我覺得機器人的研究將來很大一個方面就是工藝支持非常重要，不是買幾個機器人回來就叫智能製造，一個很重要的前提就是針對一個行業的工業支持以及實際應用。我們進行了大量的磨泡實驗，然後在現場進行調試，這是國內第一條大型風電葉片，緊接著後面有很多風電企業都會找我們課題組應用這個技術，工人的勞動強度也可以得到極大的，希望能夠在將來得到實際應用。
今天給大家介紹的主要是未來機器人的特點，這種應用的空間非常大，想像的空間、應用的空間和探索的空間也非常大。未來機器人很難用一句話概括，我這裡講的主要是幾個典型的方面：將來機器人的發展有非常廣闊的前景，尤其是近年來隨著人工智慧的技術、新材料的技術以及各方面應用的技術，機器人的明天會更加美好。當然，機器人的事業要發展壯大一個很重要的問題就是加強基礎研究，離開了基礎研究機器人的技術無法突破。作為一個重載的機器人，必須要有很好的控制演算法，需要很多感測的技術，所以我們也是在國家基金委的組織之下，相關專家發起了這樣的一個建議，通過多輪驗證和認證，最後也正式實施了基金委的重大研究計劃。因為重大研究計劃的資金有限，我們只能Focus在幾點上面，但是機器人的方向是無限的，可以說它的應用空間是非常大的，未來機器人很難能夠把它Exactly描述出來，但是很多新的技術的進步對於機器人的發展也提出了很大的挑戰。我們就趁著這個機會和各位專家、各位來賓分享一下我們前期重大研究計劃的一些思考，作為拋磚引玉把我們的工作和大家做了一個介紹。將來整個製造業的升級、生命健康和國防安全當中機器人會扮演越來越重要的角色，我們也希望能夠在這幾個方面貢獻自己的力量。
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